高轨卫星锂离子蓄电池组自主管理系统设计

崔波 陈世杰 李旭丽 朱立颖

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)



高轨卫星锂离子蓄电池组自主管理系统设计

崔波 陈世杰 李旭丽 朱立颖

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

针对高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理问题，文章在分析锂离子蓄电池组特性及在轨使用需求的基础上，提出了锂离子蓄电池组自主管理系统的设计，并在某高轨卫星上进行了验证。根据在轨数据，从工作模式转换、充放电管理、均衡管理、搁置管理等方面对管理系统的验证情况进行总结。提出的自主管理系统可为后续高轨卫星锂离子蓄电池组自主管理系统的设计提供参考。

锂离子蓄电池组；自主管理设计；在轨验证

1 引言

锂离子蓄电池作为新一代的空间储能装置，相比于传统的镉镍蓄电池组和氢镍蓄电池组，具有比能量高、自放电小、充放电效率高等优点[1]，在国外的高轨卫星上已经得到了广泛应用[2]，仅以法国SAFT公司为例，截至目前，发射入轨的卫星安装锂离子蓄电池组已有350组，总瓦时数超过200万。

锂离子蓄电池组在充放电管理、长光照期搁置管理等方面，相对于以往蓄电池组存在很多的不同[3]，特别是在高轨航天器上的应用更是如此。国外在这方面已经累积了大量的工程经验，相应的控制策略、计算分析模型等都已经相当成熟[4]。国内高轨卫星应用的锂离子蓄电池组目前处于起步阶段[5]，陆续有采用锂离子蓄电池组的卫星发射，但蓄电池组在轨管理系统方面研究还较少，相应的在轨验证数据也还比较缺乏。本文在充分考虑锂离子蓄电池组特性及在轨使用要求的基础上，提出高轨卫星锂离子蓄电池组自主管理系统，介绍了该管理系统设计中重点考虑的因素及在设计中采取的应对措施，并结合实际的在轨数据对具体的验证情况进行了说明。

2 高轨卫星锂离子蓄电池组管理系统需求分析

在进行高轨卫星上的锂离子蓄电池组管理系统设计时，要结合锂离子蓄电池组的特点，充分考虑高轨相关的环境因素对电池的影响，在保障航天器稳定安全运行的同时尽量减小电池组的衰降。

2.1 地影时间及次数对蓄电池组的影响

高轨卫星由于其轨道特点，地影时间较长，但整个寿命期内的地影次数较少。以地球同步轨道(GEO)为例，每年在春分、秋分前后两个地影季，总地影次数约为92次，最长地影约为72 min。按照在轨12年工作考虑，整个寿命期的总地影次数为1104次。与之相比，通常的低轨卫星的地影长度都在30 min左右，全寿命期的地影次数动辄上万次。更少的充放电循环次数决定了蓄电池组可以采用更大放电深度的工作制度，通常设计时保证在寿命末期一节单体失效条件下放电深度不大于80%，即可保证蓄电池组在全寿命期内的供电能力满足卫星需求。

同时，对于高轨卫星而言，在同一个运行周期内，充电时间十分充裕。以GEO为例，最长地影72 min，轨道周期约24 h，充电时间与放电时间的比值最小也有19倍左右。充裕的充电时间决定了高轨卫星可以采用更小的充电电流完成蓄电池组充电，这样，一方面可以避免大电流充电导致的蓄电池组容量的损失，另一方面也可以降低充电对太阳电池阵功率的需求，同时减小充电调节器的规模。

在工作温度方面，参考锂离子蓄电池组的特点，在地影季宜采取20 ℃左右的温度以保障蓄电池组获得最佳的充放电性能。特别要避免低温条件下的大电流充电，在低温下充电时锂离子难以嵌入负极而相对较易从负极中脱出，低温充电中极化增大易导致金属锂在电极表面沉积，沉积的金属锂与电解液发生反应后的产物覆盖在负极表面，致使固体电解质中间相膜(SEI)增厚，进而导致电池组性能衰降[3]。

2.2 长光照期搁置对蓄电池组的影响

除了每年两次的地影季和偶尔出现的月影以外，高轨卫星通常都工作在太阳电池阵供电状态。在长光照期，虽然蓄电池组不参与供电，但对于锂离子蓄电池组来讲，搁置同样会导致电池组的容量衰降。对于高轨卫星的锂离子蓄电池组，由于充放电循环使用导致的容量衰降与由于搁置导致的容量衰降处于相同的量级。

蓄电池组的搁置荷电态、搁置温度都对其搁置期的衰降速度有显著影响，在相对较低的环境温度下，采用半荷电态进行搁置，蓄电池组的容量衰降速率可以得到显著的改善。但对于实际的应用而言，在长光照期蓄电池组也承担着卫星应急供电确保安全的功能，搁置的荷电态需要在蓄电池组的衰降和卫星的应急供电需求间寻求平衡。

此外，在搁置期蓄电池组实际并不是工作在完全的开路状态，与其连接的充放电调节器、均衡管理器等设备，都可能导致蓄电池组的小电流持续放电。由于搁置时间很长，这些小电流放电，可能会对蓄电池组的搁置荷电态、单体荷电态的均衡度等产生影响。

3 高轨卫星锂离子蓄电池组自主管理系统的设计

3.1 蓄电池组分模式管理

针对高轨卫星蓄电池组的工作特点，单一的管理模式无法同时满足地影季蓄电池组充放电和长光照期蓄电池组搁置对管理条件的需求，分模式的管理成为了设计的首选。

针对地影季蓄电池组的充放电工作条件，设计对应的地影季模式：控制蓄电池组工作在更高的温度(10～30 ℃)，以利于蓄电池组的充放电；在每次地影放电后将蓄电池组充电至满荷电态，确保蓄电池组在地影期有足够的能量保证卫星的正常工作。针对长光照期的搁置需求，设计对应的长光照期模式：将蓄电池组工作温度控制在较低范围(0～10 ℃)，同时将荷电状态保持在半荷电态，确保电池组的搁置衰降在可接受范围内。

两种模式间需要在星上自主完成切换，切换控制方面采用蓄电池组的放电电流作为控制信号。在地影季模式下，若连续24 h没有监测到蓄电池组放电，则认为卫星进入了长光照期，控制模式切换为长光照期模式，按照长光照管理模式完成相关管理项配置；在长光照期模式下，若连续6 min监测到蓄电池组放电，则认为卫星进入了地影季，控制模式切换为地影季模式，按照地影季管理模式完成相关管理项配置。模式切换的流程如图1所示。

采用放电电流作为模式切换信号的设计，其原理简单可靠，同时在卫星出现故障导致蓄电池组放电时，能源管理系统也能自动切换到地影季模式，将蓄电池组调整到正常使用时的工作状态。但采用放电电流也有其相应的缺点，主要是模式切换有一定的迟滞，即在第一个地影到来后才会完成切换。

3.2 充电调节器的设计

相比镉镍蓄电池组、氢镍蓄电池组的多阶段充电制度不同，锂离子蓄电池组通常都需要采用恒流-恒压充电模式[6]。即在蓄电池组容量较少时，采用恒流充电的模式；当蓄电池组电压达到恒压点后，改为控制蓄电池组端口电压，充电电流按指数趋势逐渐下降直至将蓄电池组充满[7]。

为同时满足寿命初期、末期及蓄电池组由单体失效模式下的不同充电需求，设计了一种16个恒流电流档位、16个恒压电压档位的充电调节器。电压电流档位依靠电源控制器的下位机进行切换，同时为了考虑下位机的可靠性可能对充电功能的影响，设计了一个硬件电流档和一个硬件电压档，在下位机失效的情况下可以使用硬件档完成充电工作。

为保证恒流-恒压充电控制电路的可靠性，该电路在设备内部采用了“三取二表决”的设计方式，任何一路失效都不会对蓄电池组的充电造成影响。相比于采用星务软件实现的恒流-恒压充电方式，本文介绍的设计方案即便在上位机、下位机工作失效的情况下，仍然可以保证蓄电池组的正常充放电，具有更好的可靠性和故障适应能力。

3.3 自主均衡管理系统的设计及应用

虽然电池组在进行组装时，都会进行筛选以尽量保持单体间性能的一致性。但随着锂离子蓄电池组的在轨长期使用，单体间仍然会由于自身性能或使用环境的差异，逐渐地产生性能离散[8]。同时，为了对蓄电池组各单体的状态进行监测，还需要引入电压测量电路，而它的引入则会加速这一离散过程。这种离散如果恶化到一定程度，则可能会导致性能较差的单体在电池组充放电过程中发生过充或者过放，直至相应的单体容量迅速衰降乃至损坏。为了确保电池组能够满足整个寿命期内的性能要求，通常高轨卫星的蓄电池组都需要配置相应的均衡管理系统完成电池组的均衡操作。

均衡管理从其操作的时机来讲，可以分为充电均衡、放电均衡、搁置期均衡；按均衡的原理也可以分为能量传递、能量耗散等方式[9]。就均衡时机而言，对于高轨卫星，在搁置期蓄电池组长期处于不充电不放电的状态，此时进行均衡操作不仅时间充裕，电压测量电路也不受充放电的影响，因此可以作为优选的方案；按均衡的原理，耗散型的均衡电路简单可靠，同时高轨卫星对均衡操作的时间限制并不严格，因此耗散电流也可以设计得较小，相应的设备质量、热耗等也都可以有效得到控制。

以某高轨卫星为例，其采用了通断单体对应的分流电阻的耗散型均衡方案，并将均衡时机选择在蓄电池组的搁置期。其基本策略为：选取电池组内电压最低的单体电池，将其他单体的电压依次与该单体电压相比，若电压差大于均衡开关接通阈值(设置为0.06 V，可调整)，则接通均衡开关直至电压差小于均衡开关断开阈值(设置为0.01 V，可调整)。在实际的操作中，考虑到均衡设备发热的问题，设计了同时可接通开关的上限，当均衡开关接通数量达到上限时，还尚未进行均衡的单体保留在等待队列中，待前序单体的操作完成后再进入均衡状态。

由于该方案采用蓄电池组单体电压的遥测值来进行均衡操作，避免由于遥测电路故障导致的误操作就尤为重要。主要采取的措施包括：①对单体电压遥测的合理性进行自动判断，如果某个单体电压遥测值明显偏低于搁置状态电压值，则在进行均衡时剔除该单体；②均衡管理器设计单体组合电压的遥测(例如，在测量单体1、2、3电压的同时，还测量了单体1～3的组合电压)，通过各单体电压遥测值之和与对应组合电压遥测值的差值判断均衡管理器的健康状态，若测量差值超过阈值，则不进行均衡管理操作。

3.4 长光照期的蓄电池组搁置管理

搁置期的衰降对高轨卫星的锂离子蓄电池组的影响非常显著[10]，表1为在不同搁置温度及不同荷电态(SOC)下，根据某型空间应用锂离子蓄电池单体的地面搁置试验的结果推至12年，电池组容量相比搁置前的变化。

表1 不同荷电态不同温度搁置12年容量衰降Table 1 Capacity loss after 12 years storage at different SOC and temperature

从数据可以看出，与半荷电态搁置相比，高荷电态下和放电态下搁置，蓄电池组的容量衰减更大；与10℃搁置相比，20℃条件下搁置的容量衰降也明显更大。相对设计规范规定的电池组额定容量10%的设计裕度而言，搁置衰降的影响在电池组的使用中占了很大的比例。

搁置容量的选取，除了考虑蓄电池组的衰降以外，还须考虑卫星在出现故障时的应急处理的时间。如果在轨出现太阳电池阵无法供电的故障(例如卫星姿态失控，太阳电池阵无法对太阳定向)，将转入蓄电池组供电的工作模式，若搁置容量过低则可能由于没有足够的应急处理时间导致卫星掉电。

在进入长光照期模式时，需要将电池组调整至搁置荷电态。具体的操作策略通常有两种：第一种为在最后几个地影调整充电终压，出地影后直接将蓄电池组仅充电至目标荷电态；第二种为正常完成电池组充电，在确认进入长光照期后通过放电设备完成电池组荷电态调整。第一种方法直接调整电池到目标荷电态，但其实现须要对地影结束时间进行预测，对月影等偶发事件导致的模式切换适应性也不强；第二种方法的缺点是须要对电池进行放电，操作时间较长且对电池组单体测量的精度依赖程度较大。

在某高轨卫星上，实际采用了第二种方案。在进入长光照期后，通过均衡管理器的单体电能耗散功能，将已经充满电的蓄电池组荷电态调整至80%。该操作对电池组所有单体进行放电，直至其单体电压变为3.95 V。这一操作除了实现了半荷电态搁置功能，实际上还对蓄电池组完成了一次均衡调整，这对于电池组的运行也有一定好处。

4 在轨验证情况

4.1 地影模式与长光照模式间的切换

在某高轨卫星实际的在轨运行中，选取了15 ℃作为地影季的控温中心点，选取了5 ℃作为长光照期的控温中心点。虽然选择20 ℃可能对于蓄电池组的工作性能更为有利，但是在进行蓄电池组热控设计还需要兼顾高低温差带来的控温措施的代价。过高的温度差，意味着在长光照期需要更大的散热面积和地影季更高的控温加热功耗，因此实际的选择中需要在两者之间寻求平衡。

图2为该高轨卫星在进入地影季时，第一个地影前后的放电、充电及蓄电池组温度变化情况。从图2中可以看到，蓄电池组放电后卫星迅速转入地影季模式，蓄电池组温度迅速上升，出影后卫星按照地影季的充电倍率(4 A左右，电池组容量为75 Ah)完成蓄电池组充电。

4.2 充电调节器

充电档位选择，根据轨道充电时间充裕的特点，某高轨卫星选取了4 A的恒流电流档位；充电电压档位选取，选取了对应单体4.05 V(电池组89.1 V)的档位，其一个放电-充电周期的典型情况如图3所示。

从图3中可以看到，在地影期内随着蓄电池组放电，蓄电池组的电压逐渐下降。在卫星出影后，蓄电池组开始恒流充电(4 A左右)，充电电压逐渐上升至恒压点后，蓄电池组电压转为恒定，充电电流呈指数下降，电池组电压将持续保持恒定状态，直至蓄电池组下次进入地影。

4.3 自主均衡管理系统

进行均衡操作的时机，由于进入搁置期时进行半荷电态处理时已经实际完成了一次均衡，因此可选取每次进入地影前的半个月左右，视电池组的电压离散程度决定是否开展均衡管理。

目前，某高轨卫星已在轨运行近1年的时间，图4为卫星某一组蓄电池组在一个长光照周期内的单体最高电压与最低电压差值间的变化，从图4中可以看到整个搁置期电池组的离散度有所上升(图中的电压差存在周期性变化，这是由于同样容量差异在不同的电压段表现出的电压差不同所致)，最大电压差最终达到0.018 V左右，距离确定的启动自主均衡管理的0.06 V的电压差阈值还有较大距离。因此，目前某卫星在轨还未就自主均衡功能进行过验证，但根据地面测试结果，采用在长光照期通过通断单体对应的分流电阻的耗散型均衡方案，在高轨卫星上是可行的。

4.4 长光照期的蓄电池组搁置情况

在某高轨卫星的应用中，选择的搁置策略为在进入长光照期模式之后，一方面将控制电池组的荷电状态至80%以下，同时充电调节器的恒压档位调至最低，停止对蓄电池组的补充充电； 另一方面将蓄电池组的控温阈值调低至5 ℃左右。

在搁置期内，当蓄电池组的容量下降至60%左右时，即调高充电档位对蓄电池组补充充电至其容量恢复至80%左右。由于容量在长光照期不易实现检测，实际的控制采用单体的平均电压作为信号源，采用了3.80 V的阈值对应至容量60%，3.95 V的阈值对应容量80%。实际在轨的单体典型电压变化情况如图5所示。

从图5可以看出，补充充电的频率约维持在40天左右，在约135天的长光照期内仅需要进行3次补充充电。更少的充电次数，也减少了在较低温度下补充充电对电池性能造成的影响。在进行与蓄电池组相连的设备接口设计时，应在保证相关功能性能的前提下，尽量减小其导致的蓄电池组功耗，避免造成电池组在搁置期过于频繁的补充充电，导致蓄电池组的额外损耗。

5 结束语

本文针对锂离子蓄电池组在高轨卫星上应用的特点，完成了其管理系统的设计，有效解决了锂离子蓄电池组充放电管理、长光照期搁置管理等问题。相关设计在某高轨卫星上得到了成功应用，蓄电池组在轨运行稳定。本文可供后续采用锂离子蓄电池组作为储能装置的高轨卫星研制时参考。

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(编辑：李多)

Self-management System Design for Lithium-ion Battery in High Orbit Satellite

CUI Bo CHEN Shijie LI Xuli ZHU Liying

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

The paper investigates the problems of management of lithium-ion batteries in China. Furthermore, the characteristics of lithium-ion battery and on-orbit requirements are analyzed. The self-management system of lithium-ion battery is designed and the verification is given on a high-orbit satellite. According to the in-orbit data, the verification of the management system is obtained, and the concluded situation are based on the work mode conversion, charge and discharge management, balanced management and shelving management. The self-management system proposed in the paper can provide the reference for the design of the self-management system of the lithium-ion battery of the high-orbit satellite.

lithium-ion batteries;self-management design;flight validation

2016-12-28；

2017-01-09

国家自然科学基金(51407008)

崔波，男，硕士，高级工程师，从事航天器供配电系统设计工作。Email：triton12@gmail.com。

423.44

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.010