高軌衛星鋰離子蓄電池組自主管理系統設計

崔波 陳世杰 李旭麗 朱立穎

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

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高軌衛星鋰離子蓄電池組自主管理系統設計

崔波 陳世杰 李旭麗 朱立穎

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

針對高軌衛星鋰離子蓄電池組在軌管理問題，文章在分析鋰離子蓄電池組特性及在軌使用需求的基礎上，提出了鋰離子蓄電池組自主管理系統的設計，并在某高軌衛星上進行了驗證。根據在軌數據，從工作模式轉換、充放電管理、均衡管理、擱置管理等方面對管理系統的驗證情況進行總結。提出的自主管理系統可為后續高軌衛星鋰離子蓄電池組自主管理系統的設計提供參考。

鋰離子蓄電池組；自主管理設計；在軌驗證

1 引言

鋰離子蓄電池作為新一代的空間儲能裝置，相比于傳統的鎘鎳蓄電池組和氫鎳蓄電池組，具有比能量高、自放電小、充放電效率高等優點[1]，在國外的高軌衛星上已經得到了廣泛應用[2]，僅以法國SAFT公司為例，截至目前，發射入軌的衛星安裝鋰離子蓄電池組已有350組，總瓦時數超過200萬。

鋰離子蓄電池組在充放電管理、長光照期擱置管理等方面，相對于以往蓄電池組存在很多的不同[3]，特別是在高軌航天器上的應用更是如此。國外在這方面已經累積了大量的工程經驗，相應的控制策略、計算分析模型等都已經相當成熟[4]。國內高軌衛星應用的鋰離子蓄電池組目前處于起步階段[5]，陸續有采用鋰離子蓄電池組的衛星發射，但蓄電池組在軌管理系統方面研究還較少，相應的在軌驗證數據也還比較缺乏。本文在充分考慮鋰離子蓄電池組特性及在軌使用要求的基礎上，提出高軌衛星鋰離子蓄電池組自主管理系統，介紹了該管理系統設計中重點考慮的因素及在設計中采取的應對措施，并結合實際的在軌數據對具體的驗證情況進行了說明。

2 高軌衛星鋰離子蓄電池組管理系統需求分析

在進行高軌衛星上的鋰離子蓄電池組管理系統設計時，要結合鋰離子蓄電池組的特點，充分考慮高軌相關的環境因素對電池的影響，在保障航天器穩定安全運行的同時盡量減小電池組的衰降。

2.1 地影時間及次數對蓄電池組的影響

高軌衛星由于其軌道特點，地影時間較長，但整個壽命期內的地影次數較少。以地球同步軌道(GEO)為例，每年在春分、秋分前后兩個地影季，總地影次數約為92次，最長地影約為72 min。按照在軌12年工作考慮，整個壽命期的總地影次數為1104次。與之相比，通常的低軌衛星的地影長度都在30 min左右，全壽命期的地影次數動輒上萬次。更少的充放電循環次數決定了蓄電池組可以采用更大放電深度的工作制度，通常設計時保證在壽命末期一節單體失效條件下放電深度不大于80%，即可保證蓄電池組在全壽命期內的供電能力滿足衛星需求。

同時，對于高軌衛星而言，在同一個運行周期內，充電時間十分充裕。以GEO為例，最長地影72 min，軌道周期約24 h，充電時間與放電時間的比值最小也有19倍左右。充裕的充電時間決定了高軌衛星可以采用更小的充電電流完成蓄電池組充電，這樣，一方面可以避免大電流充電導致的蓄電池組容量的損失，另一方面也可以降低充電對太陽電池陣功率的需求，同時減小充電調節器的規模。

在工作溫度方面，參考鋰離子蓄電池組的特點，在地影季宜采取20 ℃左右的溫度以保障蓄電池組獲得最佳的充放電性能。特別要避免低溫條件下的大電流充電，在低溫下充電時鋰離子難以嵌入負極而相對較易從負極中脫出，低溫充電中極化增大易導致金屬鋰在電極表面沉積，沉積的金屬鋰與電解液發生反應后的產物覆蓋在負極表面，致使固體電解質中間相膜(SEI)增厚，進而導致電池組性能衰降[3]。

2.2 長光照期擱置對蓄電池組的影響

除了每年兩次的地影季和偶爾出現的月影以外，高軌衛星通常都工作在太陽電池陣供電狀態。在長光照期，雖然蓄電池組不參與供電，但對于鋰離子蓄電池組來講，擱置同樣會導致電池組的容量衰降。對于高軌衛星的鋰離子蓄電池組，由于充放電循環使用導致的容量衰降與由于擱置導致的容量衰降處于相同的量級。

蓄電池組的擱置荷電態、擱置溫度都對其擱置期的衰降速度有顯著影響，在相對較低的環境溫度下，采用半荷電態進行擱置，蓄電池組的容量衰降速率可以得到顯著的改善。但對于實際的應用而言，在長光照期蓄電池組也承擔著衛星應急供電確保安全的功能，擱置的荷電態需要在蓄電池組的衰降和衛星的應急供電需求間尋求平衡。

此外，在擱置期蓄電池組實際并不是工作在完全的開路狀態，與其連接的充放電調節器、均衡管理器等設備，都可能導致蓄電池組的小電流持續放電。由于擱置時間很長，這些小電流放電，可能會對蓄電池組的擱置荷電態、單體荷電態的均衡度等產生影響。

3 高軌衛星鋰離子蓄電池組自主管理系統的設計

3.1 蓄電池組分模式管理

針對高軌衛星蓄電池組的工作特點，單一的管理模式無法同時滿足地影季蓄電池組充放電和長光照期蓄電池組擱置對管理條件的需求，分模式的管理成為了設計的首選。

針對地影季蓄電池組的充放電工作條件，設計對應的地影季模式：控制蓄電池組工作在更高的溫度(10～30 ℃)，以利于蓄電池組的充放電；在每次地影放電后將蓄電池組充電至滿荷電態，確保蓄電池組在地影期有足夠的能量保證衛星的正常工作。針對長光照期的擱置需求，設計對應的長光照期模式：將蓄電池組工作溫度控制在較低范圍(0～10 ℃)，同時將荷電狀態保持在半荷電態，確保電池組的擱置衰降在可接受范圍內。

兩種模式間需要在星上自主完成切換，切換控制方面采用蓄電池組的放電電流作為控制信號。在地影季模式下，若連續24 h沒有監測到蓄電池組放電，則認為衛星進入了長光照期，控制模式切換為長光照期模式，按照長光照管理模式完成相關管理項配置；在長光照期模式下，若連續6 min監測到蓄電池組放電，則認為衛星進入了地影季，控制模式切換為地影季模式，按照地影季管理模式完成相關管理項配置。模式切換的流程如圖1所示。

采用放電電流作為模式切換信號的設計，其原理簡單可靠，同時在衛星出現故障導致蓄電池組放電時，能源管理系統也能自動切換到地影季模式，將蓄電池組調整到正常使用時的工作狀態。但采用放電電流也有其相應的缺點，主要是模式切換有一定的遲滯，即在第一個地影到來后才會完成切換。

3.2 充電調節器的設計

相比鎘鎳蓄電池組、氫鎳蓄電池組的多階段充電制度不同，鋰離子蓄電池組通常都需要采用恒流-恒壓充電模式[6]。即在蓄電池組容量較少時，采用恒流充電的模式；當蓄電池組電壓達到恒壓點后，改為控制蓄電池組端口電壓，充電電流按指數趨勢逐漸下降直至將蓄電池組充滿[7]。

為同時滿足壽命初期、末期及蓄電池組由單體失效模式下的不同充電需求，設計了一種16個恒流電流檔位、16個恒壓電壓檔位的充電調節器。電壓電流檔位依靠電源控制器的下位機進行切換，同時為了考慮下位機的可靠性可能對充電功能的影響，設計了一個硬件電流檔和一個硬件電壓檔，在下位機失效的情況下可以使用硬件檔完成充電工作。

為保證恒流-恒壓充電控制電路的可靠性，該電路在設備內部采用了“三取二表決”的設計方式，任何一路失效都不會對蓄電池組的充電造成影響。相比于采用星務軟件實現的恒流-恒壓充電方式，本文介紹的設計方案即便在上位機、下位機工作失效的情況下，仍然可以保證蓄電池組的正常充放電，具有更好的可靠性和故障適應能力。

3.3 自主均衡管理系統的設計及應用

雖然電池組在進行組裝時，都會進行篩選以盡量保持單體間性能的一致性。但隨著鋰離子蓄電池組的在軌長期使用，單體間仍然會由于自身性能或使用環境的差異，逐漸地產生性能離散[8]。同時，為了對蓄電池組各單體的狀態進行監測，還需要引入電壓測量電路，而它的引入則會加速這一離散過程。這種離散如果惡化到一定程度，則可能會導致性能較差的單體在電池組充放電過程中發生過充或者過放，直至相應的單體容量迅速衰降乃至損壞。為了確保電池組能夠滿足整個壽命期內的性能要求，通常高軌衛星的蓄電池組都需要配置相應的均衡管理系統完成電池組的均衡操作。

均衡管理從其操作的時機來講，可以分為充電均衡、放電均衡、擱置期均衡；按均衡的原理也可以分為能量傳遞、能量耗散等方式[9]。就均衡時機而言，對于高軌衛星，在擱置期蓄電池組長期處于不充電不放電的狀態，此時進行均衡操作不僅時間充裕，電壓測量電路也不受充放電的影響，因此可以作為優選的方案；按均衡的原理，耗散型的均衡電路簡單可靠，同時高軌衛星對均衡操作的時間限制并不嚴格，因此耗散電流也可以設計得較小，相應的設備質量、熱耗等也都可以有效得到控制。

以某高軌衛星為例，其采用了通斷單體對應的分流電阻的耗散型均衡方案，并將均衡時機選擇在蓄電池組的擱置期。其基本策略為：選取電池組內電壓最低的單體電池，將其他單體的電壓依次與該單體電壓相比，若電壓差大于均衡開關接通閾值(設置為0.06 V，可調整)，則接通均衡開關直至電壓差小于均衡開關斷開閾值(設置為0.01 V，可調整)。在實際的操作中，考慮到均衡設備發熱的問題，設計了同時可接通開關的上限，當均衡開關接通數量達到上限時，還尚未進行均衡的單體保留在等待隊列中，待前序單體的操作完成后再進入均衡狀態。

由于該方案采用蓄電池組單體電壓的遙測值來進行均衡操作，避免由于遙測電路故障導致的誤操作就尤為重要。主要采取的措施包括：①對單體電壓遙測的合理性進行自動判斷，如果某個單體電壓遙測值明顯偏低于擱置狀態電壓值，則在進行均衡時剔除該單體；②均衡管理器設計單體組合電壓的遙測(例如，在測量單體1、2、3電壓的同時，還測量了單體1～3的組合電壓)，通過各單體電壓遙測值之和與對應組合電壓遙測值的差值判斷均衡管理器的健康狀態，若測量差值超過閾值，則不進行均衡管理操作。

3.4 長光照期的蓄電池組擱置管理

擱置期的衰降對高軌衛星的鋰離子蓄電池組的影響非常顯著[10]，表1為在不同擱置溫度及不同荷電態(SOC)下，根據某型空間應用鋰離子蓄電池單體的地面擱置試驗的結果推至12年，電池組容量相比擱置前的變化。

表1 不同荷電態不同溫度擱置12年容量衰降Table 1 Capacity loss after 12 years storage at different SOC and temperature

從數據可以看出，與半荷電態擱置相比，高荷電態下和放電態下擱置，蓄電池組的容量衰減更大；與10℃擱置相比，20℃條件下擱置的容量衰降也明顯更大。相對設計規范規定的電池組額定容量10%的設計裕度而言，擱置衰降的影響在電池組的使用中占了很大的比例。

擱置容量的選取，除了考慮蓄電池組的衰降以外，還須考慮衛星在出現故障時的應急處理的時間。如果在軌出現太陽電池陣無法供電的故障(例如衛星姿態失控，太陽電池陣無法對太陽定向)，將轉入蓄電池組供電的工作模式，若擱置容量過低則可能由于沒有足夠的應急處理時間導致衛星掉電。

在進入長光照期模式時，需要將電池組調整至擱置荷電態。具體的操作策略通常有兩種：第一種為在最后幾個地影調整充電終壓，出地影后直接將蓄電池組僅充電至目標荷電態；第二種為正常完成電池組充電，在確認進入長光照期后通過放電設備完成電池組荷電態調整。第一種方法直接調整電池到目標荷電態，但其實現須要對地影結束時間進行預測，對月影等偶發事件導致的模式切換適應性也不強；第二種方法的缺點是須要對電池進行放電，操作時間較長且對電池組單體測量的精度依賴程度較大。

在某高軌衛星上，實際采用了第二種方案。在進入長光照期后，通過均衡管理器的單體電能耗散功能，將已經充滿電的蓄電池組荷電態調整至80%。該操作對電池組所有單體進行放電，直至其單體電壓變為3.95 V。這一操作除了實現了半荷電態擱置功能，實際上還對蓄電池組完成了一次均衡調整，這對于電池組的運行也有一定好處。

4 在軌驗證情況

4.1 地影模式與長光照模式間的切換

在某高軌衛星實際的在軌運行中，選取了15 ℃作為地影季的控溫中心點，選取了5 ℃作為長光照期的控溫中心點。雖然選擇20 ℃可能對于蓄電池組的工作性能更為有利，但是在進行蓄電池組熱控設計還需要兼顧高低溫差帶來的控溫措施的代價。過高的溫度差，意味著在長光照期需要更大的散熱面積和地影季更高的控溫加熱功耗，因此實際的選擇中需要在兩者之間尋求平衡。

圖2為該高軌衛星在進入地影季時，第一個地影前后的放電、充電及蓄電池組溫度變化情況。從圖2中可以看到，蓄電池組放電后衛星迅速轉入地影季模式，蓄電池組溫度迅速上升，出影后衛星按照地影季的充電倍率(4 A左右，電池組容量為75 Ah)完成蓄電池組充電。

4.2 充電調節器

充電檔位選擇，根據軌道充電時間充裕的特點，某高軌衛星選取了4 A的恒流電流檔位；充電電壓檔位選取，選取了對應單體4.05 V(電池組89.1 V)的檔位，其一個放電-充電周期的典型情況如圖3所示。

從圖3中可以看到，在地影期內隨著蓄電池組放電，蓄電池組的電壓逐漸下降。在衛星出影后，蓄電池組開始恒流充電(4 A左右)，充電電壓逐漸上升至恒壓點后，蓄電池組電壓轉為恒定，充電電流呈指數下降，電池組電壓將持續保持恒定狀態，直至蓄電池組下次進入地影。

4.3 自主均衡管理系統

進行均衡操作的時機，由于進入擱置期時進行半荷電態處理時已經實際完成了一次均衡，因此可選取每次進入地影前的半個月左右，視電池組的電壓離散程度決定是否開展均衡管理。

目前，某高軌衛星已在軌運行近1年的時間，圖4為衛星某一組蓄電池組在一個長光照周期內的單體最高電壓與最低電壓差值間的變化，從圖4中可以看到整個擱置期電池組的離散度有所上升(圖中的電壓差存在周期性變化，這是由于同樣容量差異在不同的電壓段表現出的電壓差不同所致)，最大電壓差最終達到0.018 V左右，距離確定的啟動自主均衡管理的0.06 V的電壓差閾值還有較大距離。因此，目前某衛星在軌還未就自主均衡功能進行過驗證，但根據地面測試結果，采用在長光照期通過通斷單體對應的分流電阻的耗散型均衡方案，在高軌衛星上是可行的。

4.4 長光照期的蓄電池組擱置情況

在某高軌衛星的應用中，選擇的擱置策略為在進入長光照期模式之后，一方面將控制電池組的荷電狀態至80%以下，同時充電調節器的恒壓檔位調至最低，停止對蓄電池組的補充充電； 另一方面將蓄電池組的控溫閾值調低至5 ℃左右。

在擱置期內，當蓄電池組的容量下降至60%左右時，即調高充電檔位對蓄電池組補充充電至其容量恢復至80%左右。由于容量在長光照期不易實現檢測，實際的控制采用單體的平均電壓作為信號源，采用了3.80 V的閾值對應至容量60%，3.95 V的閾值對應容量80%。實際在軌的單體典型電壓變化情況如圖5所示。

從圖5可以看出，補充充電的頻率約維持在40天左右，在約135天的長光照期內僅需要進行3次補充充電。更少的充電次數，也減少了在較低溫度下補充充電對電池性能造成的影響。在進行與蓄電池組相連的設備接口設計時，應在保證相關功能性能的前提下，盡量減小其導致的蓄電池組功耗，避免造成電池組在擱置期過于頻繁的補充充電，導致蓄電池組的額外損耗。

5 結束語

本文針對鋰離子蓄電池組在高軌衛星上應用的特點，完成了其管理系統的設計，有效解決了鋰離子蓄電池組充放電管理、長光照期擱置管理等問題。相關設計在某高軌衛星上得到了成功應用，蓄電池組在軌運行穩定。本文可供后續采用鋰離子蓄電池組作為儲能裝置的高軌衛星研制時參考。

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(編輯：李多)

Self-management System Design for Lithium-ion Battery in High Orbit Satellite

CUI Bo CHEN Shijie LI Xuli ZHU Liying

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

The paper investigates the problems of management of lithium-ion batteries in China. Furthermore, the characteristics of lithium-ion battery and on-orbit requirements are analyzed. The self-management system of lithium-ion battery is designed and the verification is given on a high-orbit satellite. According to the in-orbit data, the verification of the management system is obtained, and the concluded situation are based on the work mode conversion, charge and discharge management, balanced management and shelving management. The self-management system proposed in the paper can provide the reference for the design of the self-management system of the lithium-ion battery of the high-orbit satellite.

lithium-ion batteries;self-management design;flight validation

2016-12-28；

2017-01-09

國家自然科學基金(51407008)

崔波，男，碩士，高級工程師，從事航天器供配電系統設計工作。Email：triton12@gmail.com。

423.44

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.010