MEO衛星氫鎳蓄電池組自主充電管理方法

曾毅 崔波 張曉峰

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

MEO 衛星是軌道高度介于數千千米至地球同步軌道之間的衛星。目前，世界上已發射的MEO衛星主要運 行 于20 000km 至25 000km 之 間 的 高度。由于其特有的軌道高度，MEO 衛星既同地球同步軌道衛星一樣有固定的地影季及長光照期，又同低軌衛星一樣有測控不可見弧段，因此MEO 衛星的蓄電池管理技術有其自身的特點。

本文針對MEO 衛星氫鎳蓄電池組應用的特點，提出了新的將數字化控制與傳統硬件電壓-溫度（V-T）［1-2］控制相結合的氫鎳蓄電池組在軌自主管理策略，包括充電管理技術、防欠充過充保護技術、長光照期涓流充電管理技術等內容，并給出了在我國MEO 衛星上在軌應用的效果。

2 氫鎳蓄電池在MEO 軌道使用的技術特點

空間應用的氫鎳蓄電池結合了燃料電池與鎘鎳蓄電池的優點［3］，其充電特性與衛星上廣泛應用的鎘鎳電池有所不同。特別是充電終止的電壓-溫度（V-T）特性不像鎘鎳電池那樣是線性的［4］，若仍然沿用鎘鎳電池常用的模擬電路硬件V-T 控制方式，則難以實現精準的充電終止控制；另一方面，氫鎳蓄電池的自放電率隨循環次數增加而增大，因此傳統的靠太陽電池陣限流的涓流充電方式在壽命初期有可能導致蓄電池組過充。但是，氫鎳蓄電池的單體壓力參數可以很好地反映蓄電池的荷電狀態，這是氫鎳蓄電池在軌充放電管理可以利用的一個重要特性，也是鎘鎳蓄電池所不具有的新特性。

運行于20 000km 至25 000km 高度的MEO 衛星，每年將經歷兩次地影季，其他時間則處于長光照期中，這一點與GEO 衛星類似。然而由于軌道高度較低，MEO 衛星最長地影時間在60min左右，略短于GEO 軌道的72min，而軌道周期幾乎僅有GEO 軌道的一半，使得可用于充電的時間較GEO大大縮短。另外，MEO 衛星有大量時間處于可測控范圍［5］之外，對星上自主管理提出了較高的要求。

以某MEO 衛星為例，其軌道高度約22 000km，軌道傾角55°，其軌道與衛星電源系統有關的主要特點有：

（1）每年兩個地影季，地影季時間由軌道升交點赤經決定；

（2）最長地影時間為60min左右；

（3）最大不可監測時間為18h左右。

電源系統設計方面，該衛星采用42V 母線，整星功率2 000W，采用兩組40Ah的氫鎳蓄電池組作為儲能裝置。電源控制裝置在地影季采用C／10［6］的充電電流對蓄電池進行充電，長光照期涓流電流由太陽電池陣的涓流陣限定為固定的C／200。

3 常用的蓄電池地影季充電管理技術

3.1 硬件V-T充電控制

與鎘鎳蓄電池類似，在一定的溫度范圍內，氫鎳蓄電池在同一荷電狀態下，電池電壓隨溫度升高呈單調遞減關系。根據這一特性，氫鎳蓄電池也可采用鎘鎳蓄電池常用的電壓-溫度補償（即V-T曲線控制）的方式進行充電終止控制。采集蓄電池的溫度和電壓，當溫度與電壓滿足一定條件時，即停止充電。

采用電路實現的V-T 控制方式即為硬件V-T充電終止技術。由于電路特性的限制，通常只能按照線性的電壓-溫度特性進行控制。為了適應蓄電池的不同狀態，一般在電源控制器內預置多條V-T曲線，覆蓋壽命初期、末期及存在一節單體失效等模式。硬件控制手段可作為軟件控制手段的備份和補充。以某MEO 衛星為例，該衛星預置了6條V-T曲線，在正常情況下都是用軟件作為主控手段，在軟件報故障或禁止的情況下，硬件V-T 仍能完成控制。6條曲線如圖1所示。

由于氫鎳蓄電池的V-T 特性并非線性，而硬件電路僅能實現有限的幾條線性V-T 曲線，因此硬件V-T 控制方法僅能完成基本的控制，對于溫度變化較大的情況則難以達到最佳的效果。

圖1 某MEO 衛星硬件V-T 曲線Fig.1 Hardware V-T curve of a MEO satellite

3.2 電子電量計控制

電子電量計的工作原理為［7-8］：在放電時通過對放電電流積分獲得累積放電電量Q放，在充電時通過對充電電流積分獲得累積充電電量Q充，當Q充與Q放滿足如下關系時即停止對蓄電池充電或將蓄電池轉為涓流充電模式

式中：K 為充放電比，為可調參數。在軌應用時，可針對蓄電池的充放電特性進行調整。該方法廣泛應用于高低軌各類衛星，通過調整充放電比的大小，可以對積分計算誤差進行一定的補償，也可以克服蓄電池性能衰降的影響。

充放電比的大小，根據電源系統特點不同設置往往有差別，例如，低軌衛星通常設置為1.05 至1.10左右，這是考慮到充電效率的影響。而以某MEO 衛星為例，由于即便在最長地影條件下，該軌道光照時間也是地影時間的10倍左右，因此該衛星將充放電比設置為0.95，在滿足充放電比條件后轉入涓流充電模式，通過涓流充電補足蓄電池容量。

這種控制方法依賴于星上計算機的軟件實現，同時，由于電流取樣誤差的存在和積分對誤差有累積效應，需要在地面和在軌飛行中，對電流取樣和充放比K 進行細致的標定。由于積分運算的存在，當累積誤差過大或者星上計算機出現復位等異常情況時，電子電量計控制可能會由于誤差過大或丟失積分數據而失效，甚至導致過充或者過放等嚴重問題。

4 MEO衛星應用的控制策略及在軌驗證

單一的電子電量計控制方法在電流檢測誤差過大，或者星上計算機異常情況下將無法完成正常的控制，甚至造成蓄電池組過充或者欠充，危及整星安全。本節提出在能源管理軟件中增加數字V-T 充電控制功能，并將電子電量計控制與數字V-T 控制緊密結合的方法，同時加入了必要的過充和欠充保護，以及長光照期的涓流管理功能。在數字控制手段之外，還采用硬件V-T 作為輔助手段，當數管軟件出現故障時，硬件V-T 控制電路仍可完成蓄電池的充電控制，從而形成了較為完善的MEO 衛星氫鎳蓄電池組在軌管理策略。

4.1 數字V-T控制方法

數字V-T 是通過數管軟件實現的電壓-溫度補償控制。軟件通過當前蓄電池溫度計算蓄電池充電終止電壓閾值，當蓄電池電壓遙測值達到充電終止閾值時，即停止蓄電池倍流充電，轉入涓流充電模式。

相比硬件V-T，數字V-T 具有可根據蓄電池狀態靈活配置的優點。在工廠電測、在軌運行、蓄電池單體失效等不同情況下可以選用不同的曲線。根據蓄電池在軌充電的實際情況，還可以隨時進行相應調整。同時，蓄電池的同一容量下電壓與溫度的對應關系并不是完全線性的，數字V-T 可以更精確地反映這一關系，達到最佳的控制效果。某MEO 衛星數字V-T 曲線如圖2所示。

由于數字V-T 方法僅與當前蓄電池電壓和溫度有關，即使計算機復位仍然能夠按照預設的參數進行控制。并且電壓和溫度的檢測在速度和精度方面對硬件的要求都比電流檢測大大降低，非常易于實現，甚至不需要專門地設置傳感器。數字V-T 技術的這些優點，正好克服了電子電量計控制的缺點，可以作為電子電量計控制功能的補充。其充電終止以蓄電池溫度和電壓作為標志，在充放電比控制功能異常中斷的情況下，可以自主切換到數字V-T 控制完成蓄電池充電。而如果在電子電量計控制結束的狀態下，通過蓄電池壓力判定欠充，也可以切換至數字V-T 充電，補充所缺的容量。

圖2 某MEO 衛星數字V-T 曲線Fig.2 Digital V-T curve of a MEO satellite

由于采用了電子電量計與數字V-T 結合的充電管理方式，MEO 衛星在不可測控軌道弧段的充電管理安全性大大提高，克服了電流遙測精度較低帶來的問題，確保了良好的控制效果。圖3～圖5為某MEO 衛星采用數字V-T 作為充電控制手段時的地影期壓力、溫度、電池組電壓變化曲線。雖然每天地影時間的不同造成電池組放電深度不同，MEO 衛星氫鎳蓄電池組每天均能充電到固定的閾值，電池溫度和電壓狀態穩定。

圖3 某MEO 衛星地影期蓄電池壓力變化曲線Fig.3 Pressure of the battery of a MEO satellite in eclipse period

4.2 蓄電池防欠充、防過充保護技術

由于MEO 軌道不可測控弧段較長，為了確保衛星供電安全，特別是地影季的供電安全，蓄電池管理必須要考慮電池組過充和過放的問題。

氫鎳蓄電池可以通過蓄電池壓力監測蓄電池的荷電狀態，通過在電子電量計和數字V-T 軟件中加入對蓄電池壓力的判斷，即可實現蓄電池的防欠充、防過充保護。

圖4 某MEO 衛星地影期蓄電池溫度變化曲線Fig.4 Temperature of the battery of a MEO satellite in eclipse period

圖5 某MEO 衛星地影期蓄電池組電壓變化曲線Fig.5 Voltage of the battery of a MEO satellite in eclipse period

某MEO 衛星充電軟件設計中，設置了專門的欠充保護壓力閾值。在蓄電池充電結束后，需對蓄電池壓力進行判斷，若蓄電池壓力不高于該閾值，則繼續對蓄電池進行充電，軟件轉入其他的充電終止模式。這樣就可以避免由于累積誤差或者誤指令等原因造成的蓄電池容量不足，確保衛星進入地影前有足夠的電量。

在防過充方面，采用硬件V-T 作為充電的備份手段，將硬件V-T 的充電終止閾值設置得較高，確保正常充電情況下不作用。當軟件發生故障時，硬件V-T 就可以在蓄電池容量達到其動作閾值時終止充電。同時，軟件還設置了最高蓄電池壓力保護閾值，當蓄電池壓力到達該閾值時，軟件也將停止對蓄電池充電。

這些控制策略均在某MEO 衛星上得到在軌應用，各種控制方法的模式切換如圖6所示，該衛星在軌飛行4年多，未出現蓄電池組過充或欠充現象。

圖6 控制模式的轉換Fig.6 Transition of the control mode

4.3 蓄電池長光照期涓流充電管理技術

氫鎳蓄電池自放電速率較大，在長光照期需對蓄電池進行涓流充電，保持蓄電池的荷電狀態。

某MEO 衛星采用了恒定涓流值的設計，由太陽電池陣上的充電限流陣限定涓流電流。由于太陽電池的短路電流隨壽命增長而降低，而氫鎳蓄電池的自放電速率隨循環次數增長而變大，為了確保壽命末期涓流能夠滿足蓄電池的要求，壽命初期涓流值則往往比蓄電池實際自放電電流大。通過間歇涓流充電的方式，維持蓄電池容量的平衡。

為了將蓄電池組在長光照期的荷電狀態保持在一個合理的范圍內，既不過充又能保持足夠能量以應對姿態失控等緊急情況，在某MEO 衛星上應用了通過星上軟件控制涓流充電的方法。軟件涓流管理也通過軟件自動實現，采用蓄電池組壓力作為管理判據，當蓄電池壓力由于自放電低于下限閾值時，則接通涓流充電開關。由于涓流電流大于自放電，蓄電池組壓力將緩慢升高，當壓力到達上限閾值時，軟件則自動斷開涓流充電開關。涓流電流和自放電電流都較小，通常一次控制周期在7～10 天左右。如圖7所示。

圖7 長光照期涓流控制策略Fig.7 Trickle charge strategy in solstice period

這種控制方式在某MEO衛星上得到了應用，并推廣到了后續的高軌道衛星，在長光照期取得了非常理想的控制效果。如圖8、9所示，蓄電池組的壓力、電壓測量遙測參數隨著涓流管理的控制而呈現周期性的上升和下降，但始終維持在一個預定的范圍內。

圖8 某MEO 衛星長光照期蓄電池組壓力變化曲線Fig.8 Pressure of the battery of an MEO satellite in solstice period

圖9 某MEO 衛星長光照期蓄電池組電壓變化曲線Fig.9 Voltage of the battery of an MEO satellite in solstice period

5 結論

MEO 衛星在軌運行時，具有較長時間的不可測控弧段，對星上蓄電池組充電管理的自主能力提出了較高要求。為了確保氫鎳蓄電池組在軌長壽命高可靠運行，某MEO 衛星應用了數字V-T、電子電量計兩種軟件管理方法與硬件V-T 電路相結合的充電控制方法，并通過軟件方式實現防過充和防欠充保護，確保了地影期氫鎳蓄電池組的高可靠自主充電管理。在長光照期，某MEO 衛星通過軟件監測蓄電池組壓力，根據壓力自主控制涓流充電，將氫鎳蓄電池組保持在滿荷電態，消除了涓流電流不可調帶來的過充隱患。

某MEO 衛星應用的上述氫鎳蓄電池自主充電管理方法，經過了4年實際的飛行驗證，取得的主要經驗有：①將氫鎳蓄電池壓力參數應用至蓄電池管理軟件能夠有效防止過充和欠充；②采用多樣的充電終止策略，明確不同策略間的優先級關系，能夠大大提升充電管理的可靠性；③對于MEO 衛星，必須采用有效的星上自主管理方式，提升衛星平臺的自主運行能力。

作為我國第一個MEO 航天器，某MEO 衛星在氫鎳蓄電池管理方面做出了積極的探索，可供后續的航天器電源系統設計參考。

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