锂离子蓄电池组在轨遥测数据分析与寿命预计

张文芳，邹恒光，姜垚先，贠 磊，王铁民

(1.中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部，北京 100094；2.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384)

随着卫星技术的发展，有效载荷越来越复杂，对应的有效载荷系统功耗增大、质量增加，需要电源系统在满足卫星长寿命高可靠要求的同时，进一步提高卫星的供电能力，减轻卫星平台的质量。

锂离子蓄电池组由于具有比能量高、自放电小、可并联使用、无记忆效应等优点，已逐渐替代氢镍蓄电池组成为卫星新一代储能电源。以GEO 卫星为例，卫星每年要经历两个地影季，每个地影季44 天。地影季内，最长地影1.16 h 不受光照，需要蓄电池组为卫星供电。相对于氢镍电池，锂离子蓄电池组质量比能量提高近一倍，即输出功率提高60%的情况下，锂离子蓄电池组的质量仅为氢镍蓄电池组的80%，可见锂电池应用于高轨卫星可在大幅提升输出功率的同时大大减轻电源系统质量，进而提高卫星的载干比，提升高轨卫星的综合能力[1-2]，因此锂离子蓄电池在卫星电源领域取得了广泛应用。本文对锂离子蓄电池的在轨性能进行分析，并对其在轨工作寿命进行预计。

1 锂离子蓄电池在轨管理策略

为确保锂离子蓄电池组满足卫星长寿命要求，必须对锂离子蓄电池进行有效管理[3]，确保其在最佳的状态下工作。以某GEO 轨道卫星为例，卫星配置南、北两组国产135 Ah 锂离子蓄电池，每组由3 并20 串45 Ah 电池单体组成。针对该锂离子蓄电池组制定的在轨管理策略主要包括如下方面。

(1)充电电流的确定

按照GEO 卫星运行周期，地影季锂离子蓄电池组每24 h进行一次充放电循环，放电时间最长为1.16 h(放电深度最大为80%)。较小的充电电流有利于电池的长寿命性能，采用0.1C(13.5 A)的充电电流轮流充电即可确保在24 h 内完成充放电循环，满足充电要求。因此，充电电流采用0.1C电流轮流充电。

(2)充电截止电压的确定

锂离子单体电池充电截止电压超过4.2 V 将对电池寿命产生明显不利的影响。寿命初期采用较低的充电截止电压，充电限压值确定在4.05 V，寿命末期可以通过提高电池的充电截止电压延长电池组的寿命，充电限压值可设定在4.1～4.2 V。

(3)充电方式

锂离子蓄电池组在轨运行采用恒流+限压充电方式(图1)，两组电池采用5 min/5 min 轮流充电方式。蓄电池组先用恒定电流0.1C充电，充电至单体电池电压达到设定值4.05 V时，转为限压充电，此时充电电流以步长0.01C(1.35 A)逐步降低，当充电电流降到0.01C，停止充电。

图1 恒流限压充电方式电压电流变化

(4)在轨光照季的管理策略

锂离子蓄电池组在全光照季一般处于不工作状态，通过合理的在轨管理可以减少锂离子蓄电池组在搁置状态下的性能衰降。锂离子蓄电池组在满荷电态下储存，电池能量衰降最明显；储存环境温度越高，电池能量衰降越大。因此确定蓄电池组的荷电量需维持在60%～80%，对应的单体电池电压为3.7～3.9 V，蓄电池组温度应在－5～+15 ℃，光照季温控阈值设计为0～4 ℃。

光照季，当单体电池电压低于3.7 V 时，以0.02C为蓄电池组补充充电；当单体电池电压高于3.9 V 时，停止为蓄电池组补充充电。

(5)在轨地影季的管理策略[4]

地影季，蓄电池组每天都会经历地影并放电，出影后将蓄电池组充电至100%荷电量后停止充电，工作温度在10～30 ℃，地影季温控阈值设计为12～16 ℃。

地影季结束后，蓄电池组连续48 h 不放电，则星上软件自动将电池由地影季管理切换为长光照季管理。蓄电池组温控阈值跟随光照/地影期标志自主切换。

锂离子蓄电池组在轨管理及单体电池电压变化如图2 所示，其中搁置模式为蓄电池组处于光照季不工作状态，补充充电模式为光照季电池以0.02C(2.7 A)充电的状态，暂停模式为蓄电池组处于地影季不工作状态，放电模式即蓄电池组放电为卫星提供能源，充电模式即蓄电池组以0.1C电流进行充电。

图2 锂离子蓄电池在轨工作模式及电压变化示意图

光照季蓄电池组在搁置模式与补充充电模式间切换，地影季蓄电池组在放电模式、充电模式、暂停模式间切换。

(6)均衡控制策略

均衡策略的基本原理是将充电电压高的电池分流一部分电流，逐步使充电电压低的电池充满电，达到同步的目的。

地影季蓄电池组要进行充放电循环，为避免电池荷电量不一致对电池性能产生不利影响，将电池压差控制在较小范围内，光照季蓄电池组处于搁置状态，单体电池压差可适当放宽。

地影季，当单体电池间电压差超过上限阈值(25 mV)启动均衡，电压差低于下限阈值(10 mV)时，停止均衡。

光照季，当单体电池间电压差超过上限阈值(50 mV)启动均衡，电压差低于下限阈值(25 mV)时，停止均衡。

由于锂离子蓄电池组需要严格控制过放电，均衡仅在充电过程进行。蓄电池组均衡判据阈值跟随光照/地影期标志自主切换。

(7)过充电保护策略

在蓄电池充电过程中，监视整组电压、电池温度、充电电流，星上软件对蓄电池组实施过(电压、温度、电流)充电保护。

(a)电压过充保护

蓄电池组大电流充电或补充充电过程中，当蓄电池组电压大于设定值84 V 时，则停止对该组蓄电池进行充电。过压保护后，当蓄电池组电压低于设定值80 V 时，恢复对该蓄电池组充电。

(b)温度过充保护

充电过程中，蓄电池组温度＞35 ℃，则停止对该组蓄电池进行充电。过温保护后，若蓄电池组温度＜25 ℃，则恢复对该组电池充电。

充电过程中，若蓄电池组温度＜0 ℃，则停止对该组蓄电池进行充电。欠温保护后，若蓄电池组温度＞2 ℃，则恢复对该组电池充电。

(c)电流过充保护

充电过程中，蓄电池组充电电流上限在不同蓄电池组温度下对应如图3 所示，当充电电流超过上限时，则发送指令降低充电电流，设置蓄电池组充电电流为该温度下的缺省值。为便于蓄电池组在轨管理，设定不同温度下的充电电流缺省值，如表1 所示。

图3 不同温度下蓄电池组充电电流限制曲线

表1 不同工作温度下蓄电池组充电电流缺省值

(8)过放电保护策略

当锂离子蓄电池组在轨放电深度超过80%时，需要卫星视情况关闭部分载荷，降低星上负载功率，以确保蓄电池组不会发生过放电。

2 锂离子蓄电池在轨性能分析与寿命预计

2.1 锂离子蓄电池组在轨充放电性能分析

锂离子蓄电池在轨运行阶段电池电压及充电电流变化如图4 所示，可见蓄电池组长光照季及地影季工作模式与预期一致，电池电压变化趋势与预期一致。在轨未发生锂离子蓄电池过压、过温及欠温保护。

图4 锂离子蓄电池组在轨工作电压及充电电流变化曲线

图4 中有两点需要说明，注1 处蓄电池组地影季充电电流值低于上一个地影季。针对电源控制器充电调节模块在轨可能出现单粒子翻转导致的充电电流跳变为默认值12 A的问题，由于该卫星在轨充电电流遥测正常值范围为0～14 A，因此一旦在轨出现该问题，地面很难及时发现，有可能导致蓄电池组持续大电流充电而发生过充电。为使地面能够快速识别该问题，考虑锂离子蓄电池组在轨功率余量较大，放电深度较小，因此在经过第一个地影季后将蓄电池组默认的大电流充电电流值由13.5 A 调整为10 A，在轨正常值范围调整为0～10.5 A，从而在满足锂离子蓄电池组在轨充电需求的同时，地面监视系统可以快速识别单粒子翻转导致的充电电流异常问题，确保地面可以及时处置，通过地面发送遥控指令恢复至原正常状态。针对上述问题，建议后续卫星改进软件设计，管理策略增加蓄电池组在暂停模式和搁置模式下充电电流异常识别及处置功能，暂停模式和搁置模式下蓄电池组处于不工作状态，当检测到充电电流异常增大时，软件可将充电电流置为0，以防止过充电。

注2 处蓄电池电压未按照光照季工作模式电压变化，是由于卫星进入月影，电池组放电，出影后蓄电池组充电至单体电压4.05 V，即满荷电态，因此蓄电池组电压超出光照季电池电压上限，蓄电池组工作正常。

以某地影日为例，蓄电池组电压和充电电流变化如图5所示，可见进入地影后蓄电池组放电，电池电压逐渐降低，出影后以0.1C(13.5 A)电流为两组蓄电池轮流充电，当某组蓄电池单体电压达到4.05 V 后，对该组电池连续充电，每当检测到该组单体电压达到4.05 V 时则以0.01C(1.35 A)步长减小充电电流，直至充电电流降为0，而后对另一组电池连续大电流充电，重复恒流限压充电过程，从而完成两组蓄电池的充电，与设计状态一致。

图5 地影日蓄电池组电压及充电电流变化曲线

月影日蓄电池组电压及充电电流变化曲线如图6 所示。图中红色框内可以看出，卫星出月影后对蓄电池组进行大电流充电，充电电流增大后又迅速减小，而后维持该充电电流为两组电池轮流充电。这是因为光照季蓄电池组温控阈值为0～4 ℃，电池温度一般处于0～4 ℃范围内，进入月影后蓄电池组温控阈值切换为地影季阈值12～14 ℃，蓄电池组加热器启动，但由于月影时间较短，卫星出影时蓄电池组温度未达到10 ℃，当对电池组进行10 A 充电时，发生电流过充保护，将蓄电池组充电电流设置为缺省值0.02C(2.7 A)。当以2.7 A电流轮流充电至某组蓄电池单体电压达到4.05 V 后，转为对该组电池连续充电，即限压减档充电，但从蓝色框内可以看出充电电流并未从当前值进行减档充电，而是突然增大，而后逐步减档充电电流。从而导致电流突然增大时蓄电池组电压出现短暂上冲，单体电压均超过预设的上限值，不利于电池长寿命使用。

图6 月影日蓄电池组电压及充电电流变化曲线

针对以上现象，提出两条管理策略改进建议：

(1)建议后续在轨阶段，月影到来前，提前将蓄电池组温控阈值切换为地影季阈值，即将蓄电池组加热至12 ℃以上，确保进影后不会发生电流过充保护，出影后也不会发生电压上冲的现象。

(2)出影后电压上冲是由于星上软件预设的十档充电电流为固定值，导致单体电压达到4.05 V 后未从2.7 A 开始减档，而是从预设的第一档电流开始减档。建议后续软件设计改进，进行电流减档的限压充电时，从当前充电电流值逐渐减小至0，避免电压上冲。

2.2 锂离子电池电压离散性与在轨均衡情况分析

图7 为锂电池20 节单体电压的变化曲线，对在轨阶段单体电池电压遥测进行统计分析，可得单体最大压差只有8 mV，表明蓄电池组单体电池一致性较好，单体压差始终低于地影季和光照季的均衡启控阈值，因此从未启动均衡。

图7 单体电池电压变化曲线

通过查询国产锂电池和引进锂电池在轨单体电压遥测数据，统计电池组经历第一个长光照季之前和之后单体电压压差，如表2 所示。国产锂蓄电池的单体电池电压差较小，且经历一个光照季后的单体电池离散性小于引进锂电池，表明国产锂蓄电池的单体电池一致性优于引进电池。

表2 国产与进口电池单体电池电压离散性分析 mV

通过对光照季前(出地影季后某固定时间点)单体电池压差及光照季后(进地影季前某固定时间点)单体电池压差进行统计，见表3，可以看出锂离子蓄电池组每次光照季后较光照季前单体压差增大不超过3 mV，在轨经历5 个光照季后，单体电池最大压差为6 mV，且单体电池电压离散性未见增大趋势，单体电池一致性较好。

表3 锂离子蓄电池离散性变化趋势分析 mV

2.3 锂离子电池温度情况分析

锂蓄电池组利用每个电池的套筒结构传递热量，电池所对应的卫星侧壁安装位置粘贴OSR 片散热。在电池组的安装板上埋热管，每个电池上都装有主、备加热片，在电池处于低温时给蓄电池组加热[5]。

在轨每组锂电池均有多个温度测点以监视电池组温度变化，并要求同一电池组内电池温差不超过5 ℃，从而保证不同单体电池放电的均衡性。

锂电池组在轨温度变化曲线见图8，电池组温度特性如表4 所示，可见地影季和长光照季期间蓄电池组温度变化范围均满足使用要求，且不同温度遥测点温差小于5 ℃。

图8 蓄电池组在轨温度

表4 锂离子蓄电池在轨工作温度 ℃

图9 为某春分点蓄电池组温度变化曲线，加热器接通时蓄电池组温度上升，加热器断开时蓄电池组温度下降，在轨遥测数据表明锂离子电池加热器温控措施有效，锂电池工作温度正常。

图9 春分点蓄电池组温度

2.4 锂离子蓄电池在轨寿命预计

图10 为锂离子蓄电池组电压的在轨遥测数据曲线，通过对锂离子电池电压变化趋势对锂离子电池的寿命性能进行预计。

图10 锂电池组在轨遥测电压曲线

GEO 卫星在轨每半年经历一个地影季，以地影季为横坐标，根据电池组在轨共5 个地影季的最低放电电压遥测拟合出每个地影季最低放电电压随地影季的变化曲线，如图11 所示。从图中电池组电压变化趋势可以预计，在卫星经过30 个地影季后，电池组最低放电电压为69.02 V，表明锂离子蓄电池组可以满足卫星15 年以上的寿命要求。

图11 锂离子蓄电池组电压变化趋势

3 结论

本文根据锂离子蓄电池特性，以高轨卫星为例，给出了锂离子蓄电池组的在轨管理策略。通过对锂离子蓄电池组在轨遥测数据分析表明，锂离子蓄电池组在轨管理策略合理有效，蓄电池组在轨充放电性能稳定，温控情况、均衡情况及单体电池离散性良好。并根据锂离子蓄电池组电压变化趋势对电池组在轨寿命进行了预计，结果表明，锂离子蓄电池可以满足卫星在轨15 年以上的寿命要求。