东方红四号卫星平台锂离子蓄电池在轨应用分析

李红林 余文涛 黄智 魏强

（中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094）

东方红四号卫星平台锂离子蓄电池在轨应用分析

李红林 余文涛 黄智 魏强

（中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094）

在东方红四号卫星平台上应用锂离子电池替代传统氢镍电池，能显著减小供配电分系统的质量和体积，提高卫星平台能力。锂离子电池工作特性与氢镍电池差异较大，针对锂离子电池在东方红四号平台某卫星上首次应用，为降低应用风险，满足在轨使用要求，文章对电池热控设计、电源在轨充放电管理和均衡策略进行分析，利用SLIM（SAFT Li－ion Model）软件对锂离子电池在轨电压输出特性进行仿真，提出适应锂离子电池应用的热控措施、充放电管理方式和线性均衡管理策略，并利用某卫星在轨数据进行验证，满足了在轨使用要求，证明该锂离子电池应用方案可以在后续东方红四号卫星平台推广应用。

东方红四号卫星平台；锂离子蓄电池；在轨飞行；应用分析

1 引言

锂离子蓄电池（以下简称锂离子电池）比能量是氢镍蓄电池的2倍，采用锂离子电池可以提高卫星平台的载荷比并降低发射成本。随着东方红四号（DFH－4）卫星平台载荷功率需求的进一步提高，采用高比能量的锂离子电池替代氢镍蓄电池组作为储能装置是必然趋势［1－5］。为满足有效载荷功率和工作寿命需求，DFH－4平台某通信卫星首次采用锂离子电池技术，与采用氢镍蓄电池组相比，平台质量可以减轻约80kg，提高了整星的载干比（载荷量与卫星干重之比）。该卫星已发射成功，开启了锂离子电池在国内高轨通信卫星的首次飞行应用。

由于锂离子电池与氢镍电池化学体系不同，两者工作特性差异较大［6－8］，DFH－4平台采用锂离子电池替代氢镍电池，需要平台进行适应性修改，包括采取适应锂离子电池低温存储、高温使用的热控措施，修改电池充放电管理逻辑，并采取有效的均衡措施保证单体电压的一致性。

本文介绍了锂离子电池应用特点，分析了DFH－4平台锂离子电池热控设计、电源在轨充放电管理和均衡策略，提出了满足锂离子电池应用要求有效的解决方案。

2 锂离子电池组高轨卫星应用特点

2.1 锂离子电池温度特性

在轨道光照期，太阳电池阵通过电源控制器给锂离子电池组充电，锂离子电池将电能转换为化学能储存起来，地影期由锂离子电池组通过控制器为星上负载供电，将化学能转换为电能。锂离子电池的反应机制如图1所示，锂离子电池充放电反应机理实际是Li＋在正负极材料之间的嵌入和脱嵌。

图1 锂离子电池的反应机理Fig.1 Reaction mechanism of lithium－ion battery

环境温度对锂离子电池工作有着重要的影响。充放电循环期间，电池温度过高，会加快电池副反应速度，电池的循环性能下降；电池温度过低，电解液黏度增加，电池在低温环境下的极化电位升高，锂离子容易还原成金属锂析出，降低可逆容量。为提高锂离子电池充放电循环次数，保证在轨使用要求，地影期温度要求控制在10～30℃之间。光照期长期搁置期间，为降低锂离子电池容量衰降速度，温度要求控制在－5～10℃之间。为满足在轨温度使用要求，需要平台采取有效的热控措施，保证锂离子电池在合理温度范围以内。

2.2 锂离子电池充放电特性

通过地面试验发现，氢镍蓄电池组具有较强的耐过充和过放能力，这在电池的安全使用上是非常有利的。但对于锂离子电池来说，由于自身电化学特性，锂离子蓄电池的耐过充能力较差，在使用时需要设置安全保护机制。因此，锂离子电池充电一般采用恒流－限压的充电方式，并设置过充保护功能。同时，针对地球同步轨道长寿命卫星的使用场景，电池充放电应具备在轨自主管理能力，提高卫星在轨能源管理的自主性和灵活性。

2.3 锂离子电池均衡特性

锂离子电池在长期充放电循环后，由于各单体自放电率、内阻、容量衰降率等存在差异，使电池组各单体荷电量差异也越来越大，呈发散趋势，容易造成电池组单体电池间性能离散性加大，容易产生蓄电池的过充或过放，可能导致整组电池寿命缩短，甚至失效。为了提高锂离子电池组在轨使用寿命，需要对锂离子电池各单体进行均衡处理，防止电池组内单体电池离散性扩大。

3 热控分析和在轨验证

DFH－4平台共有2组锂离子电池，分别安装在服务舱的南、北面板上，锂离子电池组在轨应用期间，要求地影期和光照期电池温度范围分别为10～30℃和－5～10℃，单体电池温差小于5℃，为满足上述要求，在热设计时采用了主动热控与被动热控相结合的方式，具体措施如下：①蓄电池模块底板与电池舱板之间安装有导热绝缘垫，同时电池舱板内全预埋正交热管网络，以减弱电池模块电池单体间以及两电池模块之间的温度梯度；②在电池舱各舱板内表面均粘贴一层镀铝聚酰亚胺膜，镀铝面朝外，以使电池舱与其它舱段隔热，舱内不安装仪器的位置喷涂SR107白漆，以强化与舱内设备的辐射换热；③用多层隔热罩将蓄电池组罩起来，以减弱蓄电池组与舱内的热耦合，进而降低加热器功率及散热面需求，并有效降低模块内电池单体之间的温差；④电池模块安装有1主1备共两路100W电加热器，加热器由星上自控加热软件根据设定的温度阈值进行自动控制。

采用TMG有限元热分析软件建立热分析模型进行稳态计算，对地影期（高温工况）和光照期（低温工况）进行热分析，地影期电池的最高温度可达18.7℃，光照期电池最低温度为－2.4℃，如图2和3所示，电池组热设计能够有效保证电池工作温度。

图2 地影期热分析结果Fig.2 Thermal analysis during eclipse season

图3 光照期热分析结果Fig.3 Thermal analysis during solstice season

对锂离子电池组在轨数据进行分析，光照期和地影期的温度变化范围如表1所示。在轨数据表明，南北蓄电池组地影期和长光照期期间蓄电池组温度变化范围均满足使用要求，同一蓄电池组不同温度遥测点最大温差小于2℃，满足小于5℃的要求。

表1 电池组温度变化范围Table 1 Temperature range of battery ℃

4 电池充放电管理和在轨验证

锂离子电池组与传统氢镍电池相比，充放电管理存在较大区别。锂离子电池采用恒流限压充电控制方法，与氢镍蓄电池的充电/放电（C/D）比控制不同；锂离子电池光照期进行搁置储存和补充充电，氢镍电池光照期进行浮充电管理。

为满足锂离子电池充放电管理需求，提高卫星在轨能源管理的自主性和灵活性，针对地球同步轨道长寿命卫星的使用场景，设计了具备在轨自主充放电功能的电源管理软件，各软件工作模式通过星上遥测判据自主切换，各主要控制阈值均可根据寿命期间电池在轨性能表现灵活可调。本文针对DFH－4平台应用需求，提出的电源在轨充放电管理策略如下（图4）。

1）光照期

光照期蓄电池组蓄电池处于搁置状态，当电池组电压达到下限阈值时，软件自动发送充电指令，蓄电池组以小电流恒流充电，当电池组电压达到上限阈值时，蓄电池组停止充电。

2）地影期前准备

由光照期进入地影季前，通过地面遥控指令，更改补充充电模式相关判据，提高补充充电终止电压，为进入地影期做准备。

3）地影期

进入地影期后，蓄电池组正常进行充放电循环，软件自主完成进出影检测和充放电管理。蓄电池组采用恒流限压充电控制方法。

4）光照期前准备

地影结束前，通过地面遥控指令，更改大电流充电模式相关判据，降低大电流充电终止电压，为进入光照期做准备。地影季结束后，软件检测蓄电池组放电工作后一段时间未放电，自主启动蓄电池组搁置模式，并更改蓄电池组温控阈值为长光照期阈值。

对蓄电池组在轨数据分析，电池组电压在光照期和地影期变化规律如图5所示。对在轨能源管理情况分析结果表明，电池组电压变化规律与预期结果相符，在轨电源管理软件工作正常。

图4 锂离子电池组在轨管理示意图Fig.4 Diagram of on－orbit management for lithium－ion battery

图5 光照期和地影期蓄电池组电压和充电电流变化曲线Fig.5 Curve of battery voltage and charge current during solstice and eclipse season

5 电池在轨均衡策略和在轨验证

目前不同平台高轨卫星采用不同的均衡策略，本文针对DFH－4平台应用需求，提出一种全新的分散式模块化线性均衡管理技术，采用完全自主的全硬件均衡控制方案，不依赖星载软件，简化了控制复杂程度。

该均衡方式的原理如下：均衡装置采集单体电压与设定电压进行比较，在充电过程中当单体电压越高分流电流就越大，从而达到各个单体电压均衡的目的。各个均衡器工作相对独立，单体与单体之间不进行电压比较。

对南北蓄电池组各20个单体电压遥测进行分析，验证该线性均衡策略的有效性。蓄电池组在光照期搁置期间，由于单体自放电存在差异性，导致蓄电池组单体电压之间的离散程度逐渐增加，表2为蓄电池组单体压差变化情况，从表中可知，南北蓄电池组单体最大压差在127天光照期搁置期间分别增加了21mV和29mV，最大压差变成39mV和32mV，进入地影期后，蓄电池组经历充放电循环，充电过程中当单体电压超过阈值电压时，均衡功能启动，电压越高，均衡电流越大。图6和图7分别为南北蓄电池组均衡前后单体电压变化情况，在第二次均衡结束后，单体最大压差达到5mV（见表2），均衡效果明显，均衡策略满足在轨使用要求。

表2 均衡前后电池单体最大压差变化情况Table 2 Maximum cell voltage difference before and after balancing operation mV

图6 均衡前后北电池单体电压Fig.6 Cell voltage of north battery before and after balancing operation

图7 均衡前后南电池单体电压Fig.7 Cell voltage of south battery before and after balancing operation

6 电池电压输出特性分析和在轨验证

蓄电池组电压是表征电池组工作特性的关键指标，电池放电终压是指电池放电结束转充电前电池电压，放电终压与地影时长、负载情况、电池容量和在轨年限有关，通过对地影期期间放电终压进行分析，能够得到蓄电池组在轨工作裕度和性能衰降规律。

SLIM（SAFT Li－ion Model）是一款用于锂离子电池方案设计和性能分析的软件，该软件能够根据蓄电池组工作条件、配置情况计算出蓄电池组地影季放电终止电压、分点期间蓄电池组充放电电流和电压等工作特性［9］。本文根据DFH－4平台蓄电池组配置情况，利用SLIM软件分析蓄电池组电压输出曲线，并与在轨数据进行对比分析，从而验证蓄电池组在轨输出特性。

首先对分点期间蓄电池组充放电电流和电压进行分析，在轨数据如图8所示，从图中可知，放电结束后，南北蓄电池组轮流大电流充电，当电池组电压达到阈值电压时，电池组转入恒流限压充电模式，充电电流逐档减小，直到电流变成0，转入另外一组电池恒流限压充电，当两组电池恒流限压充电结束时，电池转入暂停模式，充电电流设置为0。

图8 2016年春分点蓄电池组电压和充电电流变化曲线Fig.8 Curve of battery voltage and charge current at 2016spring equinox

图9为2016年春分点蓄电池组输出电压和充电电流变化曲线（SLIM软件仿真结果），与图8中电池实际在轨曲线进行比对，不考虑轮流充电的影响（SLIM软件只能模拟连续充电模式），蓄电池电压和充电电流实际在轨曲线和预期值相符，电池工作正常。

图9 2016年春分点蓄电池组电压和充电电流变化曲线Fig.9 Curve of battery voltage and charge current at 2016spring equinox

对蓄电池组地影期放电终止电压变化规律进行分析，图10为2016年春分地影期蓄电池组放电终止电压输出曲线，蓝色线为SLIM软件仿真结果，最长地影日放电终止电压为74.50V，红色线为蓄电池电压实际在轨输出结果，最长地影日放电终止电压为74.65V，预计值和实际值仅相差0.15V，误差小于1%，蓄电池组电压输出特性与预期值相符，电池工作正常。

图10 2016年春分地影期蓄电池组放电终止电压输出曲线Fig.10 EODV of battery during 2016spring equinox eclipse season

7 结论

本文介绍了锂离子电池在DFH－4平台的应用特点，并结合在轨数据，对某卫星锂离子电池能源管理情况、单体一致性、温度特性和均衡功能进行分析，分析结果表明：地影期电池的最高温度可达18.7℃，光照期电池最低温度为－2.4℃，电池组热设计能够有效保证电池工作温度；采用线性均衡策略，在第二次均衡结束后，单体最大压差小于5mV，均衡效果明显，均衡策略满足在轨使用要求；在轨能源管理工作正常，蓄电池组放电终止电压预计值和实际值误差小于1%，蓄电池组电压输出特性与预期值相符，电池工作正常。

通过在DFH－4平台上应用锂离子电池，供配电分系统的质量和体积将进一步减小，整星的功率水平得到较大提高，有效地提高了系统的载干比，降低了发射成本，从而提高了卫星的经济效益。目前该锂离子电池应用方案已推广到DFH－4平台多颗卫星中，其在轨成功应用，可为后续卫星研制工作提供参考和借鉴。

（

）

［1］魏强、廖瑛、李红林，等.锂离子蓄电池在DFH－4平台上的应用研究［J］.航天器工程，2013，22（6）：69－75 Wei Qiang，Liao Ying，Li Honglin，et al.Research of Lithium－ion battery applied in DFH－4platform［J］.Spacecraft Engineering，2013，22（6）：69－75（in Chinese）

［2］谭玲生、罗萍、韩立明，等.锂离子电池在XW－1卫星上的应用［C］//2011年小卫星技术交流会.北京：航天东方红卫星有限公司，2011：31－34 Tan Lingsheng，Luo Ping，Han Liming，et al.Lithiumion battery for XW－1satellite.The space application of lithium－ion battery technology［C］//2011Moonlet Technology Seminar.Beijing：Dongfanghong Areospace Satellite Ltd.，Co.，2011：31－34（in Chinese）

［3］Patel M R.Spacecraft power systems［M］.Florida：CRC，2005

［4］吴仕明，杨晨，戴宝嘉，等.锂离子蓄电池技术在空间领域的应用［C］//2011年小卫星技术交流会.北京：航天东方红卫星有限公司，2011：63－67 Wu Shiming，Yang Chen，Dai Baojia，et al.The space application of lithium－ion battery technology［C］//2011 Moonlet Technology Seminar.Beijing：Dongfanghong Areospace Satellite Ltd.，Co.，2011：63－67（in Chinese）

［5］安晓雨，谭玲生.空间飞行器用锂离子蓄电池储能电源的研究进展［J］.电源技术，2006，30（1）：70－73 An Xiaoyu，Tan Lingsheng.Development of lithium－ion batteries as new power sources for space application［J］.Chinese Journal of Power Sources，2006，30（1）：70－73（in Chinese）

［6］韩立明，谭玲生，刘浩杰.锂离子电池在航天领域的应用［J］.电子元器件资讯，2008，11：63－65 Han Liming，Tan Lingsheng，Liu Haojie.lithium－ion batteries for spacecraft application［J］.ECDN，2008，11：63－65（in Chinese）

［7］Patrick Mattesco，Philippe Peiro，Vijay Thakur，et al.Overview and in－orbit behavior of the first lithium－ion batteries used onboard eutelsat W3AGEO telecommunications satellite［C］//9th European Space Power Conference.Paris：ESA，2011：183－189

［8］Sanchez L.3P10Selectrical performance analysis，SAFT S0466－13［R］.Paris：SAFT，2013

［9］Borthomieu Y，Prevot D.SLIM battery modeling features［C］//9th European Space Power Conference.Paris：ESA，2011：261－266

（编辑：张小琳）

Flight Experience of Lithium－ion Battery Applied on DFH－4Platform

LI Honglin YU Wentao HUANG Zhi WEI Qiang
（Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

The application of lithium－ion battery on DFH－4platform will reduce the electrical power subsystem mass and volume，enhance platform capability and increase economy.Lithiumion battery have different performances from Ni－H2battery.In order to reduce the application risk，the article analyzes the temperature control method，charge and discharge management and balance strategy.The article introduces the application solution of lithium－ion batteries applied on DFH－4platform.By using in－orbit telemetry，this article analyzes battery management results，battery flight performance，temperature characteristics，cell－voltage consistency and balance function.The results can be as reference for the follow－on DFH－4platform.

DFH－4platform；lithium－ion battery；flight experience；application analysis

V423.44

A

10.3969/j.issn.1673－8748.2016.05.009

2016－07－15；

2016－09－01

李红林，男，高级工程师，从事卫星电总体设计工作。Email：hexi1@sohu.com。