導航衛星鎳鈷鋁酸鋰電池組在軌自主管理及特性分析

習成獻 孔陳杰 李銳

(中國科學院微小衛星創新研究院，上海 201203)

能源系統作為衛星的重要組成部分，承擔著整星的供配電任務，能源系統的安全可靠運行是衛星正常運行的重要保障，對提高衛星性能、增強衛星在軌運行壽命起著決定作用[1-2]。鋰離子蓄電池是能源系統的重要組成部分，為衛星的儲能電源，擔負著在衛星發射主動段、地影期間以及光照期太陽電池陣供電不足時為星上負載供電的任務。鎳鈷鋁酸鋰(NCA)體系鋰離子蓄電池為新一代高比能量鋰電，采用高容量石墨材料，儲存特性和循環壽命相比于第一代鈷酸鋰(LCO)體系鋰離子蓄電池更加優異，因此對NCA體系鋰離子蓄電池的在軌管理以及在軌特性進行分析就顯得尤為重要[3-7]。

本文針對中高軌道衛星所處空間電磁環境較復雜[8]，地影季持續時間長，并且不可測控弧段時間較長的特點，提出了NCA鋰離子蓄電池組在軌自主管理技術[9-10]，并在北斗導航衛星上進行了驗證，通過詳細的在軌數據特性分析，驗證了所設計系統的正確性和有效性，為NCA體系鋰離子蓄電池進一步改進設計以及后續其它型號鋰離子蓄電池的在軌自主運行提供經驗[11]。

1 NCA蓄電池組在軌自主管理設計

衛星采用兩組蓄電池組并聯供電，單體電池采用25 Ah的NCA鋰離子蓄電池，采用3并9串的結構形式，形成75 Ah鋰離子蓄電池組。蓄電池組設計主備兩路加熱回路，每個蓄電池組內設置3個溫度測量點，根據測量溫度對電池組實施主動控溫，以保證蓄電池組溫度滿足熱設計要求。

1.1 充電控制

蓄電池組的充電調節電路具備恒流/恒壓充電能力，充電電流以0.5 A為步長在0～8 A之間由指令進行16檔調節選擇，充電電壓以0.5 V為步長在30～38 V之間由指令進行16檔調節選擇，可同時滿足壽命初期、末期及蓄電池組單體失效模式下的不同充電需求。

1.2 均衡策略

均衡方式分為下位機軟件均衡、硬件均衡，軟件、硬件均衡均可實現在軌自主均衡，默認軟件自主均衡使能。采用定電壓差均衡方式，通過均衡算法找出最大最小單體電壓并標記，若兩者壓差大于60 mV，判讀其余單體電壓與最小電壓的壓差，當差值大于20 mV時，開啟對應單體電池的分流開關，若最大單體電壓與最小單體電池電壓的壓差小于10 mV則停止均衡，再次開啟均衡需重新開始循環判斷，從而實現自主均衡管理功能。

1.3 蓄電池進出影管理

依據軌道太陽角自主判斷衛星進出影時間，整星設置進出影標志，進出影標志決定蓄電池組在軌工作方式。蓄電池組進出影自主管理運行設置使能/禁止指令。

當進出影標志由“0”變為“1”時，衛星將在3天內進影，星務能源管理按照進影前模式對蓄電池組進行操作，以使蓄電池組在較高溫度工作并進行滿充和均衡管理設置，充電終止電壓為36.45 V(初期)，根據衛星運行時間可通過地面管理調整充電終止電壓延長蓄電池組的壽命。

當進出影標志由“1”變為“0”時，衛星出影。星務能源管理按照出影后模式對蓄電池組進行操作，蓄電池組進行擱置和電壓電流檔位設置，進入長光照擱置期管理。

1.4 長光照管理

衛星進入長光照期，蓄電池組一般無功率輸出，為保證蓄電池組壽命，蓄電池以近半荷電態的擱置狀態進行管理。在確保衛星功率需求前提下，結合衛星用電安全和壽命要求，初期時擱置荷電態為72.5%～80%，對應蓄電池組電壓范圍為34.2～35.1 V。衛星在長光照期蓄電池擱置狀態下，如果檢測到蓄電池組電壓低于34.2 V(單體電壓3.80 V)時，就需要對蓄電池進行補充電操作(充電電流1 A)，當蓄電池組電壓到35.1 V(單體電壓3.90 V)時停止充電。

1.5 熱控管理

為確保蓄電池組的在軌壽命和最佳工作性能，需對蓄電池組進行熱控管理，以保證蓄電池組溫度滿足熱設計要求。衛星進地影前3天，按照地影溫度閾值對蓄電池組進行加熱，6 h后蓄電池組溫度范圍控制在15～25 ℃內，以便蓄電池組地影期的充放電操作；衛星進入長光照擱置期的前3天，按照長光照擱置溫度閾值對蓄電池組進行設置，將蓄電池溫度控制在0～15 ℃內，以便蓄電池組進行擱置期管理。

1.6 蓄電池組自主安全管理

中高軌衛星地影時間較長，此外受地面測控站的地域限制，多數情況下地面站不可能對衛星全程實時跟蹤，如果能源系統在不可測弧段內發生故障，可能危及整星安全。因此，在衛星整個壽命周期內對蓄電池的自主健康狀態和自主運行能力進行提升，有助于提高衛星的可靠性和安全性。

電池過放電管理是電池管理的重要內容，主要分蓄電池組報警和單體電壓過放報警，由星務電源管理模塊判讀判斷，也可通過地面進行相關處理。地面可以向星載計算機注入電壓閥值，隨著壽命的進行，過放電報警閾值可進行調整，初期報警信號設置見表1。

表1 蓄電池過放電壓閥值Table 1 Batteries voltage threshold settings of over-discharge

蓄電池組電壓來自電源控制器(總線數據)Vbat1、星務計算機(直接測量)Vbat2以及單體電壓(均衡器總線數據)的加值Vbat3。如果連續3次檢測到蓄電池電壓Vbat1、Vbat2和Vbat3中有2個超閾值，則產生過放電報警信號，并依下述條件執行操作。

(1)Vbati(i=1 to 3)小于VBOD1時，發出“整組過放電1”報警信號。此時星務計算機依照一定的順序對載荷單機進行關機操作。

(2)Vbati(i=1 to 3)小于VBOD2時，發出“整組過放電2”報警信號。此時整星進入安全模式；蓄電池組按地影期進行設置，星務計算機按照安全模式關閉相關單機以降低負載電流。

(3)Vbati(i=1 to 3)小于VBOD3時，發出“整組過放電3”報警信號。此時由地面進行判斷發送指令斷開蓄電池組，但太陽電池陣可以對蓄電池組進行充電。

(4)任一蓄電池單體電壓(均衡器總線數據)連續3次小于VCOD1時，產生“單體過放電”報警信號，由地面作相關判斷。

2 NCA鋰離子蓄電池在軌特性分析

2.1 長光照充放電分析

北斗導航某顆MEO衛星在軌運行已滿2年，截取其中最近半年(存在光照期和地影期)的遙測數據進行分析。當衛星進入長光照期時，蓄電池組為擱置狀態，如果檢測到蓄電池組電壓低于34.2 V(單體電壓3.80 V)時，就需要對蓄電池進行補充電操作，充電方式為小電流1 A充電，當蓄電池組電壓到35.1 V(單體電壓3.90 V)時停止充電。蓄電池組電壓及充電電流遙測數據如圖1和圖2所示。

圖1 A/B蓄電池組長光照期電壓曲線Fig.1 Diagram of A/B battery voltage curve during photoperiodic seasons

圖2 A/B蓄電池組長光照期充電電流曲線Fig.2 Diagram of A/B battery charge current curve during photoperiodic seasons

由圖1和圖2可知，當蓄電池組電壓降至34.2 V時，對蓄電池組進行1 A的小電流充電；當電壓充至35.1 V時，蓄電池組停止充電。充電起始荷電態為72.5%，充電結束荷電態為80%，補充充電周期約為26.5天，蓄電池組充電情況符合長光照期充電管理設計，NCA體系電池荷電保持能力較LCO體系大幅提升。

2.2 長光照溫度分析

為保證蓄電池組長壽命高可靠性工作，蓄電池組光照擱置期的溫度范圍為0～+15 ℃，同一蓄電池組內各單體電池溫差小于3 ℃，不同蓄電池組間的溫差小于5 ℃。蓄電池組長光照期的溫度數據見圖3所示。

圖3 A/B蓄電池組長光照期溫度曲線Fig.3 Diagram of A/B battery temperature curve during photoperiodic seasons

由圖3可知，光照擱置期蓄電池組的溫度范圍為3～10 ℃，蓄電池組溫度一致性較好，同一組蓄電池單體最大偏差小于2 ℃，兩組之間小于3 ℃，蓄電池組長光照期的溫度管理符合全光照期儲存溫度管理設計。

2.3 地影期充放電分析

地影期蓄電池組的充電采用先恒流后恒壓的滿充充電控制方式。先以4 A的電流恒流充電，充電截止電壓36.45 V時轉恒壓充電，充電電流連續20幀小于0.25 A時，停止充電。蓄電池地影期的電壓、充放電和充電規律如圖4～圖8所示。

圖8 B蓄電池組單體電壓及單體最大壓差曲線Fig.8 Diagram of B battery single cell voltage and max voltage difference

圖4 A/B蓄電池組地影期電壓曲線Fig.4 Diagram of A/B battery voltage curve during eclipse seasons

從圖中可以看出，A/B兩組蓄電池組地影期放電過程中，最低放電電壓為33.52 V與33.21 V，最大放電深度約為33%。最低單體放電電壓約為3.72 V，各單體放電一致性良好，電池組內最大偏差均為14.65 mV。最大放電深度時恒流充電時間為5 h，恒壓充電時間為35 min。蓄電池組充電情況符合地影期充電管理設計。

圖5 A蓄電池組地影期充放電電流曲線Fig.5 Diagram of A battery charge and discharge current curve during eclipse seasons

圖6 B蓄電池組地影期充放電電流曲線Fig.6 Diagram of B battery charge and discharge current curve during eclipse seasons

2.4 地影期溫度分析

衛星進地影前3天，按照地影溫度閾值對蓄電池組進行加熱，6 h后蓄電池組溫度范圍控制在15～25 ℃內，以便蓄電池組地影期的充放電操作。衛星進入地影期蓄電池組的溫度變化情況見圖9所示。

圖9 A/B蓄電池組地影期溫度曲線Fig.9 Diagram of A/B battery Temperature curve during Eclipse Seasons

由圖9可知，蓄電池組地影期的工作溫度范圍為15.5～20.5 ℃，蓄電池組溫度一致性較好，同一組蓄電池單體最大偏差小于2 ℃，兩組之間小于2 ℃，控溫周期約20～30 min。蓄電池組地影期的溫度管理符合溫度管理設計。

2.5 均衡和自主故障

由圖7和圖8可知，衛星在軌運行2年，蓄電池組最大放電深度約為33%，遠遠低于85%的過放閾值，此外蓄電池組電壓表現出較高的一致性，單體電池電壓最大壓差小于15 mV，單體電池電壓一致性良好，滿足初期小于60 mV的要求，不存在均衡問題和在軌自主安全管理問題。

圖7 A蓄電池組單體電壓及單體最大壓差曲線Fig.7 Diagram of A battery single cell voltage and max voltage difference

3 結束語

蓄電池組的在軌穩定運行是能源系統正常運行的重要前提。鎳鈷酸鋰體系鋰離子蓄電池作為新一代高比能量鋰電池，儲存特性和循環壽命相比于第一代鈷酸鋰體系鋰離子蓄電池更加優異。本文針對中高軌道衛星所處空間電磁環境較復雜，地影季持續時間長，且不可測控弧段時間較長的特點，提出的NCA鋰離子蓄電池組在軌自主管理技術，成功地應用在北斗導航MEO衛星中，對衛星近半年的蓄電池在軌數據進行分析比較，可為后續大規模應用提供技術支持，也可為后續其它航天器鋰離子蓄電池的在軌自主運行提供參考。