東四增強衛(wèi)星平臺鋰電池地面模擬試驗設計

張斯明，孫天逸，李紅林，劉邦衛(wèi)，謝 華

(1.中國空間技術研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094；2.天津空間電源科技有限公司，天津 300384)

鋰離子蓄電池組作為第三代航天用儲能電源，與第一代和第二代電池相比具有質(zhì)量與體積比能量高的優(yōu)點，適用于載荷比高的衛(wèi)星平臺。在整星AIT 試驗階段，鋰離子蓄電池組的充放電試驗一直是關鍵試驗，鋰電池的安全充電方法也是衛(wèi)星測試工作者研究的重要課題。

東四增強衛(wèi)星平臺使用新一代PCU-NG 作為電源控制裝置，使用大容量鋰離子蓄電池組作為儲能裝置后，對地面試驗系統(tǒng)功能提出了更高的要求。新一代PCU-NG 控制下的鋰電池充電方法與東四衛(wèi)星平臺能源管理軟件控制下的鋰電池充電方法有很大不同。本文設計了東四增強衛(wèi)星平臺鋰電池地面模擬試驗方法，研制了一套新的地面試驗系統(tǒng)，其目的是在整星AIT 試驗階段對鋰離子蓄電池組進行全面的性能測試，對新一代PCU-NG 控制下的鋰電池充電方法和特點進行充分研究。

1 地面模擬系統(tǒng)的設計

1.1 模擬系統(tǒng)組成及功能

試驗前設計構建一套地面測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備集成化、通用化、智能化、網(wǎng)絡化等特點，系統(tǒng)組成及功能包括以下幾部分：

(1)太陽翼模擬器，用于模擬太陽翼輸出，為整星負載供電，同時為蓄電池組充電提供能量?？稍O置不同的供電曲線，模擬典型工況下太陽翼輸出。在軌典型工況包括：壽命初期分點、壽命末期分點、壽命初期至點、壽命末期至點。

(2)供電監(jiān)控器，負責整星供電通斷控制，信號調(diào)理、匹配、隔離，通過臍帶電纜和SADA 工藝電纜對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行高速采集和實時監(jiān)控，將所有數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡實時上傳給測試軟件。供電監(jiān)控器采用模塊化設計，可根據(jù)整星供電需求選取適應的模塊，以實現(xiàn)設備通用化。

(3)監(jiān)控軟件負責遠程監(jiān)控地面設備，實時監(jiān)測母線電壓、蓄電池組狀態(tài)等參數(shù)，適用于遠程監(jiān)控、無人值守等情況，軟件采用BS(Browser/Server)架構設計實現(xiàn)，不需要在用戶的計算機上安裝，只需在服務器上部署，用戶計算機只需安裝瀏覽器即可訪問。軟件具備頁面可配置特性，應用在部署后，用戶可自行定義及制作應用顯示頁面，軟件配置更加靈活便捷。

東四增強平臺鋰電池地面模擬試驗系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 鋰電池地面模擬試驗系統(tǒng)組成框圖

1.2 太陽電池陣模擬設計

根據(jù)整星功率需求選擇太陽翼模擬器并設計分陣輸出功率曲線。在軌太陽翼最大功率輸出出現(xiàn)在壽命初期分點。典型的DFH-4E 平臺南北各配置16 個分陣，根據(jù)整星功率需求，選用16 臺Agilent E4360A 太陽翼模擬器模擬太陽電池陣輸出，輸出功率可達到16 000 W，輸出電壓為0～130 V，輸出電流為0～10 A。太陽翼模擬器工作曲線如圖2 所示，U為衛(wèi)星母線電壓，Isc為太陽翼模擬器輸出短路電流，Voc為太陽翼模擬器輸出開路電壓，Imp為太陽翼模擬器最佳工作點電流，Vmp為太陽翼模擬器最佳工作點電壓[1]。

圖2 太陽翼模擬器工作曲線

設計太陽翼模擬器輸出曲線時應考慮所選模擬器輸出能力，開路電壓和短路電流設置必須低于模擬器最大輸出電壓和電流，工作點電壓計算時還需考慮供電通路損耗(包括線纜損耗、接觸電阻)。依據(jù)式(1)和(2)設計典型工況下太陽翼輸出曲線：

式中：P為整星功率需求；n為分陣數(shù)量；R為供電通路等效電阻。

1.3 兩種充電控制策略對比分析

高軌衛(wèi)星鋰離子蓄電池組充電控制策略主要有兩種：傳統(tǒng)PCU 加能源軟件控制的充電策略和新一代電源控制器(PCU-NG)控制的充電策略，兩種充電控制方式對比如圖3 所示。傳統(tǒng)DFH-4 平臺鋰離子蓄電池組充電采用能源軟件控制的10 檔位階梯式減檔(Taper)充電方法，恒流段以預先設定的充電電流充電，蓄電池組電壓逐漸升高，直至達到充電終止電壓，能源軟件檢測到三次達到充電終止電壓后，以C/100的級差逐級減小充電電流。而DFH-4E 平臺鋰離子蓄電池組采用PCU-NG 自主控制的恒流限壓充電方法，充電過程分為恒流段和恒壓段兩部分，如圖3 所示。圖中V0為蓄電池組初始電壓，VEOC為蓄電池組充電終止電壓，ICH為恒流段充電電流。在恒流段PCU-NG 按照預先設定的充電電流進行恒流充電，蓄電池組電壓逐漸升高，當PCU-NG 檢測到南(北)蓄電池組電壓達到充電終止電壓時，逐漸減小南(北)蓄電池組充電電流，隨著充電電流減小，蓄電池電壓也會隨之減小，PCUNG 檢測到蓄電池實際電壓達不到充電終止電壓就會增大充電電流，因此在恒壓段，充電電流在振蕩變化的過程中逐漸減小，維持電壓基本不變，直至充電電流減小為0[2]。基于新型PCU-NG 的鋰離子蓄電池組充電方法不依賴于能源管理軟件進行充電過程控制，而是完全由PCU-NG 自主控制，降低了軟件設計復雜度，同時在恒壓段的控制策略上明顯優(yōu)于10 檔位充電控制方式。

圖3 兩種充電控制方式對比

1.4 鋰離子蓄電池組充電模擬設計

地影季，鋰離子蓄電池組進入充放電循環(huán)，星上能源管理軟件進行蓄電池組在軌充放電管理，軟件檢測到衛(wèi)星進影后將自主設置充電電流、充電終止電壓，同時進行放電容量累積和蓄電池組容量計算。衛(wèi)星出影后當太陽翼輸出功率不足以滿足負載需求時由太陽翼和蓄電池組聯(lián)合供電；當光照面積逐漸增大，太陽翼輸出功率也隨之增大，在優(yōu)先滿足負載需求的前提下為蓄電池組提供部分充電功率，此時充電電流小于預設值，當太陽翼輸出功率足夠大，可同時滿足負載需求并提供足夠大的充電電流給蓄電池組時，蓄電池組將以預設的充電電流進行大電流充電，充電過程由新一代電源控制器(PCU-NG)按照恒流限壓充電方式控制。能源軟件自主完成故障檢測及處理，同時軟件具備過壓保護、過溫保護、過流保護等功能，當軟件檢測到蓄電池狀態(tài)異常將發(fā)送充電電流清零指令停止充電。

地面進行模擬試驗時由太陽翼模擬器為整星負載供電，同時提供充電功率，模擬蓄電池組在軌充電過程，充電前需要根據(jù)所需充電電流大小、充電時母線負載電流等計算出整星所需功率，從而選取適當?shù)墓╇娗€。鋰電池進行充放電需要在適宜溫度下進行，溫度控制可由星上熱控軟件自主完成，蓄電池組加熱器采用主備，地面試驗過程中要根據(jù)鋰離子蓄電池組充放電或擱置等需求設置電池的控溫閾值，充放電試驗前設置蓄電池組控溫閾值，保證蓄電池組在適宜溫度(10～30 ℃)進行充放電循環(huán)，充電結束后蓄電池組可在0 ℃左右低溫狀態(tài)下擱置。鋰離子蓄電池組單體之間溫度差大可能導致單體自放電率差異大，從而導致單體壓差逐漸增大，因此鋰離子蓄電池組在使用過程中溫差不應超過5 ℃。鋰電池在使用過程中嚴禁低溫大電流充電，充電電流過大可能導致極片析鋰，引發(fā)電池微短路或短路失效[3-4]。不同溫度下允許的最大充電電流It見圖4。

圖4 不同溫度下允許的最大充電電流

從地影季鋰電池充放電循環(huán)控制方式可以看出蓄電池組充電電流ICH與太陽翼輸出電流ISAS、母線負載電流IL0、蓄電池組電壓UBat、蓄電池溫度等因素有關，在蓄電池組充電過程中，地面測試系統(tǒng)可實時采集每個分陣模擬器輸出電壓、電流，通過星上采集的太陽翼輸出電流ISAS、母線負載電流IL0、蓄電池組電壓UBat、充電電流ICH等遙測參數(shù)，計算功率需求。在進行充電試驗前需要根據(jù)式(3)、(4)、(5)估算出整星功率需求，以調(diào)用適當?shù)墓╇娗€：

式中：ICH0為充放電調(diào)節(jié)模塊輸入電流(母線側(cè))；η為充放電調(diào)節(jié)模塊充電效率；It為當前溫度下最大允許充電電流；IL為整星負載電流(BCDR 輸出電流)；IS為分流電流。

1.5 鋰離子蓄電池組放電模擬設計

衛(wèi)星在軌最長放電時間出現(xiàn)在兩分點前后，地面模擬試驗需考慮最惡劣的情況，即滿載的情況下衛(wèi)星由太陽翼供電轉(zhuǎn)為蓄電池組供電，在放電結束時，衛(wèi)星出現(xiàn)姿態(tài)異常的情況。在最惡劣的情況下，最長放電時間不超過72 min。72 min地影放電試驗是考察蓄電池性能的一項關鍵試驗，在放電結束時蓄電池組放電深度不應超過80%。蓄電池組功率輸出電連接器導線有最大工作電流的限制，并按照Ⅰ級降額使用，PCU-NG 內(nèi)部每個BCDR 模塊有最大放電電流要求，因此蓄電池組嚴禁過流放電。地面測試軟件具備自動監(jiān)控判讀功能，一旦出現(xiàn)電池過流放電(放電電流超過100 A)、過溫(溫度超出10～30 ℃)、過放電(放電深度超出80%)等異常立即自主轉(zhuǎn)為太陽翼模擬器供電。地面軟件監(jiān)控流程如圖5所示。

圖5 地面軟件監(jiān)控流程

2 模擬試驗

試驗充分模擬在軌工況，按照地影季鋰離子蓄電池組充電和最惡劣條件下鋰電池放電工況設計試驗。試驗在熱真空罐內(nèi)進行，試驗過程中蓄電池組溫度控制均按照實際在軌工況執(zhí)行，以充分檢驗蓄電池組性能，模擬在軌工況。

2.1 充電試驗

能源軟件控制的10 檔位充電過程包括兩個階段：第一階段是南北蓄電池組輪流充電階段，充電電流為13.5 A；第二階段是10 檔位Taper充電階段，首先達到充電終止電壓的電池組先進行Taper充電，充電電流以每個檔位C/100遞減，另一組蓄電池則停止充電，一組蓄電池充滿后再換另一組進行10 檔位Taper 充電。能源軟件控制的10 檔位充電試驗曲線如圖6 所示。從試驗結果可以看出，這種輪流充電方法效率較低。

圖6 能源軟件控制的10檔位充電試驗曲線

采用PCU-NG 控制的Taper 充電過程也包括兩個階段：第一階段是恒流段，南北蓄電池組以6.75 A 充電電流同時充電，PCU-NG 內(nèi)部充放電控制模塊包括10 個子模塊(南北各5個)，每個BCDR 充電電流為1.35 A(充電電流設置值與實際值存在微小誤差)。當南(北)蓄電池組電壓達到充電終止電壓時，充電電流將振蕩減小，維持蓄電池電壓不變。采用PCUNG 控制的Taper 充電試驗曲線如圖7 所示。鋰離子蓄電池組適宜小電流緩慢充電[5]，因此PCU-NG 控制的充電方法更適用于鋰離子蓄電池組充電。

圖7 采用PCU-NG 控制的Taper充電試驗曲線

2.2 地影放電試驗

72 min 地影放電前要先進行蓄電池組充電試驗，在蓄電池組荷電量不低于95%后擇機進行放電試驗。試驗前載荷全加電，整星功耗達到在軌最大值，蓄電池加熱器自主控溫，設置蓄電池組控溫閾值，確保蓄電池放電過程中溫度保持在10～30 ℃范圍內(nèi)。試驗過程中地面監(jiān)控軟件對蓄電池組參數(shù)進行記錄，隨時監(jiān)控蓄電池組狀態(tài)，計算蓄電池組容量、放電深度等重要參數(shù)72 min 地影放電試驗曲線如圖8 所示，蓄電池組放電深度為55%，試驗結果表明蓄電池組性能良好，滿足在軌使用要求。

圖8 72 min地影放電試驗曲線

3 結論

本文通過對東四增強平臺鋰離子蓄電池組地面模擬試驗方法的研究，設計了一套地面測試系統(tǒng)，研究了太陽翼模擬器輸出曲線計算方法，對兩種充電控制方式，充電試驗結果表明PCU-NG 控制的充電方法更適用于鋰離子蓄電池組充電。地影季充放電試驗方法可以推廣應用于后續(xù)東四增強平臺。