衛星用鋰離子蓄電池性能分析與在軌管理方法

羅廣求，段艷麗，羅 萍

（中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384）

鋰離子電池具有比能量大、充放電效率高、壽命長等特點，非常適合作為衛星的儲能電源。國際上，鋰離子電池作為衛星電源的應用研究，基本保持著與商品市場技術同步的狀態[1]。作為第三代衛星儲能電源，鋰離子電池的在軌管理方法還不完善[2-3]，需要根據鋰離子電池的特性進行專門設計，以保證電池在軌穩定工作，達到使用的壽命要求。本文通過對典型20 Ah 衛星鋰離子電池的性能測試，總結了鋰離子電池在衛星上應用的管理方法，為鋰離子電池的在軌管理提供了技術支持。

1 實驗

實驗電池為典型空間鋰離子電池，主材料體系為LiCo-O2/MCMB，電池額定容量為20 Ah。

1.1 電池循環容量實驗

實驗1：電池在不同充電電壓下的容量測試。

采用Arbin 充放電設備，以0.1C分別充電至3.9、3.95、4.0、4.05、4.10、4.15 V 和4.2 V，再恒壓充電至電流小于0.01C，然后電池以0.7C放電至2.75 V，計算不同充電電壓下的放電容量。

實驗2：不同充電電壓下的循環性能測試

采用Arbin 充放電設備，電池以0.1C分別充電至4.0、4.1、4.2 V 和4.3 V，恒壓充電至電流小于0.01C，然后電池以0.7 C 放電至2.75 V，循環進行。

實驗3：充電截至電壓（VEOC）與循環容量關系測試

20 Ah 電池以0.1C分別充電至4.0 V、再恒壓充電至電流小于0.01C，然后以0.7C放電72 min（典型在軌工況），當電池循環容量小于20 Ah，提高充電電壓至4.05 V，繼續循環測試，當循環容量再次小于20 Ah 時，再提高充電電壓至4.1 V，如此循環，電池充電電壓提高至4.15 V，且循環容量小于20 Ah 時，停止實驗。

1.2 電池存儲實驗

電池進行貯存容量實驗，實驗因素包含：存儲溫度和電池荷電態。實驗采取5 個20 Ah 單體電池一組取平均值的方法進行統計，測試周期間隔為3 個月。

實驗樣本表格如表1所示。

表1 電池存儲實驗表格 電池/個

1.3 溫度循環實驗

在－30～60 ℃范圍內，每隔10 ℃進行一次電池容量測試，測試方法為：0.1C充電至4.1 V，恒壓4.1 V 充電至電流小于0.01C，然后以0.7C放電至2.75 V，完成10 個溫度點的容量測試。

電池分別在常溫和－10 ℃條件下，以0.1C充電至4.1 V，再恒壓4.1 V 充電至電流小于0.01C，然后以0.7C放電至2.75 V，循環測試。

2 結果和討論

2.1 充電截止電壓(VEOC)對電池容量和循環性能的影響

不同充電截止電壓下，20 Ah 鋰離子電池的容量如圖1所示，從圖1中可以看出，額定容量相同的同型號電池，充電截止電壓從3.9 V 提高到4.2 V 過程中，電池容量隨充電電壓的提高明顯增長，滿足近似線性規律。

不同的充電截止電壓條件下，鋰離子電池的循環容量保持率如圖2所示。從圖2中可以看出，壽命初期，充電截止電壓高則電池容量高，同時容量的衰降速度也快；充電截止電壓低，電池的初期截止電壓低，電池容量衰降速度慢。1 000 次壽命循環后，高VEOC電池的循環容量小于低VEOC電池。由分析可知，鋰離子電池VEOC越低則容量衰降越慢，有利于延長電池的循環壽命。

電池在不同充電截止電壓下的循環容量測試結果如圖3所示。從圖3中可以看出，電池從較低的VEOC（4.0 V）開始進行容量循環測試，當容量降低至衛星需求下限（20 Ah）時，將VEOC從4.0 V 提高至4.05 V，使得電池的循環容量相應增加約5%，繼續循環測試，在電池的安全使用范圍內(最高不超過4.2 V)，通過逐步提高VEOC的方式，電池的循環次數可滿足衛星在軌18年（36 個陰影季）以上的壽命要求，顯著延長衛星工作壽命，這可以作為電池在軌長壽命管理的重要方法。

圖3 充電截止電壓調節方法

2.2 鋰離子電池貯存容量衰降性能分析

不同荷電狀態下電池的貯存衰降實驗結果如圖4所示，數據表明鋰離子電池的容量衰降主要發生在貯存初期，特別是存儲周期的最初6 個月，存儲半年以后，電池容量衰降率大幅度減少。從對比測試可知，電池的荷電狀態對性能有重要影響，電池荷電態過低（如低于30%SOC）或過高（高于80%SOC），電池容量的衰降速率都顯著高于中等荷電態貯存（30%SOC～50%SOC）。

圖4 電池容量隨儲存時間的變化關系

電池在不同溫度下的貯存衰降速度比較如圖5所示，從圖5中可以看出，前6 個月電池的容量衰降速度最快，這一點與不同SOC條件下的貯存結果一致；另一方面，電池在10 ℃以下貯存時，其容量衰降速度差別不大，特別在－10～10 ℃范圍內，電池容量衰降最少，當貯存溫度達到20 ℃時，電池容量的衰降速度顯著加快。

GEO 衛星具有如下軌道特點[4]：每年有兩個約135 天的長光照期，在此期間蓄電池基本無功率輸出要求，處于貯存狀態。根據衛星軌道的特點，結合鋰離子電池的特性，電池組在不工作時以近似半荷電態（30%～50%SOC）存儲在－10～10 ℃溫度下（這也是衛星溫控較易實現管理的范圍），有利于保持電池循環容量，延長使用壽命，非特殊情況（如衛星姿態機動或變軌），不應將電池組長期存放于滿荷電態、空荷電態和相對高溫（≥20 ℃）條件下。

2.3 電池溫度特性與在軌溫控措施

電池的循環容量與環境溫度的關系如圖6所示。從圖6中可以看出，環境溫度過高，如超過40 ℃，電池的可逆容量隨著溫度升高而輕微降低；使用環境溫度過低(如低于10 ℃)，電池的可逆容量隨著溫度的降低而顯著減小。

電池在低溫－10 ℃和常溫（20±5）℃下進行0.7C放電100%DOD循環測試，電池的可逆容量和容量衰減速度都有著顯著的區別，如圖7所示，數據表明電池在低溫（－10 ℃）循環容量的衰降速率是常溫條件下的3 倍以上，如果電池工作的溫度環境持續較低，則會顯著縮短電池的工作壽命。

從鋰離子電池容量與溫度的關系特性可以看出，作為空間儲能電池，在軌使用時必須采取主動溫控措施，保持鋰離子電池的工作溫度在10～30 ℃范圍內，由于鋰離子電池在小倍率充電時是一個吸熱過程，因此充電時電池溫度要保持不低于10 ℃。當電池采樣溫度低于10 ℃時，開啟加熱帶加熱，當電池溫度高于20 ℃時，停止加熱。

3 總結

通過對典型20 Ah 衛星用鋰離子的性能測試與分析，結合衛星應用的特點和要求，可以得出如下結論：（1）通過逐步提高充電截止電壓的方法，可以顯著延長鋰離子電池的循環壽命；（2）鋰離子電池在長光照期擱置期間，以近似半荷電態保持在－10～10 ℃條件下，容量衰降最小，可延長蓄電池的日歷壽命；（3）低溫（10 ℃以下）不利于鋰離子電池可逆容量的保持，衛星用鋰離子電池需要采取主動溫控措施，保證電池在10 ℃以上的環境下工作，這是保證和延長電池工作壽命的關鍵因素之一。

[1]MAUESCO P，DIRAISON J.Eurostar E3000 Li-ion batteries in orbit experience[C]// 23rd AIAA International Communications Satellite Systems Conference.Rome：23rd AIAA，2005.

[2]CARTER B，MATSUMOTO J，PRATER A，et al.Lithium ion battery performance and charge control[J].Acta Astronautica，2004，54：559-563.

[3]INOUE T, IMAMURA N, YOSHIDA H，et al.Up-dated life estimation model of GS yuasa’s large lithium ion cells[J].NASA Aerospace Battery Workshop AL，2006，11：14-16.

[4]WANG X M，SONE Y，NAITO H，et al.Cycle-life testing of 100 Ah class lithium-ion battery in a simulated geosynchronous-Earth-orbit satellite operation[J].Journal of Power Sources，2006 160：602-608.