鋰離子蓄電池組在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)分析與壽命預(yù)計(jì)

張文芳，鄒恒光，姜垚先，贠 磊，王鐵民

(1.中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，有效載荷越來越復(fù)雜，對(duì)應(yīng)的有效載荷系統(tǒng)功耗增大、質(zhì)量增加，需要電源系統(tǒng)在滿足衛(wèi)星長(zhǎng)壽命高可靠要求的同時(shí)，進(jìn)一步提高衛(wèi)星的供電能力，減輕衛(wèi)星平臺(tái)的質(zhì)量。

鋰離子蓄電池組由于具有比能量高、自放電小、可并聯(lián)使用、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸替代氫鎳蓄電池組成為衛(wèi)星新一代儲(chǔ)能電源。以GEO 衛(wèi)星為例，衛(wèi)星每年要經(jīng)歷兩個(gè)地影季，每個(gè)地影季44 天。地影季內(nèi)，最長(zhǎng)地影1.16 h 不受光照，需要蓄電池組為衛(wèi)星供電。相對(duì)于氫鎳電池，鋰離子蓄電池組質(zhì)量比能量提高近一倍，即輸出功率提高60%的情況下，鋰離子蓄電池組的質(zhì)量?jī)H為氫鎳蓄電池組的80%，可見鋰電池應(yīng)用于高軌衛(wèi)星可在大幅提升輸出功率的同時(shí)大大減輕電源系統(tǒng)質(zhì)量，進(jìn)而提高衛(wèi)星的載干比，提升高軌衛(wèi)星的綜合能力[1-2]，因此鋰離子蓄電池在衛(wèi)星電源領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。本文對(duì)鋰離子蓄電池的在軌性能進(jìn)行分析，并對(duì)其在軌工作壽命進(jìn)行預(yù)計(jì)。

1 鋰離子蓄電池在軌管理策略

為確保鋰離子蓄電池組滿足衛(wèi)星長(zhǎng)壽命要求，必須對(duì)鋰離子蓄電池進(jìn)行有效管理[3]，確保其在最佳的狀態(tài)下工作。以某GEO 軌道衛(wèi)星為例，衛(wèi)星配置南、北兩組國(guó)產(chǎn)135 Ah 鋰離子蓄電池，每組由3 并20 串45 Ah 電池單體組成。針對(duì)該鋰離子蓄電池組制定的在軌管理策略主要包括如下方面。

(1)充電電流的確定

按照GEO 衛(wèi)星運(yùn)行周期，地影季鋰離子蓄電池組每24 h進(jìn)行一次充放電循環(huán)，放電時(shí)間最長(zhǎng)為1.16 h(放電深度最大為80%)。較小的充電電流有利于電池的長(zhǎng)壽命性能，采用0.1C(13.5 A)的充電電流輪流充電即可確保在24 h 內(nèi)完成充放電循環(huán)，滿足充電要求。因此，充電電流采用0.1C電流輪流充電。

(2)充電截止電壓的確定

鋰離子單體電池充電截止電壓超過4.2 V 將對(duì)電池壽命產(chǎn)生明顯不利的影響。壽命初期采用較低的充電截止電壓，充電限壓值確定在4.05 V，壽命末期可以通過提高電池的充電截止電壓延長(zhǎng)電池組的壽命，充電限壓值可設(shè)定在4.1～4.2 V。

(3)充電方式

鋰離子蓄電池組在軌運(yùn)行采用恒流+限壓充電方式(圖1)，兩組電池采用5 min/5 min 輪流充電方式。蓄電池組先用恒定電流0.1C充電，充電至單體電池電壓達(dá)到設(shè)定值4.05 V時(shí)，轉(zhuǎn)為限壓充電，此時(shí)充電電流以步長(zhǎng)0.01C(1.35 A)逐步降低，當(dāng)充電電流降到0.01C，停止充電。

圖1 恒流限壓充電方式電壓電流變化

(4)在軌光照季的管理策略

鋰離子蓄電池組在全光照季一般處于不工作狀態(tài)，通過合理的在軌管理可以減少鋰離子蓄電池組在擱置狀態(tài)下的性能衰降。鋰離子蓄電池組在滿荷電態(tài)下儲(chǔ)存，電池能量衰降最明顯；儲(chǔ)存環(huán)境溫度越高，電池能量衰降越大。因此確定蓄電池組的荷電量需維持在60%～80%，對(duì)應(yīng)的單體電池電壓為3.7～3.9 V，蓄電池組溫度應(yīng)在－5～+15 ℃，光照季溫控閾值設(shè)計(jì)為0～4 ℃。

光照季，當(dāng)單體電池電壓低于3.7 V 時(shí)，以0.02C為蓄電池組補(bǔ)充充電；當(dāng)單體電池電壓高于3.9 V 時(shí)，停止為蓄電池組補(bǔ)充充電。

(5)在軌地影季的管理策略[4]

地影季，蓄電池組每天都會(huì)經(jīng)歷地影并放電，出影后將蓄電池組充電至100%荷電量后停止充電，工作溫度在10～30 ℃，地影季溫控閾值設(shè)計(jì)為12～16 ℃。

地影季結(jié)束后，蓄電池組連續(xù)48 h 不放電，則星上軟件自動(dòng)將電池由地影季管理切換為長(zhǎng)光照季管理。蓄電池組溫控閾值跟隨光照/地影期標(biāo)志自主切換。

鋰離子蓄電池組在軌管理及單體電池電壓變化如圖2 所示，其中擱置模式為蓄電池組處于光照季不工作狀態(tài)，補(bǔ)充充電模式為光照季電池以0.02C(2.7 A)充電的狀態(tài)，暫停模式為蓄電池組處于地影季不工作狀態(tài)，放電模式即蓄電池組放電為衛(wèi)星提供能源，充電模式即蓄電池組以0.1C電流進(jìn)行充電。

圖2 鋰離子蓄電池在軌工作模式及電壓變化示意圖

光照季蓄電池組在擱置模式與補(bǔ)充充電模式間切換，地影季蓄電池組在放電模式、充電模式、暫停模式間切換。

(6)均衡控制策略

均衡策略的基本原理是將充電電壓高的電池分流一部分電流，逐步使充電電壓低的電池充滿電，達(dá)到同步的目的。

地影季蓄電池組要進(jìn)行充放電循環(huán)，為避免電池荷電量不一致對(duì)電池性能產(chǎn)生不利影響，將電池壓差控制在較小范圍內(nèi)，光照季蓄電池組處于擱置狀態(tài)，單體電池壓差可適當(dāng)放寬。

地影季，當(dāng)單體電池間電壓差超過上限閾值(25 mV)啟動(dòng)均衡，電壓差低于下限閾值(10 mV)時(shí)，停止均衡。

光照季，當(dāng)單體電池間電壓差超過上限閾值(50 mV)啟動(dòng)均衡，電壓差低于下限閾值(25 mV)時(shí)，停止均衡。

由于鋰離子蓄電池組需要嚴(yán)格控制過放電，均衡僅在充電過程進(jìn)行。蓄電池組均衡判據(jù)閾值跟隨光照/地影期標(biāo)志自主切換。

(7)過充電保護(hù)策略

在蓄電池充電過程中，監(jiān)視整組電壓、電池溫度、充電電流，星上軟件對(duì)蓄電池組實(shí)施過(電壓、溫度、電流)充電保護(hù)。

(a)電壓過充保護(hù)

蓄電池組大電流充電或補(bǔ)充充電過程中，當(dāng)蓄電池組電壓大于設(shè)定值84 V 時(shí)，則停止對(duì)該組蓄電池進(jìn)行充電。過壓保護(hù)后，當(dāng)蓄電池組電壓低于設(shè)定值80 V 時(shí)，恢復(fù)對(duì)該蓄電池組充電。

(b)溫度過充保護(hù)

充電過程中，蓄電池組溫度＞35 ℃，則停止對(duì)該組蓄電池進(jìn)行充電。過溫保護(hù)后，若蓄電池組溫度＜25 ℃，則恢復(fù)對(duì)該組電池充電。

充電過程中，若蓄電池組溫度＜0 ℃，則停止對(duì)該組蓄電池進(jìn)行充電。欠溫保護(hù)后，若蓄電池組溫度＞2 ℃，則恢復(fù)對(duì)該組電池充電。

(c)電流過充保護(hù)

充電過程中，蓄電池組充電電流上限在不同蓄電池組溫度下對(duì)應(yīng)如圖3 所示，當(dāng)充電電流超過上限時(shí)，則發(fā)送指令降低充電電流，設(shè)置蓄電池組充電電流為該溫度下的缺省值。為便于蓄電池組在軌管理，設(shè)定不同溫度下的充電電流缺省值，如表1 所示。

圖3 不同溫度下蓄電池組充電電流限制曲線

表1 不同工作溫度下蓄電池組充電電流缺省值

(8)過放電保護(hù)策略

當(dāng)鋰離子蓄電池組在軌放電深度超過80%時(shí)，需要衛(wèi)星視情況關(guān)閉部分載荷，降低星上負(fù)載功率，以確保蓄電池組不會(huì)發(fā)生過放電。

2 鋰離子蓄電池在軌性能分析與壽命預(yù)計(jì)

2.1 鋰離子蓄電池組在軌充放電性能分析

鋰離子蓄電池在軌運(yùn)行階段電池電壓及充電電流變化如圖4 所示，可見蓄電池組長(zhǎng)光照季及地影季工作模式與預(yù)期一致，電池電壓變化趨勢(shì)與預(yù)期一致。在軌未發(fā)生鋰離子蓄電池過壓、過溫及欠溫保護(hù)。

圖4 鋰離子蓄電池組在軌工作電壓及充電電流變化曲線

圖4 中有兩點(diǎn)需要說明，注1 處蓄電池組地影季充電電流值低于上一個(gè)地影季。針對(duì)電源控制器充電調(diào)節(jié)模塊在軌可能出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致的充電電流跳變?yōu)槟J(rèn)值12 A的問題，由于該衛(wèi)星在軌充電電流遙測(cè)正常值范圍為0～14 A，因此一旦在軌出現(xiàn)該問題，地面很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)，有可能導(dǎo)致蓄電池組持續(xù)大電流充電而發(fā)生過充電。為使地面能夠快速識(shí)別該問題，考慮鋰離子蓄電池組在軌功率余量較大，放電深度較小，因此在經(jīng)過第一個(gè)地影季后將蓄電池組默認(rèn)的大電流充電電流值由13.5 A 調(diào)整為10 A，在軌正常值范圍調(diào)整為0～10.5 A，從而在滿足鋰離子蓄電池組在軌充電需求的同時(shí)，地面監(jiān)視系統(tǒng)可以快速識(shí)別單粒子翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致的充電電流異常問題，確保地面可以及時(shí)處置，通過地面發(fā)送遙控指令恢復(fù)至原正常狀態(tài)。針對(duì)上述問題，建議后續(xù)衛(wèi)星改進(jìn)軟件設(shè)計(jì)，管理策略增加蓄電池組在暫停模式和擱置模式下充電電流異常識(shí)別及處置功能，暫停模式和擱置模式下蓄電池組處于不工作狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到充電電流異常增大時(shí)，軟件可將充電電流置為0，以防止過充電。

注2 處蓄電池電壓未按照光照季工作模式電壓變化，是由于衛(wèi)星進(jìn)入月影，電池組放電，出影后蓄電池組充電至單體電壓4.05 V，即滿荷電態(tài)，因此蓄電池組電壓超出光照季電池電壓上限，蓄電池組工作正常。

以某地影日為例，蓄電池組電壓和充電電流變化如圖5所示，可見進(jìn)入地影后蓄電池組放電，電池電壓逐漸降低，出影后以0.1C(13.5 A)電流為兩組蓄電池輪流充電，當(dāng)某組蓄電池單體電壓達(dá)到4.05 V 后，對(duì)該組電池連續(xù)充電，每當(dāng)檢測(cè)到該組單體電壓達(dá)到4.05 V 時(shí)則以0.01C(1.35 A)步長(zhǎng)減小充電電流，直至充電電流降為0，而后對(duì)另一組電池連續(xù)大電流充電，重復(fù)恒流限壓充電過程，從而完成兩組蓄電池的充電，與設(shè)計(jì)狀態(tài)一致。

圖5 地影日蓄電池組電壓及充電電流變化曲線

月影日蓄電池組電壓及充電電流變化曲線如圖6 所示。圖中紅色框內(nèi)可以看出，衛(wèi)星出月影后對(duì)蓄電池組進(jìn)行大電流充電，充電電流增大后又迅速減小，而后維持該充電電流為兩組電池輪流充電。這是因?yàn)楣庹占拘铍姵亟M溫控閾值為0～4 ℃，電池溫度一般處于0～4 ℃范圍內(nèi)，進(jìn)入月影后蓄電池組溫控閾值切換為地影季閾值12～14 ℃，蓄電池組加熱器啟動(dòng)，但由于月影時(shí)間較短，衛(wèi)星出影時(shí)蓄電池組溫度未達(dá)到10 ℃，當(dāng)對(duì)電池組進(jìn)行10 A 充電時(shí)，發(fā)生電流過充保護(hù)，將蓄電池組充電電流設(shè)置為缺省值0.02C(2.7 A)。當(dāng)以2.7 A電流輪流充電至某組蓄電池單體電壓達(dá)到4.05 V 后，轉(zhuǎn)為對(duì)該組電池連續(xù)充電，即限壓減檔充電，但從藍(lán)色框內(nèi)可以看出充電電流并未從當(dāng)前值進(jìn)行減檔充電，而是突然增大，而后逐步減檔充電電流。從而導(dǎo)致電流突然增大時(shí)蓄電池組電壓出現(xiàn)短暫上沖，單體電壓均超過預(yù)設(shè)的上限值，不利于電池長(zhǎng)壽命使用。

圖6 月影日蓄電池組電壓及充電電流變化曲線

針對(duì)以上現(xiàn)象，提出兩條管理策略改進(jìn)建議：

(1)建議后續(xù)在軌階段，月影到來前，提前將蓄電池組溫控閾值切換為地影季閾值，即將蓄電池組加熱至12 ℃以上，確保進(jìn)影后不會(huì)發(fā)生電流過充保護(hù)，出影后也不會(huì)發(fā)生電壓上沖的現(xiàn)象。

(2)出影后電壓上沖是由于星上軟件預(yù)設(shè)的十檔充電電流為固定值，導(dǎo)致單體電壓達(dá)到4.05 V 后未從2.7 A 開始減檔，而是從預(yù)設(shè)的第一檔電流開始減檔。建議后續(xù)軟件設(shè)計(jì)改進(jìn)，進(jìn)行電流減檔的限壓充電時(shí)，從當(dāng)前充電電流值逐漸減小至0，避免電壓上沖。

2.2 鋰離子電池電壓離散性與在軌均衡情況分析

圖7 為鋰電池20 節(jié)單體電壓的變化曲線，對(duì)在軌階段單體電池電壓遙測(cè)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可得單體最大壓差只有8 mV，表明蓄電池組單體電池一致性較好，單體壓差始終低于地影季和光照季的均衡啟控閾值，因此從未啟動(dòng)均衡。

圖7 單體電池電壓變化曲線

通過查詢國(guó)產(chǎn)鋰電池和引進(jìn)鋰電池在軌單體電壓遙測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)電池組經(jīng)歷第一個(gè)長(zhǎng)光照季之前和之后單體電壓壓差，如表2 所示。國(guó)產(chǎn)鋰蓄電池的單體電池電壓差較小，且經(jīng)歷一個(gè)光照季后的單體電池離散性小于引進(jìn)鋰電池，表明國(guó)產(chǎn)鋰蓄電池的單體電池一致性優(yōu)于引進(jìn)電池。

表2 國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口電池單體電池電壓離散性分析 mV

通過對(duì)光照季前(出地影季后某固定時(shí)間點(diǎn))單體電池壓差及光照季后(進(jìn)地影季前某固定時(shí)間點(diǎn))單體電池壓差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表3，可以看出鋰離子蓄電池組每次光照季后較光照季前單體壓差增大不超過3 mV，在軌經(jīng)歷5 個(gè)光照季后，單體電池最大壓差為6 mV，且單體電池電壓離散性未見增大趨勢(shì)，單體電池一致性較好。

表3 鋰離子蓄電池離散性變化趨勢(shì)分析 mV

2.3 鋰離子電池溫度情況分析

鋰蓄電池組利用每個(gè)電池的套筒結(jié)構(gòu)傳遞熱量，電池所對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星側(cè)壁安裝位置粘貼OSR 片散熱。在電池組的安裝板上埋熱管，每個(gè)電池上都裝有主、備加熱片，在電池處于低溫時(shí)給蓄電池組加熱[5]。

在軌每組鋰電池均有多個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)以監(jiān)視電池組溫度變化，并要求同一電池組內(nèi)電池溫差不超過5 ℃，從而保證不同單體電池放電的均衡性。

鋰電池組在軌溫度變化曲線見圖8，電池組溫度特性如表4 所示，可見地影季和長(zhǎng)光照季期間蓄電池組溫度變化范圍均滿足使用要求，且不同溫度遙測(cè)點(diǎn)溫差小于5 ℃。

圖8 蓄電池組在軌溫度

表4 鋰離子蓄電池在軌工作溫度 ℃

圖9 為某春分點(diǎn)蓄電池組溫度變化曲線，加熱器接通時(shí)蓄電池組溫度上升，加熱器斷開時(shí)蓄電池組溫度下降，在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)表明鋰離子電池加熱器溫控措施有效，鋰電池工作溫度正常。

圖9 春分點(diǎn)蓄電池組溫度

2.4 鋰離子蓄電池在軌壽命預(yù)計(jì)

圖10 為鋰離子蓄電池組電壓的在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)曲線，通過對(duì)鋰離子電池電壓變化趨勢(shì)對(duì)鋰離子電池的壽命性能進(jìn)行預(yù)計(jì)。

圖10 鋰電池組在軌遙測(cè)電壓曲線

GEO 衛(wèi)星在軌每半年經(jīng)歷一個(gè)地影季，以地影季為橫坐標(biāo)，根據(jù)電池組在軌共5 個(gè)地影季的最低放電電壓遙測(cè)擬合出每個(gè)地影季最低放電電壓隨地影季的變化曲線，如圖11 所示。從圖中電池組電壓變化趨勢(shì)可以預(yù)計(jì)，在衛(wèi)星經(jīng)過30 個(gè)地影季后，電池組最低放電電壓為69.02 V，表明鋰離子蓄電池組可以滿足衛(wèi)星15 年以上的壽命要求。

圖11 鋰離子蓄電池組電壓變化趨勢(shì)

3 結(jié)論

本文根據(jù)鋰離子蓄電池特性，以高軌衛(wèi)星為例，給出了鋰離子蓄電池組的在軌管理策略。通過對(duì)鋰離子蓄電池組在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，鋰離子蓄電池組在軌管理策略合理有效，蓄電池組在軌充放電性能穩(wěn)定，溫控情況、均衡情況及單體電池離散性良好。并根據(jù)鋰離子蓄電池組電壓變化趨勢(shì)對(duì)電池組在軌壽命進(jìn)行了預(yù)計(jì)，結(jié)果表明，鋰離子蓄電池可以滿足衛(wèi)星在軌15 年以上的壽命要求。