中高軌衛星鈷酸鋰電池在軌特性分析

何 盼，孔陳杰，陳天明，張 軍

(1.浙江大學航空航天學院，浙江杭州 310058；2.中國科學院微小衛星創新研究院，上海 201304)

鋰離子蓄電池(以下簡稱鋰電池)是繼鎘鎳電池、氫鎳電池后的第三代空間儲能電源[1-2]。相比前兩代電池，鋰電池具有比能量高、無記憶效應、熱效應小等優點，航天應用日益廣泛[3-4]。自2000 年英國AEA 公司實現鋰電池首飛以來，目前已有超過200 顆在軌衛星應用鋰電池作為儲能電源。國外SAFT/GS 等公司積累了大量在軌數據作為鋰電池技術迭代的依據。我國鋰電池研究起步晚，尤其在中高軌衛星，目前還沒有完成服役周期的產品。因此，開展中高軌衛星鋰電池在軌特性研究對后續中高軌儲能電源的設計具有重要指導意義。

衛星用鋰電池有多種材料體系，如鈷酸鋰(LiCoO2)、鎳鈷錳酸鋰(NMC)、鎳鈷鋁酸鋰(NCA)等。本文以鈷酸鋰蓄電池為研究對象，研究其單體電池一致性和長光照期擱置周期在軌特性，為地面鋰電池長壽命設計提供參考。單體電池一致性在軌特性為地面單體設計和生產的一致性控制技術提供參考，也為鋰電池在軌均衡管理策略設計提供數據支撐[5-8]。長光照期擱置周期在軌特性為鋰電池長光照儲存提供設計參考。中高軌衛星有多個型號，本文選取2015 年發射的傾斜地球同步軌道(IGSO)衛星和2018 年發射的中地球軌道(MEO)衛星為研究對象，分析其鋰電池在軌特性。

1 鋰電池長壽命設計

鋰電池長壽命設計涵蓋廣泛，包括單體電池生產工藝、一致性控制技術、長光照期儲存技術、進出影管理技術、均衡管理技術、過充和過放保護技術等。本文重點研究與單體一致性控制設計、長光照期儲存設計和均衡管理設計相關的在軌特性。

1.1 單體一致性控制設計

單體電池一致性控制既包含單體設計過程中嚴格的工藝要求，也包含對批量生產單體電池的性能篩選。如表1 所示，單體電池一致性主要的篩選指標包括：電池自放電；電池內阻；30 天擱置電壓降；密封性。

表1 單體電池一致性篩選指標要求

1.2 長光照儲存設計

衛星運行在中高地球軌道，存在長光照期和地影期兩種工作模式。在長光照期運行模式下，一般不需要蓄電池參與工作，蓄電池處于擱置狀態。根據鋰電池工作特性，長期擱置不需要涓流充電，電池組處于近似半荷電態有利于保障電池壽命。結合衛星用電安全性考慮，可適當提高電池擱置狀態下的荷電態。中高軌衛星鋰電池擱置狀態單體電池電壓可保持在3.90～3.95 V。

在衛星由地影期進入長光照期后，由星務計算機通知電源控制器陰影狀態改變，電源控制器改變充電電壓檔位，降低充電截止電壓值至35.55 V，逐漸將電池組的荷電態降低。當電池組電壓低于設定擱置下限電壓35.10 V 時，對電池組進行充電，電池組電壓高于充電截止電壓時停止充電。

1.3 均衡管理設計

鋰電池組在長期充放電過程中，電池組內不同單體電池性能會產生差異。這種差異會導致部分單體電池出現過充電、過放電和欠充電的風險，從而損害電池性能，使容量迅速衰減。均衡管理設計是減小電池組內單體電池離散型差異的一種技術。

中高軌衛星鋰電池組在軌均衡普遍采用耗散型均衡，即對電池組內電壓高的單體電池進行分流放電，從而使同組單體電池荷電態趨于一致。根據啟控方式不同，可自主管理的均衡方式主要有定電壓和定電壓差兩種。定電壓差均衡熱耗小，本文所述衛星均采用定電壓差均衡方式。當電池組內單體電池的離散性達到設定值后(單體之間最大壓差達到60 mV)，單體分流電流以約0.5 A 進行均衡；當電池組內單體電池性能趨于一致后(單體之間最大壓差下降到20 mV)，停止均衡。

2 分析方法

為分析蓄電池組單體電池一致性，選取在軌時間五年以上的中高軌衛星，長期監測同組蓄電池單體電壓的離散性。為分析蓄電池組在軌擱置周期的影響因素，選取衛星擱置溫度、衛星軌道、擱置充電截止電壓三個因素進行分析。

2.1 鈷酸鋰蓄電池組單體一致性分析

同組蓄電池在軌充放電過程中，蓄電池單體荷電態出現差異。單體電池在軌荷電態的變化通過蓄電池單體電壓遙測變化進行表征。鈷酸鋰蓄電池開路電壓與荷電態的關系圖如圖1 所示。

圖1 單體開路電壓與荷電態關系圖

蓄電池組在軌狀態下，非充放電工況，仍存在小電流Isd放電通路，因此單體電壓遙測與開路電壓遙測不等價。但由于Isd遠小于充放電工況下的充放電電流，可用非充放電工況下的單體電壓遙測對開路電壓進行近似。從圖1 可以看出，單體荷電態與開路電壓并非線性關系，因此分析不同開路電壓下單體電池的電壓差不能反映荷電態差異。為控制變量，選取地影期每次放電前滿電狀態下，同組蓄電池單體電池電壓差作為跟蹤觀察對象，研究蓄電池組單體一致性。地影期同組蓄電池充放電單體電壓變化曲線如圖2 所示。

圖2 蓄電池地影期充放電單體電壓變化曲線

長期監測蓄電池組地影期放電前蓄電池組單體電池最大電壓差ΔUd，對單體離散型變化趨勢進行分析。

2.2 鈷酸鋰蓄電池組擱置周期特性分析

鋰電池組長光照期處于擱置狀態，電池電壓呈現周期性變化，如圖3 所示。

圖3 蓄電池組長光照期電壓變化曲線

合理設計鋰電池組在軌長光照期擱置周期是鋰電池長壽命設計的組成部分。掌握鋰電池組在軌長光照期擱置周期的變化規律，有利于優化鋰電池組的在軌管理策略。為分析鈷酸鋰蓄電池組在軌擱置周期影響因素，對鋰電池組擱置溫度、衛星軌道高度、不同材料體系分別進行了分析。

3 在軌特性分析

3.1 單體一致性在軌特性分析

為分析鋰電池單體一致性特性，選取六顆中高軌衛星作為研究對象，通過分析地影期滿電狀態下鋰電池組ΔUd，開展一致性特性研究。六顆衛星中有五顆衛星在軌4 年內，ΔUd始終小于20 mV，表現出良好的單體一致性。有一顆衛星ΔUd大于20 mV，但未達到60 mV 的均衡閾值，單體一致性呈現出微小的離散性趨勢。下面對這種離散性趨勢進行研究。

3.1.1 初始表現

某中高軌衛星設置A、B 兩組蓄電池組，A 組內設置9 串單體，命名為A1～A9。發射后A1～A9電壓初始狀態如表2所示。

表2 蓄電池組在軌初期單體電壓數據 V

從表2 中可以看出，各單體電池最大壓差ΔUd小于5 mV。在軌一年后，鋰電池組各單體電池電壓數據如表3所示。

表3 蓄電池組在軌一年單體電壓數據 V

從表3 中可以看出，各單體電池最大壓差ΔUd擴大到12 mV，A2 單體電池電壓相對組內其它單體電池電壓偏低。由此開始持續監測該組蓄電池各單體電壓，對ΔUd的變化趨勢進行分析。

3.1.2 趨勢分析

從2015 年4 月起，對該中高軌衛星A 蓄電池組ΔUd進行長期監測。單體最大壓差均為A2 單體與其他單體電池的壓差，A2 單體電壓持續降低，數據結果如表4 所示。除去A2 單體，該組電池最大壓差隨在軌時間在3～12 mV 波動，無明顯變化趨勢。

表4 蓄電池組單體最大壓差數據

將蓄電池組單體最大壓差數據進行曲線擬合，結果如圖4 所示。

圖4 蓄電池單體最大壓差曲線擬合

圖4 中空心散點為單體最大壓差隨時間變化的在軌數據，根據在軌6 年的數據進行曲線擬合，經過篩選，線性曲線擬合即可得到確定系數大于0.99 的擬合結果。

線性擬合公式為：

式中：a=7.571；b=3.857。線性擬合結果確定系數R2為0.995 9，均方根誤差RMSE為1.029 3。

在軌第7 年(2022 年)ΔUd為56 mV，如圖4 中空心散點所示。與式(1)外推預測值56.85 mV 相差-0.85 mV，誤差為-1.5%，預測精度良好。當中高軌鈷酸鋰蓄電池組中某一單體呈現出一定的離散性，并在前兩年與本例中單體變化相似，可參考本例擬合公式對單體離散性變化進行預測以及在軌處理。

根據式(1)推測該組蓄電池在約第8 年前單體最大壓差達到60 mV，可在第7 年開始通過地面發送均衡使能允許指令，實現蓄電池組達到均衡條件后的自動均衡管理。

參考圖2，一個放電周期內，滿充狀態下A9 與A2 單體電池壓差約為34 mV，放電結束鋰電池組A9 與A2 單體電池壓差約為29 mV。結合圖1 電池電壓與荷電態的關系，滿充狀態下荷電量1%差異對應單體電池差異約8.95 mV，60%～70%荷電態下荷電量1%差異對應單體電池差異約7.39 mV。所以，一個放電周期內滿充狀態下A9 與A2 單體電池荷電量差異約3.8%，放電結束A9 與A2 單體電池荷電量差異約3.9%。考慮荷電量區間線性估計帶來的誤差等因素，可近似認為放電前后A9 與A2 單體容量差異未發生變化。結合式(1)，A2單體相較組內其余單體由于自放電和采樣電路差異年荷電量損失1%左右。

3.2 蓄電池組擱置周期在軌特性分析

3.2.1 擱置溫度對蓄電池組擱置周期影響分析

選取由于衛星工作模式差異對蓄電池組擱置期溫度有影響的一顆衛星作為研究對象。溫控閾值未作調節，由于蓄電池組鄰近的單機處在不同工作模式，引起蓄電池組溫度變化。分別研究擱置期溫度為8.5 ℃(3 個月擱置期平均溫度)和11.8 ℃的蓄電池組電壓變化曲線，結果如圖5～6 所示。均溫8.5 ℃，擱置周期為14～15 天；均溫11.8 ℃，擱置周期依然為14～15 天。擱置溫度相差3.3 ℃，擱置周期未發現明顯差異。

圖5 蓄電池組擱置期電壓變化曲線(均溫8.5 ℃)

圖6 蓄電池組擱置期電壓變化曲線(均溫11.8 ℃)

3.2.2 在軌時間對蓄電池組擱置周期影響分析

IGSO 衛星在軌7 年，電池擱置周期在11～13 天波動；在軌第1～2 年，擱置周期11～13 天波動；在軌第6～7 年，擱置周期仍保持在11～13 天波動。擱置周期與在軌時間未表現顯著的相關性，電池的漏電電流沒有顯著變化。參照圖1 的關系曲線，電池容量如顯著衰減，電池擱置周期會明顯縮短，從擱置周期的變化情況可以看出，電池容量也沒有明顯衰減。

3.2.3 鋰電池材料體系變化對蓄電池組擱置周期影響分析

選取同一軌道兩顆應用鋰蓄電池的衛星，A 星應用鈷酸鋰材料體系鋰電池，B 星應用鎳鈷酸鋁鋰體系鋰電池。A 星擱置期蓄電池組電壓變化曲線如圖5 所示。B 星擱置期蓄電池組電壓變化如圖7 所示。

圖7 NCA體系鋰離子蓄電池組擱置期電壓變化曲線

NCA 體系鋰離子蓄電池組擱置周期約30 天，擱置周期是鈷酸鋰體系鋰電池組周期的兩倍左右。擱置周期的差異主要是由于：鈷酸鋰蓄電池組擱置上下限荷電態與NCA 鋰電池組擱置上下限荷電態存在差異。鈷酸鋰蓄電池組擱置上下限電壓分別為35.55 和35.1 V，對應荷電態約80%和73%，荷電態變化約7%；NCA 鋰電池組擱置上下限電壓分別為35.1和34.2 V，對應荷電態約81%和67%，荷電態變化約14%。NCA 鋰電池組擱置荷電態差異是鈷酸鋰電池組差異的兩倍，與擱置周期長短成正比，與材料體系關系不大。兩顆衛星電池采樣電路設計上保持一致，說明鈷酸鋰和NCA 體系鋰電池組自放電差異不大，或自放電因素占荷電態下降比例很小，主要為電路耗電。

4 結論

本文通過統計與分析蓄電池組在軌遙測數據，以中高軌衛星為研究對象，對鈷酸鋰蓄電池在軌特性進行了分析。對鈷酸鋰蓄電池組中單體電壓離散性進行了估計。擱置溫度與軌道高度對鈷酸鋰蓄電池擱置周期的影響較小。同材料體系因設置的擱置荷電態上下限差異影響擱置周期長短。本文的分析結論適用于中高軌鈷酸鋰蓄電池組的特性分析，可為后續中高軌軌道衛星鋰電池組設計提供參考。