GEO鋰離子蓄電池組在軌性能評估

劉 鵬，章 玄，侯 睿，盛北飛，賀奉平

(中國空間技術研究院，北京 100094)

鋰離子蓄電池組具有比能量高和自放電小等優點，已經被廣泛應用于空間電源領域。目前，采用鋰離子蓄電池組作為儲能電源的衛星已有數百顆[1-5]。

作為星上貯能裝置，在衛星臨射前、主動段飛行期間、轉移軌道及同步軌道地影及太陽電池陣輸出功率不足時，鋰離子蓄電池組為衛星提供所需能量。迄今為止，空間應用的鋰離子電池仍存在低溫時內阻過大等問題[6]。在長期充放電過程中，為了防止鋰離子蓄電池組單體容量離散性的擴大，在GEO 軌道運行的長壽命衛星鋰離子蓄電池組一般設計有均衡管理功能[7]。

隨著鋰離子蓄電池組在空間型號上應用數量快速增長，分析鋰離子蓄電池組在軌運行數據，對其在軌性能進行快速評估、掌握在軌運行趨勢、更有力保障大功率、長壽命供電安全需求和提升改進后續產品等工作具有十分重要意義[8-10]。

本文結合鋰離子蓄電池組工作原理，分析某型號衛星鋰離子蓄電池在軌數據，聚焦鋰離子蓄電池組壓差變化、均衡效果、充放電循環電壓變化趨勢。數據研究表明，鋰離子蓄電池組在軌期間，旁路保護動作未啟動，性能良好，工作正常。

1 鋰離子蓄電池組工作原理

在軌道光照期，太陽電池陣通過電源控制器給鋰離子蓄電池組充電，鋰離子電池將電能轉換為化學能儲存起來，地影期由鋰離子蓄電池組通過電源控制器為星上負載供電，將化學能轉換為電能。鋰離子電池正極活性物質是鋰化合物，負極活性物質為碳材料，其充放電反應實際是通過鋰在正負極材料之間的嵌入和脫嵌完成的。

2 在軌管理

2.1 均衡管理

鋰離子蓄電池存在自放電現象，電池的自放電會導致其電壓緩慢下降。由于同一蓄電池組中單體電池的自放電電流不盡相同，從而使得蓄電池組在長期儲存或循環過程中各單體電池的電壓出現差異。對于鋰離子蓄電池來說其電壓直接反映荷電態，那么蓄電池組中自放電電流大的那只電池，容量保持率低，從而制約整個蓄電池組的能量發揮。為此，蓄電池組在使用過程中需要進行均衡管理，以減小蓄電池組中單體之間的電壓差異，保證蓄電池組能量的正常輸出。

蓄電池組配置均衡管理裝置，可對蓄電池組進行均衡。蓄電池組在充電過程中，當檢測到蓄電池組內單體電池電壓超過均衡啟動閾值時，均衡管理裝置啟動均衡分流電路為蓄電池組進行均衡處理；當檢測到蓄電池組內單體電池電壓低于均衡啟動閾值，均衡管理裝置自動關閉分流電路，停止蓄電池組均衡。

2.2 失效管理

鋰離子蓄電池組在有一節電池失效（開路、容量嚴重衰降損失或短路）時，仍要求其能保證正常的能量輸出，這就需要一種裝置可以把失效電池單元從整個電池組中有效隔離出去，從而保證失效電池不會引起故障擴散。

旁路保護裝置可以實現對鋰離子蓄電池組中性能嚴重衰降或者失效的電池單元的旁路切除功能，在整個過程中保證蓄電池組供電的連續性。具體功能如下：

1）防止蓄電池組中個別單體（或者并聯單元）開路而導致整個蓄電池組的開路；

2）通過地面遙控指令或者自動動作來進行電池并聯單元的切除（旁路），防止由于個別電池并聯單元的嚴重衰降而影響整星的供電；

3）防止濫用條件下的安全事故的發生。

當均衡管理裝置檢測到電池電壓超過單體失效電壓上限或電池電壓低于單體失效電壓下限時，將提供一個驅動電流，啟動旁路保護裝置的旁路開關將失效電池從蓄電池組中切換出去，母線電流從旁路保護裝置的旁路開關中通過，防止電池故障擴散。

3 鋰離子蓄電池組在軌性能評估

本文對鋰離子蓄電池組在軌數據進行分析，分別從蓄電池組單體壓差變化、自放電和日歷衰降等指標評估蓄電池組在軌性能。

3.1 壓差變化

蓄電池組單體電壓均衡曲線如圖1 所示。

圖1 蓄電池組單體電壓均衡曲線

圖1 所示，2016 年2 月19 日，地影期前，蓄電池組單體電壓＜V1，不滿足均衡啟動條件，其中，V1為均衡啟動閾值；2016年2 月24 日，地影期前，蓄電池組單體電壓＞V1，滿足均衡啟動條件，蓄電池組開始均衡，單體間最大電壓差約為41 mV；2016 年3 月3 日，地影季，蓄電池組充放電第五周期，蓄電池組單體電壓＞V1，滿足均衡啟動條件，蓄電池組繼續均衡，單體最大電壓差約為6 mV。

均衡間隔時間不同的均衡過程電壓變化記錄的截圖見圖2 和圖3。

圖2 所示，2016 年2 月24 日，蓄電池組開始第1 次均衡。2016 年9 月1 日，蓄電池組開始第2 次均衡。均衡間隔時間為兩個地影季間隔，約為186 d 15 h。

圖2 第一次均衡蓄電池組單體電壓變化記錄截圖（均衡間隔186 d）

圖3 所示，2016 年9 月1 日，蓄電池組第2 次開始均衡。2017 年2 月27 日，蓄電池組第3 次開始均衡。均衡間隔時間為兩個地影季間隔，約為178 d 23 h。

圖3 第二次均衡蓄電池組單體電壓變化記錄截圖（均衡間隔178 d）

另外，蓄電池組無單體失效，蓄電池組旁路保護裝置未啟動。

12 個地影期均衡前蓄電池組單體最大壓差變化如圖4 所示。

圖4 12個地影期均衡前蓄電池組單體最大電壓差曲線

圖4 所示，隨著時間的變化，地影期均衡前蓄電池組單體最大電壓差在0.027～0.037 V 范圍，最大電壓差的波動趨于穩定。

3.2 自放電

長光照期的放電電流是蓄電池組自放電電流和與蓄電池組連接電子電路的漏電電流兩部分之和，我們計算了不同光照期放電電流，分析了放電電流變化規律。

蓄電池組補充充電時電壓變化數據見圖5。

圖5 蓄電池組補充充電電壓變化曲線

如圖5 所示，蓄電池組從76.11 V 增加到79.74 V，補充充電間隔逐漸減小，2020 年比2015 年減少了約1.5 h 時；充電容量也逐漸減小，2020 年比2015 年減少了約1.77 Ah。其中，76.11 V 為補充充電啟動電壓，79.74 V 為補充充電截止電壓。

蓄電池組自放電情況見圖6。

如圖6 所示，蓄電池組自放電降低相同電壓區間，從79.74 V 降低到76.11 V，2020 年自放電時間比2015 年自放電時間減少了約12 h。考慮內阻增大等因素，隨著時間的變化，蓄電池組自放電降低相同電壓區間耗時逐漸減少。

圖6 蓄電池組自放電電壓曲線

蓄電池組在補充充電過程中伴隨著自放電，統計各光照周期的充電時間、充電電流和放電時間，根據能量守恒，補充充電期間的充電容量和補充充電加自放電期間的放電容量相等，計算蓄電池組的自放電電流。蓄電池組的自放電電流如圖7 所示。

圖7 不同光照周期蓄電池組自放電電流

如圖7 所示，隨著時間的變化，蓄電池組自放電電流逐漸減小，從0.119 7 A 減小到0.118 9 A，自放電電流趨于穩定。

3.3 日歷衰降

隨著時間的變化，蓄電池組的壓差變化趨勢穩定，自放電電流變化趨勢穩定。在長光照期充電過程，根據自放電電流和充電時間得到充電期間的自放電容量，計算對應電壓在76.11～79.74 V 區間的充電容量。根據蓄電池組電壓與荷電態的對應關系，計算對應的荷電狀態及變化值，進而得到不同光照周期的蓄電池組容量。在長光照期放電過程，計算對應的自放電電壓差變化率。

蓄電池組電壓和荷電態(SOC)的對應關系如圖8 所示。

圖8 電池組電壓和荷電態(SOC)的對應關系

蓄電池組容量和壓差變化率如表1 和圖9 所示。

圖9 不同光照期壓差變化和蓄電池組容量

表1 中，隨著時間的變化，放電間隔逐漸減小，從289.85 h減少到278.00 h；壓差變化逐漸增加，從300.57 mV/d 增加到313.38 mV/d。隨著時間的變化，充電間隔逐漸減小，從29.53 h 減小到28.03 h；充電容量逐漸減小，從31.17 Ah 減小到29.81 Ah；蓄電池組容量也逐漸減小，從初期的135.50 Ah 減小到第10 個光照期的129.59 Ah。長光照期蓄電池組放電的壓差變化部分表征蓄電池組的容量衰降。

表1 蓄電池組充電容量和壓差變化

如圖9 所示，紅色曲線表示壓差變化，藍色曲線表示蓄電池組容量。隨著時間的變化，壓差變化率逐漸增加，蓄電池組容量逐漸減小，長光照期蓄電池組放電的壓差變化部分表征蓄電池組的容量衰降。

根據前10 個光照期數據擬合蓄電池組壓差變化和蓄電池組容量曲線，擬合曲線和實測的第11 和12 個周期的數據如圖10 所示。

圖10 不同光照期壓差變化和蓄電池組容量擬合曲線

如圖所示，綠色曲線表示實測壓差變化，綠色虛線表示擬合壓差變化，紫色曲線表示預測壓差變化。實測藍色曲線表示蓄電池組容量，藍色虛線表示擬合蓄電池組容量，紅色藍線表示預測蓄電池組容量。隨著運行時間的增加，蓄電池組壓差變化逐漸增加，與擬合曲線趨勢一致，第11 和12 個周期壓差變化運行數據略低于擬合曲線數據。隨著運行時間的增加，蓄電池組容量逐漸減小，與擬合曲線趨勢一致，第11和12 個周期的蓄電池組容量運行數據略高于擬合曲線數據。可以通過擬合曲線預測未來長光照期的壓差變化和蓄電池組容量，通過運行數據修正擬合曲線，直觀地反應蓄電池組的在軌工作性能。考慮第2 個光照期之后蓄電池組容量曲線比較平穩，根據第9～12 個光照期的容量衰降趨勢，得到第30個光照期即壽命后期的容量預測數據約為126.52 Ah。

4 結論

本文結合鋰離子蓄電池組的工作原理，通過分析鋰離子蓄電池在軌數據，重點分析了鋰離子蓄電池組的蓄電池組壓差變化、自放電和日歷衰降等指標。隨著時間的變化，蓄電池組的壓差變化趨勢穩定，放電電流變化趨勢穩定。壓差變化逐漸增加，蓄電池組容量逐漸減小，長光照期蓄電池組放電的壓差變化部分表征蓄電池組的容量衰降。通過擬合曲線預測未來長光照期的壓差變化和蓄電池組容量，用運行數據修正擬合曲線，可以直觀地反應蓄電池組在軌工作性能，可以對性能進行快速評估，能夠及時掌握蓄電池組在軌性能變化趨勢，為大功率、長壽命的供電安全提供有力保障。