东四增强卫星平台锂电池地面模拟试验设计

张斯明，孙天逸，李红林，刘邦卫，谢 华

(1.中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094；2.天津空间电源科技有限公司，天津 300384)

锂离子蓄电池组作为第三代航天用储能电源，与第一代和第二代电池相比具有质量与体积比能量高的优点，适用于载荷比高的卫星平台。在整星AIT 试验阶段，锂离子蓄电池组的充放电试验一直是关键试验，锂电池的安全充电方法也是卫星测试工作者研究的重要课题。

东四增强卫星平台使用新一代PCU-NG 作为电源控制装置，使用大容量锂离子蓄电池组作为储能装置后，对地面试验系统功能提出了更高的要求。新一代PCU-NG 控制下的锂电池充电方法与东四卫星平台能源管理软件控制下的锂电池充电方法有很大不同。本文设计了东四增强卫星平台锂电池地面模拟试验方法，研制了一套新的地面试验系统，其目的是在整星AIT 试验阶段对锂离子蓄电池组进行全面的性能测试，对新一代PCU-NG 控制下的锂电池充电方法和特点进行充分研究。

1 地面模拟系统的设计

1.1 模拟系统组成及功能

试验前设计构建一套地面测试系统，该系统具备集成化、通用化、智能化、网络化等特点，系统组成及功能包括以下几部分：

(1)太阳翼模拟器，用于模拟太阳翼输出，为整星负载供电，同时为蓄电池组充电提供能量。可设置不同的供电曲线，模拟典型工况下太阳翼输出。在轨典型工况包括：寿命初期分点、寿命末期分点、寿命初期至点、寿命末期至点。

(2)供电监控器，负责整星供电通断控制，信号调理、匹配、隔离，通过脐带电缆和SADA 工艺电缆对卫星数据进行高速采集和实时监控，将所有数据通过网络实时上传给测试软件。供电监控器采用模块化设计，可根据整星供电需求选取适应的模块，以实现设备通用化。

(3)监控软件负责远程监控地面设备，实时监测母线电压、蓄电池组状态等参数，适用于远程监控、无人值守等情况，软件采用BS(Browser/Server)架构设计实现，不需要在用户的计算机上安装，只需在服务器上部署，用户计算机只需安装浏览器即可访问。软件具备页面可配置特性，应用在部署后，用户可自行定义及制作应用显示页面，软件配置更加灵活便捷。

东四增强平台锂电池地面模拟试验系统组成框图如图1所示。

图1 锂电池地面模拟试验系统组成框图

1.2 太阳电池阵模拟设计

根据整星功率需求选择太阳翼模拟器并设计分阵输出功率曲线。在轨太阳翼最大功率输出出现在寿命初期分点。典型的DFH-4E 平台南北各配置16 个分阵，根据整星功率需求，选用16 台Agilent E4360A 太阳翼模拟器模拟太阳电池阵输出，输出功率可达到16 000 W，输出电压为0～130 V，输出电流为0～10 A。太阳翼模拟器工作曲线如图2 所示，U为卫星母线电压，Isc为太阳翼模拟器输出短路电流，Voc为太阳翼模拟器输出开路电压，Imp为太阳翼模拟器最佳工作点电流，Vmp为太阳翼模拟器最佳工作点电压[1]。

图2 太阳翼模拟器工作曲线

设计太阳翼模拟器输出曲线时应考虑所选模拟器输出能力，开路电压和短路电流设置必须低于模拟器最大输出电压和电流，工作点电压计算时还需考虑供电通路损耗(包括线缆损耗、接触电阻)。依据式(1)和(2)设计典型工况下太阳翼输出曲线：

式中：P为整星功率需求；n为分阵数量；R为供电通路等效电阻。

1.3 两种充电控制策略对比分析

高轨卫星锂离子蓄电池组充电控制策略主要有两种：传统PCU 加能源软件控制的充电策略和新一代电源控制器(PCU-NG)控制的充电策略，两种充电控制方式对比如图3 所示。传统DFH-4 平台锂离子蓄电池组充电采用能源软件控制的10 档位阶梯式减档(Taper)充电方法，恒流段以预先设定的充电电流充电，蓄电池组电压逐渐升高，直至达到充电终止电压，能源软件检测到三次达到充电终止电压后，以C/100的级差逐级减小充电电流。而DFH-4E 平台锂离子蓄电池组采用PCU-NG 自主控制的恒流限压充电方法，充电过程分为恒流段和恒压段两部分，如图3 所示。图中V0为蓄电池组初始电压，VEOC为蓄电池组充电终止电压，ICH为恒流段充电电流。在恒流段PCU-NG 按照预先设定的充电电流进行恒流充电，蓄电池组电压逐渐升高，当PCU-NG 检测到南(北)蓄电池组电压达到充电终止电压时，逐渐减小南(北)蓄电池组充电电流，随着充电电流减小，蓄电池电压也会随之减小，PCUNG 检测到蓄电池实际电压达不到充电终止电压就会增大充电电流，因此在恒压段，充电电流在振荡变化的过程中逐渐减小，维持电压基本不变，直至充电电流减小为0[2]。基于新型PCU-NG 的锂离子蓄电池组充电方法不依赖于能源管理软件进行充电过程控制，而是完全由PCU-NG 自主控制，降低了软件设计复杂度，同时在恒压段的控制策略上明显优于10 档位充电控制方式。

图3 两种充电控制方式对比

1.4 锂离子蓄电池组充电模拟设计

地影季，锂离子蓄电池组进入充放电循环，星上能源管理软件进行蓄电池组在轨充放电管理，软件检测到卫星进影后将自主设置充电电流、充电终止电压，同时进行放电容量累积和蓄电池组容量计算。卫星出影后当太阳翼输出功率不足以满足负载需求时由太阳翼和蓄电池组联合供电；当光照面积逐渐增大，太阳翼输出功率也随之增大，在优先满足负载需求的前提下为蓄电池组提供部分充电功率，此时充电电流小于预设值，当太阳翼输出功率足够大，可同时满足负载需求并提供足够大的充电电流给蓄电池组时，蓄电池组将以预设的充电电流进行大电流充电，充电过程由新一代电源控制器(PCU-NG)按照恒流限压充电方式控制。能源软件自主完成故障检测及处理，同时软件具备过压保护、过温保护、过流保护等功能，当软件检测到蓄电池状态异常将发送充电电流清零指令停止充电。

地面进行模拟试验时由太阳翼模拟器为整星负载供电，同时提供充电功率，模拟蓄电池组在轨充电过程，充电前需要根据所需充电电流大小、充电时母线负载电流等计算出整星所需功率，从而选取适当的供电曲线。锂电池进行充放电需要在适宜温度下进行，温度控制可由星上热控软件自主完成，蓄电池组加热器采用主备，地面试验过程中要根据锂离子蓄电池组充放电或搁置等需求设置电池的控温阈值，充放电试验前设置蓄电池组控温阈值，保证蓄电池组在适宜温度(10～30 ℃)进行充放电循环，充电结束后蓄电池组可在0 ℃左右低温状态下搁置。锂离子蓄电池组单体之间温度差大可能导致单体自放电率差异大，从而导致单体压差逐渐增大，因此锂离子蓄电池组在使用过程中温差不应超过5 ℃。锂电池在使用过程中严禁低温大电流充电，充电电流过大可能导致极片析锂，引发电池微短路或短路失效[3-4]。不同温度下允许的最大充电电流It见图4。

图4 不同温度下允许的最大充电电流

从地影季锂电池充放电循环控制方式可以看出蓄电池组充电电流ICH与太阳翼输出电流ISAS、母线负载电流IL0、蓄电池组电压UBat、蓄电池温度等因素有关，在蓄电池组充电过程中，地面测试系统可实时采集每个分阵模拟器输出电压、电流，通过星上采集的太阳翼输出电流ISAS、母线负载电流IL0、蓄电池组电压UBat、充电电流ICH等遥测参数，计算功率需求。在进行充电试验前需要根据式(3)、(4)、(5)估算出整星功率需求，以调用适当的供电曲线：

式中：ICH0为充放电调节模块输入电流(母线侧)；η为充放电调节模块充电效率；It为当前温度下最大允许充电电流；IL为整星负载电流(BCDR 输出电流)；IS为分流电流。

1.5 锂离子蓄电池组放电模拟设计

卫星在轨最长放电时间出现在两分点前后，地面模拟试验需考虑最恶劣的情况，即满载的情况下卫星由太阳翼供电转为蓄电池组供电，在放电结束时，卫星出现姿态异常的情况。在最恶劣的情况下，最长放电时间不超过72 min。72 min地影放电试验是考察蓄电池性能的一项关键试验，在放电结束时蓄电池组放电深度不应超过80%。蓄电池组功率输出电连接器导线有最大工作电流的限制，并按照Ⅰ级降额使用，PCU-NG 内部每个BCDR 模块有最大放电电流要求，因此蓄电池组严禁过流放电。地面测试软件具备自动监控判读功能，一旦出现电池过流放电(放电电流超过100 A)、过温(温度超出10～30 ℃)、过放电(放电深度超出80%)等异常立即自主转为太阳翼模拟器供电。地面软件监控流程如图5所示。

图5 地面软件监控流程

2 模拟试验

试验充分模拟在轨工况，按照地影季锂离子蓄电池组充电和最恶劣条件下锂电池放电工况设计试验。试验在热真空罐内进行，试验过程中蓄电池组温度控制均按照实际在轨工况执行，以充分检验蓄电池组性能，模拟在轨工况。

2.1 充电试验

能源软件控制的10 档位充电过程包括两个阶段：第一阶段是南北蓄电池组轮流充电阶段，充电电流为13.5 A；第二阶段是10 档位Taper充电阶段，首先达到充电终止电压的电池组先进行Taper充电，充电电流以每个档位C/100递减，另一组蓄电池则停止充电，一组蓄电池充满后再换另一组进行10 档位Taper 充电。能源软件控制的10 档位充电试验曲线如图6 所示。从试验结果可以看出，这种轮流充电方法效率较低。

图6 能源软件控制的10档位充电试验曲线

采用PCU-NG 控制的Taper 充电过程也包括两个阶段：第一阶段是恒流段，南北蓄电池组以6.75 A 充电电流同时充电，PCU-NG 内部充放电控制模块包括10 个子模块(南北各5个)，每个BCDR 充电电流为1.35 A(充电电流设置值与实际值存在微小误差)。当南(北)蓄电池组电压达到充电终止电压时，充电电流将振荡减小，维持蓄电池电压不变。采用PCUNG 控制的Taper 充电试验曲线如图7 所示。锂离子蓄电池组适宜小电流缓慢充电[5]，因此PCU-NG 控制的充电方法更适用于锂离子蓄电池组充电。

图7 采用PCU-NG 控制的Taper充电试验曲线

2.2 地影放电试验

72 min 地影放电前要先进行蓄电池组充电试验，在蓄电池组荷电量不低于95%后择机进行放电试验。试验前载荷全加电，整星功耗达到在轨最大值，蓄电池加热器自主控温，设置蓄电池组控温阈值，确保蓄电池放电过程中温度保持在10～30 ℃范围内。试验过程中地面监控软件对蓄电池组参数进行记录，随时监控蓄电池组状态，计算蓄电池组容量、放电深度等重要参数72 min 地影放电试验曲线如图8 所示，蓄电池组放电深度为55%，试验结果表明蓄电池组性能良好，满足在轨使用要求。

图8 72 min地影放电试验曲线

3 结论

本文通过对东四增强平台锂离子蓄电池组地面模拟试验方法的研究，设计了一套地面测试系统，研究了太阳翼模拟器输出曲线计算方法，对两种充电控制方式，充电试验结果表明PCU-NG 控制的充电方法更适用于锂离子蓄电池组充电。地影季充放电试验方法可以推广应用于后续东四增强平台。