中高軌衛(wèi)星鈷酸鋰電池在軌特性分析

何 盼，孔陳杰，陳天明，張 軍

(1.浙江大學(xué)航空航天學(xué)院，浙江杭州 310058；2.中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201304)

鋰離子蓄電池(以下簡稱鋰電池)是繼鎘鎳電池、氫鎳電池后的第三代空間儲能電源[1-2]。相比前兩代電池，鋰電池具有比能量高、無記憶效應(yīng)、熱效應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)，航天應(yīng)用日益廣泛[3-4]。自2000 年英國AEA 公司實(shí)現(xiàn)鋰電池首飛以來，目前已有超過200 顆在軌衛(wèi)星應(yīng)用鋰電池作為儲能電源。國外SAFT/GS 等公司積累了大量在軌數(shù)據(jù)作為鋰電池技術(shù)迭代的依據(jù)。我國鋰電池研究起步晚，尤其在中高軌衛(wèi)星，目前還沒有完成服役周期的產(chǎn)品。因此，開展中高軌衛(wèi)星鋰電池在軌特性研究對后續(xù)中高軌儲能電源的設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。

衛(wèi)星用鋰電池有多種材料體系，如鈷酸鋰(LiCoO2)、鎳鈷錳酸鋰(NMC)、鎳鈷鋁酸鋰(NCA)等。本文以鈷酸鋰蓄電池為研究對象，研究其單體電池一致性和長光照期擱置周期在軌特性，為地面鋰電池長壽命設(shè)計提供參考。單體電池一致性在軌特性為地面單體設(shè)計和生產(chǎn)的一致性控制技術(shù)提供參考，也為鋰電池在軌均衡管理策略設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐[5-8]。長光照期擱置周期在軌特性為鋰電池長光照儲存提供設(shè)計參考。中高軌衛(wèi)星有多個型號，本文選取2015 年發(fā)射的傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星和2018 年發(fā)射的中地球軌道(MEO)衛(wèi)星為研究對象，分析其鋰電池在軌特性。

1 鋰電池長壽命設(shè)計

鋰電池長壽命設(shè)計涵蓋廣泛，包括單體電池生產(chǎn)工藝、一致性控制技術(shù)、長光照期儲存技術(shù)、進(jìn)出影管理技術(shù)、均衡管理技術(shù)、過充和過放保護(hù)技術(shù)等。本文重點(diǎn)研究與單體一致性控制設(shè)計、長光照期儲存設(shè)計和均衡管理設(shè)計相關(guān)的在軌特性。

1.1 單體一致性控制設(shè)計

單體電池一致性控制既包含單體設(shè)計過程中嚴(yán)格的工藝要求，也包含對批量生產(chǎn)單體電池的性能篩選。如表1 所示，單體電池一致性主要的篩選指標(biāo)包括：電池自放電；電池內(nèi)阻；30 天擱置電壓降；密封性。

表1 單體電池一致性篩選指標(biāo)要求

1.2 長光照儲存設(shè)計

衛(wèi)星運(yùn)行在中高地球軌道，存在長光照期和地影期兩種工作模式。在長光照期運(yùn)行模式下，一般不需要蓄電池參與工作，蓄電池處于擱置狀態(tài)。根據(jù)鋰電池工作特性，長期擱置不需要涓流充電，電池組處于近似半荷電態(tài)有利于保障電池壽命。結(jié)合衛(wèi)星用電安全性考慮，可適當(dāng)提高電池擱置狀態(tài)下的荷電態(tài)。中高軌衛(wèi)星鋰電池擱置狀態(tài)單體電池電壓可保持在3.90～3.95 V。

在衛(wèi)星由地影期進(jìn)入長光照期后，由星務(wù)計算機(jī)通知電源控制器陰影狀態(tài)改變，電源控制器改變充電電壓檔位，降低充電截止電壓值至35.55 V，逐漸將電池組的荷電態(tài)降低。當(dāng)電池組電壓低于設(shè)定擱置下限電壓35.10 V 時，對電池組進(jìn)行充電，電池組電壓高于充電截止電壓時停止充電。

1.3 均衡管理設(shè)計

鋰電池組在長期充放電過程中，電池組內(nèi)不同單體電池性能會產(chǎn)生差異。這種差異會導(dǎo)致部分單體電池出現(xiàn)過充電、過放電和欠充電的風(fēng)險，從而損害電池性能，使容量迅速衰減。均衡管理設(shè)計是減小電池組內(nèi)單體電池離散型差異的一種技術(shù)。

中高軌衛(wèi)星鋰電池組在軌均衡普遍采用耗散型均衡，即對電池組內(nèi)電壓高的單體電池進(jìn)行分流放電，從而使同組單體電池荷電態(tài)趨于一致。根據(jù)啟控方式不同，可自主管理的均衡方式主要有定電壓和定電壓差兩種。定電壓差均衡熱耗小，本文所述衛(wèi)星均采用定電壓差均衡方式。當(dāng)電池組內(nèi)單體電池的離散性達(dá)到設(shè)定值后(單體之間最大壓差達(dá)到60 mV)，單體分流電流以約0.5 A 進(jìn)行均衡；當(dāng)電池組內(nèi)單體電池性能趨于一致后(單體之間最大壓差下降到20 mV)，停止均衡。

2 分析方法

為分析蓄電池組單體電池一致性，選取在軌時間五年以上的中高軌衛(wèi)星，長期監(jiān)測同組蓄電池單體電壓的離散性。為分析蓄電池組在軌擱置周期的影響因素，選取衛(wèi)星擱置溫度、衛(wèi)星軌道、擱置充電截止電壓三個因素進(jìn)行分析。

2.1 鈷酸鋰蓄電池組單體一致性分析

同組蓄電池在軌充放電過程中，蓄電池單體荷電態(tài)出現(xiàn)差異。單體電池在軌荷電態(tài)的變化通過蓄電池單體電壓遙測變化進(jìn)行表征。鈷酸鋰蓄電池開路電壓與荷電態(tài)的關(guān)系圖如圖1 所示。

圖1 單體開路電壓與荷電態(tài)關(guān)系圖

蓄電池組在軌狀態(tài)下，非充放電工況，仍存在小電流Isd放電通路，因此單體電壓遙測與開路電壓遙測不等價。但由于Isd遠(yuǎn)小于充放電工況下的充放電電流，可用非充放電工況下的單體電壓遙測對開路電壓進(jìn)行近似。從圖1 可以看出，單體荷電態(tài)與開路電壓并非線性關(guān)系，因此分析不同開路電壓下單體電池的電壓差不能反映荷電態(tài)差異。為控制變量，選取地影期每次放電前滿電狀態(tài)下，同組蓄電池單體電池電壓差作為跟蹤觀察對象，研究蓄電池組單體一致性。地影期同組蓄電池充放電單體電壓變化曲線如圖2 所示。

圖2 蓄電池地影期充放電單體電壓變化曲線

長期監(jiān)測蓄電池組地影期放電前蓄電池組單體電池最大電壓差ΔUd，對單體離散型變化趨勢進(jìn)行分析。

2.2 鈷酸鋰蓄電池組擱置周期特性分析

鋰電池組長光照期處于擱置狀態(tài)，電池電壓呈現(xiàn)周期性變化，如圖3 所示。

圖3 蓄電池組長光照期電壓變化曲線

合理設(shè)計鋰電池組在軌長光照期擱置周期是鋰電池長壽命設(shè)計的組成部分。掌握鋰電池組在軌長光照期擱置周期的變化規(guī)律，有利于優(yōu)化鋰電池組的在軌管理策略。為分析鈷酸鋰蓄電池組在軌擱置周期影響因素，對鋰電池組擱置溫度、衛(wèi)星軌道高度、不同材料體系分別進(jìn)行了分析。

3 在軌特性分析

3.1 單體一致性在軌特性分析

為分析鋰電池單體一致性特性，選取六顆中高軌衛(wèi)星作為研究對象，通過分析地影期滿電狀態(tài)下鋰電池組ΔUd，開展一致性特性研究。六顆衛(wèi)星中有五顆衛(wèi)星在軌4 年內(nèi)，ΔUd始終小于20 mV，表現(xiàn)出良好的單體一致性。有一顆衛(wèi)星ΔUd大于20 mV，但未達(dá)到60 mV 的均衡閾值，單體一致性呈現(xiàn)出微小的離散性趨勢。下面對這種離散性趨勢進(jìn)行研究。

3.1.1 初始表現(xiàn)

某中高軌衛(wèi)星設(shè)置A、B 兩組蓄電池組，A 組內(nèi)設(shè)置9 串單體，命名為A1～A9。發(fā)射后A1～A9電壓初始狀態(tài)如表2所示。

表2 蓄電池組在軌初期單體電壓數(shù)據(jù) V

從表2 中可以看出，各單體電池最大壓差ΔUd小于5 mV。在軌一年后，鋰電池組各單體電池電壓數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 蓄電池組在軌一年單體電壓數(shù)據(jù) V

從表3 中可以看出，各單體電池最大壓差ΔUd擴(kuò)大到12 mV，A2 單體電池電壓相對組內(nèi)其它單體電池電壓偏低。由此開始持續(xù)監(jiān)測該組蓄電池各單體電壓，對ΔUd的變化趨勢進(jìn)行分析。

3.1.2 趨勢分析

從2015 年4 月起，對該中高軌衛(wèi)星A 蓄電池組ΔUd進(jìn)行長期監(jiān)測。單體最大壓差均為A2 單體與其他單體電池的壓差，A2 單體電壓持續(xù)降低，數(shù)據(jù)結(jié)果如表4 所示。除去A2 單體，該組電池最大壓差隨在軌時間在3～12 mV 波動，無明顯變化趨勢。

表4 蓄電池組單體最大壓差數(shù)據(jù)

將蓄電池組單體最大壓差數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 蓄電池單體最大壓差曲線擬合

圖4 中空心散點(diǎn)為單體最大壓差隨時間變化的在軌數(shù)據(jù)，根據(jù)在軌6 年的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，經(jīng)過篩選，線性曲線擬合即可得到確定系數(shù)大于0.99 的擬合結(jié)果。

線性擬合公式為：

式中：a=7.571；b=3.857。線性擬合結(jié)果確定系數(shù)R2為0.995 9，均方根誤差RMSE為1.029 3。

在軌第7 年(2022 年)ΔUd為56 mV，如圖4 中空心散點(diǎn)所示。與式(1)外推預(yù)測值56.85 mV 相差-0.85 mV，誤差為-1.5%，預(yù)測精度良好。當(dāng)中高軌鈷酸鋰蓄電池組中某一單體呈現(xiàn)出一定的離散性，并在前兩年與本例中單體變化相似，可參考本例擬合公式對單體離散性變化進(jìn)行預(yù)測以及在軌處理。

根據(jù)式(1)推測該組蓄電池在約第8 年前單體最大壓差達(dá)到60 mV，可在第7 年開始通過地面發(fā)送均衡使能允許指令，實(shí)現(xiàn)蓄電池組達(dá)到均衡條件后的自動均衡管理。

參考圖2，一個放電周期內(nèi)，滿充狀態(tài)下A9 與A2 單體電池壓差約為34 mV，放電結(jié)束鋰電池組A9 與A2 單體電池壓差約為29 mV。結(jié)合圖1 電池電壓與荷電態(tài)的關(guān)系，滿充狀態(tài)下荷電量1%差異對應(yīng)單體電池差異約8.95 mV，60%～70%荷電態(tài)下荷電量1%差異對應(yīng)單體電池差異約7.39 mV。所以，一個放電周期內(nèi)滿充狀態(tài)下A9 與A2 單體電池荷電量差異約3.8%，放電結(jié)束A9 與A2 單體電池荷電量差異約3.9%。考慮荷電量區(qū)間線性估計帶來的誤差等因素，可近似認(rèn)為放電前后A9 與A2 單體容量差異未發(fā)生變化。結(jié)合式(1)，A2單體相較組內(nèi)其余單體由于自放電和采樣電路差異年荷電量損失1%左右。

3.2 蓄電池組擱置周期在軌特性分析

3.2.1 擱置溫度對蓄電池組擱置周期影響分析

選取由于衛(wèi)星工作模式差異對蓄電池組擱置期溫度有影響的一顆衛(wèi)星作為研究對象。溫控閾值未作調(diào)節(jié)，由于蓄電池組鄰近的單機(jī)處在不同工作模式，引起蓄電池組溫度變化。分別研究擱置期溫度為8.5 ℃(3 個月擱置期平均溫度)和11.8 ℃的蓄電池組電壓變化曲線，結(jié)果如圖5～6 所示。均溫8.5 ℃，擱置周期為14～15 天；均溫11.8 ℃，擱置周期依然為14～15 天。擱置溫度相差3.3 ℃，擱置周期未發(fā)現(xiàn)明顯差異。

圖5 蓄電池組擱置期電壓變化曲線(均溫8.5 ℃)

圖6 蓄電池組擱置期電壓變化曲線(均溫11.8 ℃)

3.2.2 在軌時間對蓄電池組擱置周期影響分析

IGSO 衛(wèi)星在軌7 年，電池擱置周期在11～13 天波動；在軌第1～2 年，擱置周期11～13 天波動；在軌第6～7 年，擱置周期仍保持在11～13 天波動。擱置周期與在軌時間未表現(xiàn)顯著的相關(guān)性，電池的漏電電流沒有顯著變化。參照圖1 的關(guān)系曲線，電池容量如顯著衰減，電池擱置周期會明顯縮短，從擱置周期的變化情況可以看出，電池容量也沒有明顯衰減。

3.2.3 鋰電池材料體系變化對蓄電池組擱置周期影響分析

選取同一軌道兩顆應(yīng)用鋰蓄電池的衛(wèi)星，A 星應(yīng)用鈷酸鋰材料體系鋰電池，B 星應(yīng)用鎳鈷酸鋁鋰體系鋰電池。A 星擱置期蓄電池組電壓變化曲線如圖5 所示。B 星擱置期蓄電池組電壓變化如圖7 所示。

圖7 NCA體系鋰離子蓄電池組擱置期電壓變化曲線

NCA 體系鋰離子蓄電池組擱置周期約30 天，擱置周期是鈷酸鋰體系鋰電池組周期的兩倍左右。擱置周期的差異主要是由于：鈷酸鋰蓄電池組擱置上下限荷電態(tài)與NCA 鋰電池組擱置上下限荷電態(tài)存在差異。鈷酸鋰蓄電池組擱置上下限電壓分別為35.55 和35.1 V，對應(yīng)荷電態(tài)約80%和73%，荷電態(tài)變化約7%；NCA 鋰電池組擱置上下限電壓分別為35.1和34.2 V，對應(yīng)荷電態(tài)約81%和67%，荷電態(tài)變化約14%。NCA 鋰電池組擱置荷電態(tài)差異是鈷酸鋰電池組差異的兩倍，與擱置周期長短成正比，與材料體系關(guān)系不大。兩顆衛(wèi)星電池采樣電路設(shè)計上保持一致，說明鈷酸鋰和NCA 體系鋰電池組自放電差異不大，或自放電因素占荷電態(tài)下降比例很小，主要為電路耗電。

4 結(jié)論

本文通過統(tǒng)計與分析蓄電池組在軌遙測數(shù)據(jù)，以中高軌衛(wèi)星為研究對象，對鈷酸鋰蓄電池在軌特性進(jìn)行了分析。對鈷酸鋰蓄電池組中單體電壓離散性進(jìn)行了估計。擱置溫度與軌道高度對鈷酸鋰蓄電池擱置周期的影響較小。同材料體系因設(shè)置的擱置荷電態(tài)上下限差異影響擱置周期長短。本文的分析結(jié)論適用于中高軌鈷酸鋰蓄電池組的特性分析，可為后續(xù)中高軌軌道衛(wèi)星鋰電池組設(shè)計提供參考。