高分一號衛星電源分系統設計與在軌應用

趙海峰，徐 偉，王志飛，解曉莉，陳杏娜

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

高分一號衛星項目于2010 年啟動實施，2013 年4 月26 日發射成功，是中國第一顆設計壽命為5 a 的低軌衛星；電源分系統作為衛星平臺的重要分系統之一，其性能和在軌工作壽命是制約衛星壽命關鍵因素之一。

1 電源分系統設計

1.1 電源分系統組成及工作原理

高分一號衛星電源分系統由電源控制器、鋰離子蓄電池組與太陽電池陣三臺單機組成[1]。鋰離子蓄電池組為儲能單元，在主動段、軌道陰影期及峰值功率時對星上設備供電。太陽電池陣為發電單元，在光照期對星上負載供電，在滿足負載功率需求的情況下對蓄電池組進行充電。電源控制器是分系統的控制中心，其功能是功率調節和變換、控制、檢測電源分系統的工作，包括調節母線電壓，提供火工品電源，充電控制、放電控制及均衡管理，同時完成電源系統智能化管理。

電源系統采用全調節模式，即無論在主動段，還是在軌運行期間，電源分系統均為星上設備提供穩定的(30±1)V 電源電壓。

高分一號衛星電源分系統儲能電池采用的是鋰離子電池組，其在軌管理方法與鎘鎳電池組不同。鎘鎳電池以串聯方式組成電池組，分檔恒定電流充電；通過整組電池涓流充電，維持電池組滿荷電狀態。鎘鎳電池可以承受一定程度過充、過放，通常配置在軌處理器裝置。

鋰離子電池組用小容量單體電池并聯、串聯方式組成電池組，采用恒流恒壓方式充電，嚴禁過充過放，配置均衡管理裝置保證單體性能一致性。

1.2 蓄電池組設計

2010 年以前，國內衛星用儲能電源主要以鎘鎳、氫鎳蓄電池為主。鋰離子電池在短期在軌的小功率衛星上有應用，沒有在長壽命、高功率衛星上做在軌飛行驗證。

鋰離子單體電池電壓3.6 V，約是鎘鎳電池單體電壓的3倍。鋰離子電池質量比能量220 Wh/kg，是鎘鎳電池的4 倍左右。使用鋰離子電池組替代鎘鎳電池組，有利于衛星電源的輕量化和小型化，降低發射成本。

我國微小衛星上已應用鋰離子蓄電池組，容量較小(低于30 Ah)，在軌時間短(少于1 a)，有時僅作為輔助電源。

在低軌道長壽命衛星上應用大容量鋰離子電池組，有許多技術難題需要面對，如循環壽命、充放電控制、均衡管理和在軌安全等。

1.2.1 電池組容量選擇

蓄電池組額定容量根據最長地影時間、壽命末期平均輸出功率、串聯單體數、熱備份數、壽命末期單體平均放電電壓、內部線路壓降和最大放電深度確定。經計算，滿足衛星平臺功率要求的電池組容量為80 Ah，由28 只20 Ah 的單體電池通過4 并7 串組成。

1.2.2 長壽命鋰離子蓄電池組

高分一號衛星是第一顆將設計壽命由3 a 提高到5 a 的低軌衛星，需要在軌飛行2.8 萬周。依據壽命要求，研制人員設計出適合快速充放電長壽命電極，選擇多功能電解液，采用利于散熱、避免鼓脹的圓柱型單體電池。

地面驗證了鋰離子蓄電池循環壽命。驗證中采用20 Ah單體，通過4 并3 串組成了80 Ah 電池組件，以30% DOD 進行循環。地面循環壽命數據見圖1。

圖1 80 Ah電池組件模擬低軌30%DOD循環試驗

圖1 中可以看出，電池放電終止電壓穩定，組件在無均衡處理條件下完成循環2.25 萬次，電池組性能狀態良好。當電池放電終壓達到9.9 V 時，作為壽命終止判據。據此計算，電池組件循環次數有望達到2.9 萬次，可以滿足5 a 在軌要求。

1.2.3 電池組合技術

電池組并聯組合，并聯模塊單體電池之間會相互影響。應用時，出現性能較差電池，它會影響其他并聯一起的電池，最后導致整個模塊的性能變差。電池組單體篩選和匹配是保持電池一致性的重要步驟。高分一號衛星用蓄電池篩選和匹配基本原則是單體容量偏差小于3%、內阻偏差小于1 mΩ。嚴格篩選與匹配后，電池組內單體電池性能一致性較好。

電池組采用套筒式結構，結構件采用導熱良好鋁合金。每只電池貼加熱片，設定主動溫控閾值控制加熱電路的通斷。電池組結構和控溫措施為電池組提供可靠性和安全性保證。星用鋰離子蓄電池組見圖2。

圖2 鋰離子蓄電池組

1.2.4 安全性驗證

由于鋰離子蓄電池能量密度高，使用安全被高度關注。為確保鋰離子電池對衛星和人員不發生嚴重的損毀或傷害，依據衛星工程總體相關要求，對鋰離子蓄電池短路條件下的安全性、過放電條件下的安全性、過充電條件下的安全性以及電池殼體的安全性進行了嚴格驗證，驗證結果表明，星用鋰離子蓄電池組滿足相關規范要求。

1.2.5 在軌數據

在軌飛行8 a，7 只單體電池電壓遙測數據在3.84～4.0 V范圍，同一時刻，單體之間電壓偏差低于0.02 V。均衡電路沒有啟用，表明蓄電池單體性能一致性良好。

蓄電池組不同位置的4 個測溫點的溫度數據，均在15.4～20.0 ℃之間，同一時刻4 個測溫點之間溫差不超過2 ℃。

1.3 電源控制器

電源控制器采用模塊化設計，由放電調節模塊、充電調節模塊、充電控制模塊、濾波模塊、分流調節模塊、信號變換模塊、均衡模塊、二次電源模塊和電源下位機模塊等組成。

蓄電池組在軌性能和循環壽命主要由電池組設計、制造決定，與在軌管理技術相關。在壽命中后期，在軌管理對蓄電池組更為重要。電源控制器在充放電管理、過充過放管理、均衡管理、在軌注入能力和自主管理等方面進行了技術攻關，通過了地面試驗。目前在軌工作正常。

1.3.1 恒流-恒壓充電管理

鋰離子電池組采用恒流-恒壓充電控制方式，在電池組電壓未達到恒壓段時，充電電流由充電電流設定電平和主誤差放大器共同決定，隨著電池組電壓的逐漸升高，電池誤差放大器逐漸減小；當電池組電壓接近或達到恒壓設定值時，充電調節器充電電流受控于電池誤差放大器，充電電流隨著電池誤差放大器的減小而逐漸減小，并最終維持恒壓狀態，實現蓄電池組恒流-恒壓充電控制。恒流-恒壓充電的電壓與電流變化趨勢見圖3。

圖3 恒流-恒壓充電的電壓與電流變化趨勢

為滿足鋰離子蓄電池組壽命不同階段對于充電電壓控制的要求，采用數字電路實現了一條指令切換八個獨立基準，節省了指令和遙測資源[2]。

1.3.2 強化過充過放管理

鋰離子電池過充會釋放出熱量和氣體，導致電池鼓脹，甚至發生爆炸[3]。鋰離子電池過放會導致鋰離子更多地遷出，破壞負極穩定，造成不可逆損壞[4]。為避免出現過充、過放的現象發生，電源控制器設計了完備的過充、過放管理，分別采用軟件和硬件實現。硬件單體過壓保護電路和蓄電池組硬件過放保護電路可以通過指令進行切除或恢復；軟件過充保護和軟件過放保護設置“使能”和“禁止”；防止由于軟件保護或硬件保護自身出現故障，對蓄電池造成不利影響。硬件單體過壓保護值設計為4.5 V，軟件單體過壓保護值設計為4.3 V，硬件過放保護值設計為18 V，軟件過放保護值設計為19 V。

1.3.3 均衡管理

蓄電池組成組電路為4 并7 串。電源控制器設計了電池組均衡管理功能，并實現了均衡電路的小型化和高可靠。均衡電路采用兩路(雙串雙并)，以降低單個三極管的功耗，并提高可靠性，均衡電阻布局于單體電池之間的空隙處，既解決了散熱問題，又節省了空間，實現了鋰離子蓄電池均衡電路的小型化和高可靠。

根據試驗結果，鋰離子蓄電池組的均衡電流選取范圍在1/100C與1/200C之間，均衡電阻選取2 只阻值為16 Ω 的功率電阻，最大分流電流約為500 mA。

1.3.4 提升自主管理和在軌注入能力

為提高電源分系統在軌管理能力，滿足在軌5 a 要求，采用自主診斷、安全模式等自主管理的方式完成對整星的供電管理。同時設置在軌注入和遙控指令功能，可進行地面干預。地面干預時，可以根據在軌能量使用情況，通過注入充電電流設定電平，改變充電電流大小，通過發送指令調整蓄電池組充電電壓，改變充放比。通過遙控指令控制均衡啟停，電源下位機依據自主均衡管理策略進行自主管理。

1.4 太陽電池陣

太陽電池陣基板分為+Y 翼與-Y 翼，單翼由3 塊1 110 mm×850 mm 的碳纖維鋁蜂窩夾層板構成[5]，太陽電池陣6 塊板。

選用平均效率大于28%的三結砷化鎵太陽電池，規格為39.8 mm×60.4 mm 和30.6 mm×40.3 mm，壽命末期90 ℃時單體電池最佳工作點電壓約為1.80 V，單體電池在軌最差情況下輸出電流約為0.359 A。

太陽電池陣在綜合考慮功率余量和基板可布片面積后，單板電路布置39.8 mm×60.4 mm 電池18 并19 串，30.6 mm×40.3 mm 電池1 并19 串。6 塊板布片方式完全相同。

太陽電池陣功率輸出的在軌遙測數據為1 312 W，滿足星用1 170 W 要求。

2 在軌應用

高分一號衛星電源分系統于2010 年完成方案論證，并開始初樣產品和正樣產品研制，2013 年發射。迄今，高分一號衛星在軌運行超過8 a，電源分系統在軌運行期間工作正常，性能穩定；鋰離子電池組在軌循環次數超過46 000 次。

圖4 是2022 年1 月份電源分系統的主要遙測數據曲線，從遙測數據分析可以看出：蓄電池組電壓范圍為27.0～28.0 V；母線電壓范圍為30.26～30.92 V；方陣電流最大輸出電流為42.45 A；充電電流、放電電流、負載電流連續，均處于設計范圍內。

圖4 高分一號電源分系統主要遙測數據曲線

3 結語

電源分系統經歷設計、研制、測試、發射、在軌飛行等階段，正樣已在軌運行8 a。在軌飛行數據表明，蓄電池組通過先進、合理、有效設計，充分的地面驗證，達成了長壽命目標，迄今，鋰離子電池組在軌循環次數超過4.6 萬次；電源控制器工作正常，在軌飛行期間未發生故障、誤觸發或失效等事件；太陽電池陣輸出功率滿足使用要求，未明顯衰減，也未發生故障。