基于新一代電源控制器的鋰電池在軌管理分析

張文爽，李 鍵，余文濤，王利然

(中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部，北京 100094)

電源系統負責航天器在軌運行的能源供給，當前主要采用“太陽電池陣+蓄電池”的系統架構，由太陽電池陣提供一次能源，蓄電池組作為儲能裝置，二者通過電源控制器調節功率以產生穩定的母線：當太陽電池陣能夠提供充足的功率，電源控制器可以控制對蓄電池組充電；當太陽電池陣輸出功率不足或地影期輸出為零時，電源控制器可以控制蓄電池組對母線放電[1-3]。

鋰離子蓄電池組具有質量輕、體積小、單體工作電壓高、能量密度高、自放電電流小、循環使用壽命長、無記憶效應、相對無污染和性價比高等優點，已在航天器電源系統設計中得到普遍應用[3-4]。為了滿足衛星在軌正常工作15 年以上的壽命指標，需要對鋰離子蓄電池組進行有效的管理。例如，過高或過低的空間環境溫度會嚴重削弱鋰離子蓄電池組工作性能；過充電也會降低鋰離子蓄電池組的工作壽命。采用健康合理的充電方式，不僅可以實現鋰離子蓄電池組的可靠充電，也有助于延長其工作壽命。

GEO 衛星運行在地球同步軌道，每年在至點和分點附近存在兩個地影期、兩個全光照期。每個地影期持續90～92天，每天會有一次地影，需要蓄電池組為衛星供電；在長達9個月的全光照期內，蓄電池組則處于擱置狀態。本文針對GEO 衛星運行的特點，對鋰離子蓄電池組的在軌管理策略進行了分析，重點介紹了新型電源控制器的充電控制方式，依靠新型能源管理軟件實施對鋰離子蓄電池組全壽命周期的自主管理策略。在軌遙測數據表明，新型的在軌管理方式保證了最大程度依照鋰離子蓄電池組的特性進行自主恒流恒壓充電，實現了全壽命周期的蓄電池自主管理，在軌應用狀態良好。

1 鋰離子蓄電池組應用特性

由于化學特性不同，鋰離子蓄電池與氫鎳電池的在軌管理方式存在較大差異，在中高軌道衛星平臺應用時有以下特點：(1)鋰離子蓄電池采用TAPER 型(先恒流后恒壓)充電方式；(2)鋰離子蓄電池在光照期通常不需要進行涓流充電；(3)鋰離子蓄電池嚴禁過充過放，通常需要對單體進行均衡處理，來消除各單體之間的一致性差異。

1.1 地影期

GEO 衛星運行在地影期時，每天有一次地影，最長地影時間為1.16 h。在地影區，衛星負載由鋰離子蓄電池組供電，其余時間由太陽電池陣供電并為蓄電池組充電。大功率長壽命衛星一般采用兩組鋰離子蓄電池組，其地影期充放電邏輯關系如圖1 所示。

圖1 充放電邏輯關系

兩組鋰離子蓄電池組充電，可以采用兩組交替充電或兩組同時充電的方案，具體的充電控制方式也有所區別。我國GEO 衛星鋰離子蓄電池組充電控制一般采用“恒流+恒壓”的兩階段充電方式，而國外某衛星型號鋰離子蓄電池組(X1)也采用了該方式，但略有不同的是在恒流充電階段采用階梯充電控制方式，如圖2 所示。

圖2 X1鋰離子蓄電池組地影期階梯充電控制原理

1.2 光照期

除地影期和少量的月影外，GEO 衛星鋰離子蓄電池組在每年長達9 個月的全光照期內一般處于擱置狀態。鋰離子蓄電池在長時間擱置期，其性能會發生一定程度的衰降。研究結果表明，鋰離子蓄電池組在高溫、高荷電狀態下長時間擱置，電池性能會發生明顯衰降；在低溫、低荷電狀態下擱置，電池性能衰降則會明顯減少。因此，采取合理的在軌管理策略可以有效地減緩鋰離子蓄電池組性能的衰降速率[5]。

2 GEO 衛星鋰離子蓄電池組的在軌管理策略

2.1 在軌管理方式

新一代衛星平臺中，鋰離子蓄電池組可自主完成在軌管理，包括充放電控制、均衡管理、溫度控制、過充過放保護和故障隔離。

在光照區，當鋰離子蓄電池組未達到充電終壓時，由太陽電池陣為鋰離子蓄電池組充電。光照期，衛星依靠能源管理軟件和電源控制器對鋰離子蓄電池組在軌狀態進行管理，鋰離子蓄電池組可滿足全光照期荷電狀態保持在70%～90%的擱置要求。

進入地影季前，衛星能源管理軟件自主完成充電終壓和控溫閾值的切換，當GEO 衛星運行在地影區時，鋰離子蓄電池組放電，為星上負載供電；地影季期間，鋰離子蓄電池組根據軟件控制邏輯，在充電模式、放電模式和暫停模式之間切換，自主完成充放電管理；地影季結束后，充電終壓和控溫閾值切換為光照期控制閾值。

2.2 鋰離子蓄電池組充電控制方式

在光照區時，由太陽電池陣為鋰離子蓄電池組充電。電源控制器負責對鋰離子蓄電池組在軌充放電進行管理。新一代GEO 衛星電源系統中，由于電源控制器進行了換代升級，組成結構和控制方式發生了變化，通過將BCR 電路和BDR 電路集成到一個充放電調節(BCDR)模塊中來實現減重和性能提升。當衛星運行到地影區或者太陽電池陣輸出功率不足時，每組鋰離子蓄電池組通過5 個熱備份的BDR 模塊為星上負載供電；當太陽電池陣輸出功率充足時，通過5 個熱備份的BCR 模塊實現鋰離子蓄電池組的充電。相對于上一代電源控制器僅對BCR 模塊進行主備份設計的備份方式，新一代電源控制器的充電模式具有更高的可靠性。

新一代電源控制器通過BCDR 模塊的并聯實現功率的擴展。每個BCR 工作在電流源模式，通過電池充電管理(BCM)模塊設置充電控制點，從而實現多個BCR 模塊的并聯工作給鋰離子蓄電池組充電。其中BCR 采用的是Buck 電路，結構簡單、輸出電流脈動較小，是新一代電源控制器BCR 設計的首選方案[3,6]。BCDR 模塊中設置有輸入開關和輸出開關，可以確保任何故障情況下均不會導致母線或者電池組的過載或短路，提高了整星的可靠性。

新一代電源控制器省去了星載計算機對充電電流的檢測及判斷，可實現BCM 的自主充電管理，對鋰離子蓄電池組的自主管控能力更強，控制也更為精準。

根據鋰離子蓄電池組的特點，其充電采用“恒流+恒壓”方式：當太陽電池陣輸出功率超過整星負載和鋰離子蓄電池組恒流充電需求時，鋰離子蓄電池組按照用戶設定的電流值進行充電，直至達到設定的充電截止(EOC)電壓；然后采用恒壓充電模式對鋰離子蓄電池組進行自主充電，直至充電結束，不再需要星載計算機控制充電電流逐漸減檔[3]。不同于上一代電源控制器的輪流充電方式，該方式實現了南北電池組充電的獨立控制，完全解耦的設計使得兩組電池可以同時充電，且不會互相干擾，包括電池充電保護也不會相互影響。BCM 充電控制的原理如圖3 所示，該BCM 電路對應一組電池，若使用兩組電池則應有兩份BCM 電路。BCM 可以在兩種模式下工作。

圖3 BCM充電控制的原理框圖

(1)恒流充電階段

當鋰離子蓄電池組放電后、太陽電池功率充足的情況下，充電的第一階段為電池恒流充電，由用戶確定充電電流設定值。此時，電池組處于快速充電狀態。

新一代電源控制器可以同時為兩組電池獨立充電，與輪流充電方式相比，電池組的充電電流可以更小。GEO 衛星運行在地影期時，最長地影1.16 h，鋰離子蓄電池組的最大放電深度不超過80%，鋰離子蓄電池組有長達22 h 的時間進行充電。由于鋰離子蓄電池組在小的充電電流下工作壽命更長，采用輪流充電的充電電流一般設計為0.1C，采用兩組電池同時充電時，充電電流設計為0.05C即可滿足充電要求。因此，新一代電源控制器的充電控制方式更有利于提高鋰離子蓄電池組的工作壽命。

(2)恒壓充電階段

當鋰離子蓄電池組電壓達到EOC 電壓，BCM 內部設置點會從之前設定的恒流充電電流值減小到蓄電池組漏電流(或0 電流)對應值，實際充電電流開始逐漸減小，從而保證鋰離子蓄電池組電壓值維持在設定的EOC 電壓值。與上一代TAPER 充電方式相比，該模式下完全實現了恒壓控制功能，減少了對星上軟件的依賴。

2.3 能源管理軟件應用分析

基于新一代電源控制器，對能源管理軟件進行了優化設計，實現了鋰離子蓄電池組全壽命周期的自主管理，主要實現方式如下。

(1)光照期的荷電態控制與補充充電管理

運行在GEO 軌道的衛星存在長的光照期，蓄電池組在長的光照期處于儲存狀態，相對低的荷電狀態，有利于減少蓄電池組在擱置狀態下的衰降；從衛星供電安全角度考慮，蓄電池組需要保持在相對高的荷電狀態以應對突發情況下衛星的供電。綜合考慮到上述因素，蓄電池組在全光照期荷電狀態需保持在70%～90%，蓄電池組工作在擱置模式。

GEO 衛星依靠能源管理軟件對蓄電池組在擱置模式下的荷電態進行控制。根據鋰離子蓄電池組的荷電態與電池組電壓的對應關系，能源管理軟件依據采集到的電池電壓來判定電池組的荷電狀態：當電池電壓達到荷電態下限閾值時，軟件自主發送補充充電指令對鋰離子蓄電池組進行補充充電；當電壓達到荷電態上限閾值時，發送指令停止對蓄電池組進行充電?？紤]到小的充電電流對鋰離子蓄電池組更為有利，補充充電電流采用C/50 小電流恒流充電。采用此種控制方式可保證蓄電池擱置狀態時保持在適宜的荷電態。

(2)溫度控制

在適宜的環境溫度下工作有助于提高鋰離子蓄電池組的工作壽命。環境溫度過高或過低，都將嚴重影響鋰離子蓄電池組的工作壽命。研究結果表明，鋰離子蓄電池組進行充放電的適宜工作溫度范圍為10～30 ℃；在擱置狀態下，低的環境溫度有利于減少蓄電池組的衰降，適宜的溫度環境為-5～10 ℃。

GEO 衛星鋰離子蓄電池組設計有主份與備份相互獨立的加熱器，依靠新一代能源管理軟件對鋰離子蓄電池組的工作溫度實施控制。能源管理軟件依據采集到的鋰離子蓄電池組溫度參數，對鋰離子蓄電池組的加熱器開關進行控制。當蓄電池組溫度低于下限閾值時，軟件自主發送加熱器開關接通指令對鋰離子蓄電池組進行加熱；當蓄電池組溫度達到上限閾值時，發送指令停止對蓄電池組進行加熱。在地影期，鋰離子蓄電池組需要進行充放電，溫度閾值設計在14～16 ℃，可以保證鋰離子蓄電池組溫度在10～30 ℃范圍內；全光照期擱置溫度閾值設計在0～2 ℃范圍內，可以保證鋰離子蓄電池組溫度在-5～10 ℃范圍內。

新一代電源系統中，能源管理軟件可通過星上光照/地影期標識完成進入地影季前后控溫閾值的自動切換。相比上一代能源管理軟件，減少了在軌期間管理人員的操作，提高了衛星電源系統的自主管理水平。

(3)過充電保護

過壓保護：新型電源控制器具備過壓充電保護功能，通過充電終壓控制功能實現。電壓安全保護閾值根據鋰離子蓄電池單體的不同特性進行設定，目前常用單體平均控制電壓通常設置為4.2 V，當電壓達到保護閾值時，充電電流自動降為0；如果上述過壓保護失效，當單體電壓達到旁路控制上限時，在旁路控制作用下，故障的單體可自動切除，也能保證電壓小于安全閾值。已在單機測試過程中得到驗證。

過流保護：新一代能源管理軟件具備過流保護功能，保證充電電流不超過所處環境溫度下的最大電流值，延長電池使用壽命并且提升電池安全性。典型示意圖見圖4。

圖4 過流保護

過溫保護：新一代能源管理軟件具備過溫保護功能。當同一蓄電池組所有溫度的遙測中間值超過高溫閾值時，充電會被立刻停止；當溫度降到高溫恢復閾值時充電才可被恢復，保證蓄電池組不會發生溫度過高而帶來的安全性問題。

欠溫保護：新一代能源管理軟件具備欠溫保護功能。當同一蓄電池組所有溫度的遙測中間值低于低溫閾值時，充電會被立刻停止；當溫度升高至低溫恢復閾值時充電才可被恢復，保證蓄電池組不會發生溫度過低而帶來的性能損傷。

(4)過放電保護設計

新一代能源管理軟件具備兩級過放電保護功能。當檢測到放電容量達到I 級門限設置值時，會自主關閉有效載荷設備；當檢測到放電容量達到II 級門限設置值時，會自主關閉加熱器，從而保障蓄電池組和衛星的安全。

(5)保護功能驗證

過壓保護功能由電源控制器硬件實現，在單機及整星測試過程中均得到驗證。

過溫和過流充電保護功能由能源管理軟件實現，該軟件在開發階段經歷了完整的用例測試和第三方評測，并與電源控制器進行了聯試驗證，整星測試時狀態正常，保護功能得到了有效驗證。

過放電保護設計由整星FDIR 功能實現，在衛星地面測試過程中得到了有效驗證。

2.4 均衡管理

對于不同軌道的衛星，均衡管理從操作時機來說，可以分為充電均衡、放電均衡、擱置期均衡；按均衡原理可以分為能量傳遞、能量耗散等方式[7]。

按照均衡原理，耗散型均衡電路具有簡單可靠的優點。本文介紹的鋰離子蓄電池組在軌管理為能量耗散型，每個模塊配置智能監視集成系統(ISIS)，用于電池組的單體均衡管理。當蓄電池單體達到設定閾值時，均衡電路開始工作，原理簡單，熱耗小，可靠性高。

就均衡時機而言，為提高在軌管理的自主性，本電源系統在地影季期間，通過對蓄電池組充電終壓的設置，隨著蓄電池組充放電循環，蓄電池組進行自主均衡，無需地面干預。

3 在軌遙測數據分析

圖5(a)和圖5(b)為秋分日南北鋰離子蓄電池組整組的在軌工作電壓和充電電流曲線。采用新一代電源控制器對南北蓄電池組采取同時充電策略，恒流充電階段采用單組C/20進行充電；當蓄電池組達到充電截止電壓后，采取恒壓充電模式。由在軌充電曲線可見，在軌數據與蓄電池恒流恒壓充電控制方式相吻合。恒流模式下，蓄電池組的充電電流值維持在6.24～6.25 A；恒壓模式下，北蓄電池組電壓范圍在81～81.05 V，蓄電池組充電電流在BCM 控制下由6.25 A 逐漸減小至0 A，滿足蓄電池組恒流和恒壓充電要求。

圖5 鋰離子蓄電池組整組的在軌工作電壓和充電電流曲線

對進入同步軌道后的蓄電池組溫度數據進行統計和分析。目前，衛星已經歷一個完整的地影季，分別對光照季和地影季的工作溫度進行了統計。發射后蓄電池組的長光照期擱置溫度在0～8 ℃，地影季工作溫度在11.5～17.5 ℃，蓄電池組的工作溫度范圍滿足在軌溫度控制要求。以單組蓄電池溫度控制曲線為例，由圖6 可見，地影前和地影后蓄電池組均自主完成了光照期和地影期溫度控制閾值的切換。

圖6 鋰離子蓄電池組在軌溫度曲線

對蓄電池組單體壓差進行了統計，通過自主均衡控制策略，經歷了一個地影季后，包括光照期在內，單體壓差最大不超過15 mV。

實際數據判讀表明鋰離子蓄電池組取得了預期的控制效果，電壓值、電流值和溫度均在正常值范圍內，在軌工作狀態良好。

4 結論

本文基于新一代電源控制器模塊化強、可靠性高的優勢，結合GEO 衛星軌道環境以及長壽命、高可靠性的需求，根據電池特性提出了鋰離子蓄電池組的在軌管理方法，實現了自主恒流恒壓充電控制，延長了鋰離子蓄電池組在軌使用壽命，提高了整星電源系統的健壯性。在軌數據表明：該鋰離子蓄電池組在軌管理策略可滿足GEO 衛星鋰離子蓄電池組全壽命周期的自主管理需求。