鋰離子蓄電池組在軌遙測數據分析與壽命預計

張文芳，鄒恒光，姜垚先，贠 磊，王鐵民

(1.中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部，北京 100094；2.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

隨著衛星技術的發展，有效載荷越來越復雜，對應的有效載荷系統功耗增大、質量增加，需要電源系統在滿足衛星長壽命高可靠要求的同時，進一步提高衛星的供電能力，減輕衛星平臺的質量。

鋰離子蓄電池組由于具有比能量高、自放電小、可并聯使用、無記憶效應等優點，已逐漸替代氫鎳蓄電池組成為衛星新一代儲能電源。以GEO 衛星為例，衛星每年要經歷兩個地影季，每個地影季44 天。地影季內，最長地影1.16 h 不受光照，需要蓄電池組為衛星供電。相對于氫鎳電池，鋰離子蓄電池組質量比能量提高近一倍，即輸出功率提高60%的情況下，鋰離子蓄電池組的質量僅為氫鎳蓄電池組的80%，可見鋰電池應用于高軌衛星可在大幅提升輸出功率的同時大大減輕電源系統質量，進而提高衛星的載干比，提升高軌衛星的綜合能力[1-2]，因此鋰離子蓄電池在衛星電源領域取得了廣泛應用。本文對鋰離子蓄電池的在軌性能進行分析，并對其在軌工作壽命進行預計。

1 鋰離子蓄電池在軌管理策略

為確保鋰離子蓄電池組滿足衛星長壽命要求，必須對鋰離子蓄電池進行有效管理[3]，確保其在最佳的狀態下工作。以某GEO 軌道衛星為例，衛星配置南、北兩組國產135 Ah 鋰離子蓄電池，每組由3 并20 串45 Ah 電池單體組成。針對該鋰離子蓄電池組制定的在軌管理策略主要包括如下方面。

(1)充電電流的確定

按照GEO 衛星運行周期，地影季鋰離子蓄電池組每24 h進行一次充放電循環，放電時間最長為1.16 h(放電深度最大為80%)。較小的充電電流有利于電池的長壽命性能，采用0.1C(13.5 A)的充電電流輪流充電即可確保在24 h 內完成充放電循環，滿足充電要求。因此，充電電流采用0.1C電流輪流充電。

(2)充電截止電壓的確定

鋰離子單體電池充電截止電壓超過4.2 V 將對電池壽命產生明顯不利的影響。壽命初期采用較低的充電截止電壓，充電限壓值確定在4.05 V，壽命末期可以通過提高電池的充電截止電壓延長電池組的壽命，充電限壓值可設定在4.1～4.2 V。

(3)充電方式

鋰離子蓄電池組在軌運行采用恒流+限壓充電方式(圖1)，兩組電池采用5 min/5 min 輪流充電方式。蓄電池組先用恒定電流0.1C充電，充電至單體電池電壓達到設定值4.05 V時，轉為限壓充電，此時充電電流以步長0.01C(1.35 A)逐步降低，當充電電流降到0.01C，停止充電。

圖1 恒流限壓充電方式電壓電流變化

(4)在軌光照季的管理策略

鋰離子蓄電池組在全光照季一般處于不工作狀態，通過合理的在軌管理可以減少鋰離子蓄電池組在擱置狀態下的性能衰降。鋰離子蓄電池組在滿荷電態下儲存，電池能量衰降最明顯；儲存環境溫度越高，電池能量衰降越大。因此確定蓄電池組的荷電量需維持在60%～80%，對應的單體電池電壓為3.7～3.9 V，蓄電池組溫度應在－5～+15 ℃，光照季溫控閾值設計為0～4 ℃。

光照季，當單體電池電壓低于3.7 V 時，以0.02C為蓄電池組補充充電；當單體電池電壓高于3.9 V 時，停止為蓄電池組補充充電。

(5)在軌地影季的管理策略[4]

地影季，蓄電池組每天都會經歷地影并放電，出影后將蓄電池組充電至100%荷電量后停止充電，工作溫度在10～30 ℃，地影季溫控閾值設計為12～16 ℃。

地影季結束后，蓄電池組連續48 h 不放電，則星上軟件自動將電池由地影季管理切換為長光照季管理。蓄電池組溫控閾值跟隨光照/地影期標志自主切換。

鋰離子蓄電池組在軌管理及單體電池電壓變化如圖2 所示，其中擱置模式為蓄電池組處于光照季不工作狀態，補充充電模式為光照季電池以0.02C(2.7 A)充電的狀態，暫停模式為蓄電池組處于地影季不工作狀態，放電模式即蓄電池組放電為衛星提供能源，充電模式即蓄電池組以0.1C電流進行充電。

圖2 鋰離子蓄電池在軌工作模式及電壓變化示意圖

光照季蓄電池組在擱置模式與補充充電模式間切換，地影季蓄電池組在放電模式、充電模式、暫停模式間切換。

(6)均衡控制策略

均衡策略的基本原理是將充電電壓高的電池分流一部分電流，逐步使充電電壓低的電池充滿電，達到同步的目的。

地影季蓄電池組要進行充放電循環，為避免電池荷電量不一致對電池性能產生不利影響，將電池壓差控制在較小范圍內，光照季蓄電池組處于擱置狀態，單體電池壓差可適當放寬。

地影季，當單體電池間電壓差超過上限閾值(25 mV)啟動均衡，電壓差低于下限閾值(10 mV)時，停止均衡。

光照季，當單體電池間電壓差超過上限閾值(50 mV)啟動均衡，電壓差低于下限閾值(25 mV)時，停止均衡。

由于鋰離子蓄電池組需要嚴格控制過放電，均衡僅在充電過程進行。蓄電池組均衡判據閾值跟隨光照/地影期標志自主切換。

(7)過充電保護策略

在蓄電池充電過程中，監視整組電壓、電池溫度、充電電流，星上軟件對蓄電池組實施過(電壓、溫度、電流)充電保護。

(a)電壓過充保護

蓄電池組大電流充電或補充充電過程中，當蓄電池組電壓大于設定值84 V 時，則停止對該組蓄電池進行充電。過壓保護后，當蓄電池組電壓低于設定值80 V 時，恢復對該蓄電池組充電。

(b)溫度過充保護

充電過程中，蓄電池組溫度＞35 ℃，則停止對該組蓄電池進行充電。過溫保護后，若蓄電池組溫度＜25 ℃，則恢復對該組電池充電。

充電過程中，若蓄電池組溫度＜0 ℃，則停止對該組蓄電池進行充電。欠溫保護后，若蓄電池組溫度＞2 ℃，則恢復對該組電池充電。

(c)電流過充保護

充電過程中，蓄電池組充電電流上限在不同蓄電池組溫度下對應如圖3 所示，當充電電流超過上限時，則發送指令降低充電電流，設置蓄電池組充電電流為該溫度下的缺省值。為便于蓄電池組在軌管理，設定不同溫度下的充電電流缺省值，如表1 所示。

圖3 不同溫度下蓄電池組充電電流限制曲線

表1 不同工作溫度下蓄電池組充電電流缺省值

(8)過放電保護策略

當鋰離子蓄電池組在軌放電深度超過80%時，需要衛星視情況關閉部分載荷，降低星上負載功率，以確保蓄電池組不會發生過放電。

2 鋰離子蓄電池在軌性能分析與壽命預計

2.1 鋰離子蓄電池組在軌充放電性能分析

鋰離子蓄電池在軌運行階段電池電壓及充電電流變化如圖4 所示，可見蓄電池組長光照季及地影季工作模式與預期一致，電池電壓變化趨勢與預期一致。在軌未發生鋰離子蓄電池過壓、過溫及欠溫保護。

圖4 鋰離子蓄電池組在軌工作電壓及充電電流變化曲線

圖4 中有兩點需要說明，注1 處蓄電池組地影季充電電流值低于上一個地影季。針對電源控制器充電調節模塊在軌可能出現單粒子翻轉導致的充電電流跳變為默認值12 A的問題，由于該衛星在軌充電電流遙測正常值范圍為0～14 A，因此一旦在軌出現該問題，地面很難及時發現，有可能導致蓄電池組持續大電流充電而發生過充電。為使地面能夠快速識別該問題，考慮鋰離子蓄電池組在軌功率余量較大，放電深度較小，因此在經過第一個地影季后將蓄電池組默認的大電流充電電流值由13.5 A 調整為10 A，在軌正常值范圍調整為0～10.5 A，從而在滿足鋰離子蓄電池組在軌充電需求的同時，地面監視系統可以快速識別單粒子翻轉導致的充電電流異常問題，確保地面可以及時處置，通過地面發送遙控指令恢復至原正常狀態。針對上述問題，建議后續衛星改進軟件設計，管理策略增加蓄電池組在暫停模式和擱置模式下充電電流異常識別及處置功能，暫停模式和擱置模式下蓄電池組處于不工作狀態，當檢測到充電電流異常增大時，軟件可將充電電流置為0，以防止過充電。

注2 處蓄電池電壓未按照光照季工作模式電壓變化，是由于衛星進入月影，電池組放電，出影后蓄電池組充電至單體電壓4.05 V，即滿荷電態，因此蓄電池組電壓超出光照季電池電壓上限，蓄電池組工作正常。

以某地影日為例，蓄電池組電壓和充電電流變化如圖5所示，可見進入地影后蓄電池組放電，電池電壓逐漸降低，出影后以0.1C(13.5 A)電流為兩組蓄電池輪流充電，當某組蓄電池單體電壓達到4.05 V 后，對該組電池連續充電，每當檢測到該組單體電壓達到4.05 V 時則以0.01C(1.35 A)步長減小充電電流，直至充電電流降為0，而后對另一組電池連續大電流充電，重復恒流限壓充電過程，從而完成兩組蓄電池的充電，與設計狀態一致。

圖5 地影日蓄電池組電壓及充電電流變化曲線

月影日蓄電池組電壓及充電電流變化曲線如圖6 所示。圖中紅色框內可以看出，衛星出月影后對蓄電池組進行大電流充電，充電電流增大后又迅速減小，而后維持該充電電流為兩組電池輪流充電。這是因為光照季蓄電池組溫控閾值為0～4 ℃，電池溫度一般處于0～4 ℃范圍內，進入月影后蓄電池組溫控閾值切換為地影季閾值12～14 ℃，蓄電池組加熱器啟動，但由于月影時間較短，衛星出影時蓄電池組溫度未達到10 ℃，當對電池組進行10 A 充電時，發生電流過充保護，將蓄電池組充電電流設置為缺省值0.02C(2.7 A)。當以2.7 A電流輪流充電至某組蓄電池單體電壓達到4.05 V 后，轉為對該組電池連續充電，即限壓減檔充電，但從藍色框內可以看出充電電流并未從當前值進行減檔充電，而是突然增大，而后逐步減檔充電電流。從而導致電流突然增大時蓄電池組電壓出現短暫上沖，單體電壓均超過預設的上限值，不利于電池長壽命使用。

圖6 月影日蓄電池組電壓及充電電流變化曲線

針對以上現象，提出兩條管理策略改進建議：

(1)建議后續在軌階段，月影到來前，提前將蓄電池組溫控閾值切換為地影季閾值，即將蓄電池組加熱至12 ℃以上，確保進影后不會發生電流過充保護，出影后也不會發生電壓上沖的現象。

(2)出影后電壓上沖是由于星上軟件預設的十檔充電電流為固定值，導致單體電壓達到4.05 V 后未從2.7 A 開始減檔，而是從預設的第一檔電流開始減檔。建議后續軟件設計改進，進行電流減檔的限壓充電時，從當前充電電流值逐漸減小至0，避免電壓上沖。

2.2 鋰離子電池電壓離散性與在軌均衡情況分析

圖7 為鋰電池20 節單體電壓的變化曲線，對在軌階段單體電池電壓遙測進行統計分析，可得單體最大壓差只有8 mV，表明蓄電池組單體電池一致性較好，單體壓差始終低于地影季和光照季的均衡啟控閾值，因此從未啟動均衡。

圖7 單體電池電壓變化曲線

通過查詢國產鋰電池和引進鋰電池在軌單體電壓遙測數據，統計電池組經歷第一個長光照季之前和之后單體電壓壓差，如表2 所示。國產鋰蓄電池的單體電池電壓差較小，且經歷一個光照季后的單體電池離散性小于引進鋰電池，表明國產鋰蓄電池的單體電池一致性優于引進電池。

表2 國產與進口電池單體電池電壓離散性分析 mV

通過對光照季前(出地影季后某固定時間點)單體電池壓差及光照季后(進地影季前某固定時間點)單體電池壓差進行統計，見表3，可以看出鋰離子蓄電池組每次光照季后較光照季前單體壓差增大不超過3 mV，在軌經歷5 個光照季后，單體電池最大壓差為6 mV，且單體電池電壓離散性未見增大趨勢，單體電池一致性較好。

表3 鋰離子蓄電池離散性變化趨勢分析 mV

2.3 鋰離子電池溫度情況分析

鋰蓄電池組利用每個電池的套筒結構傳遞熱量，電池所對應的衛星側壁安裝位置粘貼OSR 片散熱。在電池組的安裝板上埋熱管，每個電池上都裝有主、備加熱片，在電池處于低溫時給蓄電池組加熱[5]。

在軌每組鋰電池均有多個溫度測點以監視電池組溫度變化，并要求同一電池組內電池溫差不超過5 ℃，從而保證不同單體電池放電的均衡性。

鋰電池組在軌溫度變化曲線見圖8，電池組溫度特性如表4 所示，可見地影季和長光照季期間蓄電池組溫度變化范圍均滿足使用要求，且不同溫度遙測點溫差小于5 ℃。

圖8 蓄電池組在軌溫度

表4 鋰離子蓄電池在軌工作溫度 ℃

圖9 為某春分點蓄電池組溫度變化曲線，加熱器接通時蓄電池組溫度上升，加熱器斷開時蓄電池組溫度下降，在軌遙測數據表明鋰離子電池加熱器溫控措施有效，鋰電池工作溫度正常。

圖9 春分點蓄電池組溫度

2.4 鋰離子蓄電池在軌壽命預計

圖10 為鋰離子蓄電池組電壓的在軌遙測數據曲線，通過對鋰離子電池電壓變化趨勢對鋰離子電池的壽命性能進行預計。

圖10 鋰電池組在軌遙測電壓曲線

GEO 衛星在軌每半年經歷一個地影季，以地影季為橫坐標，根據電池組在軌共5 個地影季的最低放電電壓遙測擬合出每個地影季最低放電電壓隨地影季的變化曲線，如圖11 所示。從圖中電池組電壓變化趨勢可以預計，在衛星經過30 個地影季后，電池組最低放電電壓為69.02 V，表明鋰離子蓄電池組可以滿足衛星15 年以上的壽命要求。

圖11 鋰離子蓄電池組電壓變化趨勢

3 結論

本文根據鋰離子蓄電池特性，以高軌衛星為例，給出了鋰離子蓄電池組的在軌管理策略。通過對鋰離子蓄電池組在軌遙測數據分析表明，鋰離子蓄電池組在軌管理策略合理有效，蓄電池組在軌充放電性能穩定，溫控情況、均衡情況及單體電池離散性良好。并根據鋰離子蓄電池組電壓變化趨勢對電池組在軌壽命進行了預計，結果表明，鋰離子蓄電池可以滿足衛星在軌15 年以上的壽命要求。