GEO锂离子蓄电池组在轨性能评估

刘 鹏，章 玄，侯 睿，盛北飞，贺奉平

(中国空间技术研究院，北京 100094)

锂离子蓄电池组具有比能量高和自放电小等优点，已经被广泛应用于空间电源领域。目前，采用锂离子蓄电池组作为储能电源的卫星已有数百颗[1-5]。

作为星上贮能装置，在卫星临射前、主动段飞行期间、转移轨道及同步轨道地影及太阳电池阵输出功率不足时，锂离子蓄电池组为卫星提供所需能量。迄今为止，空间应用的锂离子电池仍存在低温时内阻过大等问题[6]。在长期充放电过程中，为了防止锂离子蓄电池组单体容量离散性的扩大，在GEO 轨道运行的长寿命卫星锂离子蓄电池组一般设计有均衡管理功能[7]。

随着锂离子蓄电池组在空间型号上应用数量快速增长，分析锂离子蓄电池组在轨运行数据，对其在轨性能进行快速评估、掌握在轨运行趋势、更有力保障大功率、长寿命供电安全需求和提升改进后续产品等工作具有十分重要意义[8-10]。

本文结合锂离子蓄电池组工作原理，分析某型号卫星锂离子蓄电池在轨数据，聚焦锂离子蓄电池组压差变化、均衡效果、充放电循环电压变化趋势。数据研究表明，锂离子蓄电池组在轨期间，旁路保护动作未启动，性能良好，工作正常。

1 锂离子蓄电池组工作原理

在轨道光照期，太阳电池阵通过电源控制器给锂离子蓄电池组充电，锂离子电池将电能转换为化学能储存起来，地影期由锂离子蓄电池组通过电源控制器为星上负载供电，将化学能转换为电能。锂离子电池正极活性物质是锂化合物，负极活性物质为碳材料，其充放电反应实际是通过锂在正负极材料之间的嵌入和脱嵌完成的。

2 在轨管理

2.1 均衡管理

锂离子蓄电池存在自放电现象，电池的自放电会导致其电压缓慢下降。由于同一蓄电池组中单体电池的自放电电流不尽相同，从而使得蓄电池组在长期储存或循环过程中各单体电池的电压出现差异。对于锂离子蓄电池来说其电压直接反映荷电态，那么蓄电池组中自放电电流大的那只电池，容量保持率低，从而制约整个蓄电池组的能量发挥。为此，蓄电池组在使用过程中需要进行均衡管理，以减小蓄电池组中单体之间的电压差异，保证蓄电池组能量的正常输出。

蓄电池组配置均衡管理装置，可对蓄电池组进行均衡。蓄电池组在充电过程中，当检测到蓄电池组内单体电池电压超过均衡启动阈值时，均衡管理装置启动均衡分流电路为蓄电池组进行均衡处理；当检测到蓄电池组内单体电池电压低于均衡启动阈值，均衡管理装置自动关闭分流电路，停止蓄电池组均衡。

2.2 失效管理

锂离子蓄电池组在有一节电池失效（开路、容量严重衰降损失或短路）时，仍要求其能保证正常的能量输出，这就需要一种装置可以把失效电池单元从整个电池组中有效隔离出去，从而保证失效电池不会引起故障扩散。

旁路保护装置可以实现对锂离子蓄电池组中性能严重衰降或者失效的电池单元的旁路切除功能，在整个过程中保证蓄电池组供电的连续性。具体功能如下：

1）防止蓄电池组中个别单体（或者并联单元）开路而导致整个蓄电池组的开路；

2）通过地面遥控指令或者自动动作来进行电池并联单元的切除（旁路），防止由于个别电池并联单元的严重衰降而影响整星的供电；

3）防止滥用条件下的安全事故的发生。

当均衡管理装置检测到电池电压超过单体失效电压上限或电池电压低于单体失效电压下限时，将提供一个驱动电流，启动旁路保护装置的旁路开关将失效电池从蓄电池组中切换出去，母线电流从旁路保护装置的旁路开关中通过，防止电池故障扩散。

3 锂离子蓄电池组在轨性能评估

本文对锂离子蓄电池组在轨数据进行分析，分别从蓄电池组单体压差变化、自放电和日历衰降等指标评估蓄电池组在轨性能。

3.1 压差变化

蓄电池组单体电压均衡曲线如图1 所示。

图1 蓄电池组单体电压均衡曲线

图1 所示，2016 年2 月19 日，地影期前，蓄电池组单体电压＜V1，不满足均衡启动条件，其中，V1为均衡启动阈值；2016年2 月24 日，地影期前，蓄电池组单体电压＞V1，满足均衡启动条件，蓄电池组开始均衡，单体间最大电压差约为41 mV；2016 年3 月3 日，地影季，蓄电池组充放电第五周期，蓄电池组单体电压＞V1，满足均衡启动条件，蓄电池组继续均衡，单体最大电压差约为6 mV。

均衡间隔时间不同的均衡过程电压变化记录的截图见图2 和图3。

图2 所示，2016 年2 月24 日，蓄电池组开始第1 次均衡。2016 年9 月1 日，蓄电池组开始第2 次均衡。均衡间隔时间为两个地影季间隔，约为186 d 15 h。

图2 第一次均衡蓄电池组单体电压变化记录截图（均衡间隔186 d）

图3 所示，2016 年9 月1 日，蓄电池组第2 次开始均衡。2017 年2 月27 日，蓄电池组第3 次开始均衡。均衡间隔时间为两个地影季间隔，约为178 d 23 h。

图3 第二次均衡蓄电池组单体电压变化记录截图（均衡间隔178 d）

另外，蓄电池组无单体失效，蓄电池组旁路保护装置未启动。

12 个地影期均衡前蓄电池组单体最大压差变化如图4 所示。

图4 12个地影期均衡前蓄电池组单体最大电压差曲线

图4 所示，随着时间的变化，地影期均衡前蓄电池组单体最大电压差在0.027～0.037 V 范围，最大电压差的波动趋于稳定。

3.2 自放电

长光照期的放电电流是蓄电池组自放电电流和与蓄电池组连接电子电路的漏电电流两部分之和，我们计算了不同光照期放电电流，分析了放电电流变化规律。

蓄电池组补充充电时电压变化数据见图5。

图5 蓄电池组补充充电电压变化曲线

如图5 所示，蓄电池组从76.11 V 增加到79.74 V，补充充电间隔逐渐减小，2020 年比2015 年减少了约1.5 h 时；充电容量也逐渐减小，2020 年比2015 年减少了约1.77 Ah。其中，76.11 V 为补充充电启动电压，79.74 V 为补充充电截止电压。

蓄电池组自放电情况见图6。

如图6 所示，蓄电池组自放电降低相同电压区间，从79.74 V 降低到76.11 V，2020 年自放电时间比2015 年自放电时间减少了约12 h。考虑内阻增大等因素，随着时间的变化，蓄电池组自放电降低相同电压区间耗时逐渐减少。

图6 蓄电池组自放电电压曲线

蓄电池组在补充充电过程中伴随着自放电，统计各光照周期的充电时间、充电电流和放电时间，根据能量守恒，补充充电期间的充电容量和补充充电加自放电期间的放电容量相等，计算蓄电池组的自放电电流。蓄电池组的自放电电流如图7 所示。

图7 不同光照周期蓄电池组自放电电流

如图7 所示，随着时间的变化，蓄电池组自放电电流逐渐减小，从0.119 7 A 减小到0.118 9 A，自放电电流趋于稳定。

3.3 日历衰降

随着时间的变化，蓄电池组的压差变化趋势稳定，自放电电流变化趋势稳定。在长光照期充电过程，根据自放电电流和充电时间得到充电期间的自放电容量，计算对应电压在76.11～79.74 V 区间的充电容量。根据蓄电池组电压与荷电态的对应关系，计算对应的荷电状态及变化值，进而得到不同光照周期的蓄电池组容量。在长光照期放电过程，计算对应的自放电电压差变化率。

蓄电池组电压和荷电态(SOC)的对应关系如图8 所示。

图8 电池组电压和荷电态(SOC)的对应关系

蓄电池组容量和压差变化率如表1 和图9 所示。

图9 不同光照期压差变化和蓄电池组容量

表1 中，随着时间的变化，放电间隔逐渐减小，从289.85 h减少到278.00 h；压差变化逐渐增加，从300.57 mV/d 增加到313.38 mV/d。随着时间的变化，充电间隔逐渐减小，从29.53 h 减小到28.03 h；充电容量逐渐减小，从31.17 Ah 减小到29.81 Ah；蓄电池组容量也逐渐减小，从初期的135.50 Ah 减小到第10 个光照期的129.59 Ah。长光照期蓄电池组放电的压差变化部分表征蓄电池组的容量衰降。

表1 蓄电池组充电容量和压差变化

如图9 所示，红色曲线表示压差变化，蓝色曲线表示蓄电池组容量。随着时间的变化，压差变化率逐渐增加，蓄电池组容量逐渐减小，长光照期蓄电池组放电的压差变化部分表征蓄电池组的容量衰降。

根据前10 个光照期数据拟合蓄电池组压差变化和蓄电池组容量曲线，拟合曲线和实测的第11 和12 个周期的数据如图10 所示。

图10 不同光照期压差变化和蓄电池组容量拟合曲线

如图所示，绿色曲线表示实测压差变化，绿色虚线表示拟合压差变化，紫色曲线表示预测压差变化。实测蓝色曲线表示蓄电池组容量，蓝色虚线表示拟合蓄电池组容量，红色蓝线表示预测蓄电池组容量。随着运行时间的增加，蓄电池组压差变化逐渐增加，与拟合曲线趋势一致，第11 和12 个周期压差变化运行数据略低于拟合曲线数据。随着运行时间的增加，蓄电池组容量逐渐减小，与拟合曲线趋势一致，第11和12 个周期的蓄电池组容量运行数据略高于拟合曲线数据。可以通过拟合曲线预测未来长光照期的压差变化和蓄电池组容量，通过运行数据修正拟合曲线，直观地反应蓄电池组的在轨工作性能。考虑第2 个光照期之后蓄电池组容量曲线比较平稳，根据第9～12 个光照期的容量衰降趋势，得到第30个光照期即寿命后期的容量预测数据约为126.52 Ah。

4 结论

本文结合锂离子蓄电池组的工作原理，通过分析锂离子蓄电池在轨数据，重点分析了锂离子蓄电池组的蓄电池组压差变化、自放电和日历衰降等指标。随着时间的变化，蓄电池组的压差变化趋势稳定，放电电流变化趋势稳定。压差变化逐渐增加，蓄电池组容量逐渐减小，长光照期蓄电池组放电的压差变化部分表征蓄电池组的容量衰降。通过拟合曲线预测未来长光照期的压差变化和蓄电池组容量，用运行数据修正拟合曲线，可以直观地反应蓄电池组在轨工作性能，可以对性能进行快速评估，能够及时掌握蓄电池组在轨性能变化趋势，为大功率、长寿命的供电安全提供有力保障。