基于新一代電源控制器的鋰電池在軌管理分析

張文爽，李 鍵，余文濤，王利然

(中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094)

電源系統(tǒng)負(fù)責(zé)航天器在軌運(yùn)行的能源供給，當(dāng)前主要采用“太陽(yáng)電池陣+蓄電池”的系統(tǒng)架構(gòu)，由太陽(yáng)電池陣提供一次能源，蓄電池組作為儲(chǔ)能裝置，二者通過(guò)電源控制器調(diào)節(jié)功率以產(chǎn)生穩(wěn)定的母線：當(dāng)太陽(yáng)電池陣能夠提供充足的功率，電源控制器可以控制對(duì)蓄電池組充電；當(dāng)太陽(yáng)電池陣輸出功率不足或地影期輸出為零時(shí)，電源控制器可以控制蓄電池組對(duì)母線放電[1-3]。

鋰離子蓄電池組具有質(zhì)量輕、體積小、單體工作電壓高、能量密度高、自放電電流小、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、相對(duì)無(wú)污染和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，已在航天器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到普遍應(yīng)用[3-4]。為了滿足衛(wèi)星在軌正常工作15 年以上的壽命指標(biāo)，需要對(duì)鋰離子蓄電池組進(jìn)行有效的管理。例如，過(guò)高或過(guò)低的空間環(huán)境溫度會(huì)嚴(yán)重削弱鋰離子蓄電池組工作性能；過(guò)充電也會(huì)降低鋰離子蓄電池組的工作壽命。采用健康合理的充電方式，不僅可以實(shí)現(xiàn)鋰離子蓄電池組的可靠充電，也有助于延長(zhǎng)其工作壽命。

GEO 衛(wèi)星運(yùn)行在地球同步軌道，每年在至點(diǎn)和分點(diǎn)附近存在兩個(gè)地影期、兩個(gè)全光照期。每個(gè)地影期持續(xù)90～92天，每天會(huì)有一次地影，需要蓄電池組為衛(wèi)星供電；在長(zhǎng)達(dá)9個(gè)月的全光照期內(nèi)，蓄電池組則處于擱置狀態(tài)。本文針對(duì)GEO 衛(wèi)星運(yùn)行的特點(diǎn)，對(duì)鋰離子蓄電池組的在軌管理策略進(jìn)行了分析，重點(diǎn)介紹了新型電源控制器的充電控制方式，依靠新型能源管理軟件實(shí)施對(duì)鋰離子蓄電池組全壽命周期的自主管理策略。在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)表明，新型的在軌管理方式保證了最大程度依照鋰離子蓄電池組的特性進(jìn)行自主恒流恒壓充電，實(shí)現(xiàn)了全壽命周期的蓄電池自主管理，在軌應(yīng)用狀態(tài)良好。

1 鋰離子蓄電池組應(yīng)用特性

由于化學(xué)特性不同，鋰離子蓄電池與氫鎳電池的在軌管理方式存在較大差異，在中高軌道衛(wèi)星平臺(tái)應(yīng)用時(shí)有以下特點(diǎn)：(1)鋰離子蓄電池采用TAPER 型(先恒流后恒壓)充電方式；(2)鋰離子蓄電池在光照期通常不需要進(jìn)行涓流充電；(3)鋰離子蓄電池嚴(yán)禁過(guò)充過(guò)放，通常需要對(duì)單體進(jìn)行均衡處理，來(lái)消除各單體之間的一致性差異。

1.1 地影期

GEO 衛(wèi)星運(yùn)行在地影期時(shí)，每天有一次地影，最長(zhǎng)地影時(shí)間為1.16 h。在地影區(qū)，衛(wèi)星負(fù)載由鋰離子蓄電池組供電，其余時(shí)間由太陽(yáng)電池陣供電并為蓄電池組充電。大功率長(zhǎng)壽命衛(wèi)星一般采用兩組鋰離子蓄電池組，其地影期充放電邏輯關(guān)系如圖1 所示。

圖1 充放電邏輯關(guān)系

兩組鋰離子蓄電池組充電，可以采用兩組交替充電或兩組同時(shí)充電的方案，具體的充電控制方式也有所區(qū)別。我國(guó)GEO 衛(wèi)星鋰離子蓄電池組充電控制一般采用“恒流+恒壓”的兩階段充電方式，而國(guó)外某衛(wèi)星型號(hào)鋰離子蓄電池組(X1)也采用了該方式，但略有不同的是在恒流充電階段采用階梯充電控制方式，如圖2 所示。

圖2 X1鋰離子蓄電池組地影期階梯充電控制原理

1.2 光照期

除地影期和少量的月影外，GEO 衛(wèi)星鋰離子蓄電池組在每年長(zhǎng)達(dá)9 個(gè)月的全光照期內(nèi)一般處于擱置狀態(tài)。鋰離子蓄電池在長(zhǎng)時(shí)間擱置期，其性能會(huì)發(fā)生一定程度的衰降。研究結(jié)果表明，鋰離子蓄電池組在高溫、高荷電狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間擱置，電池性能會(huì)發(fā)生明顯衰降；在低溫、低荷電狀態(tài)下擱置，電池性能衰降則會(huì)明顯減少。因此，采取合理的在軌管理策略可以有效地減緩鋰離子蓄電池組性能的衰降速率[5]。

2 GEO 衛(wèi)星鋰離子蓄電池組的在軌管理策略

2.1 在軌管理方式

新一代衛(wèi)星平臺(tái)中，鋰離子蓄電池組可自主完成在軌管理，包括充放電控制、均衡管理、溫度控制、過(guò)充過(guò)放保護(hù)和故障隔離。

在光照區(qū)，當(dāng)鋰離子蓄電池組未達(dá)到充電終壓時(shí)，由太陽(yáng)電池陣為鋰離子蓄電池組充電。光照期，衛(wèi)星依靠能源管理軟件和電源控制器對(duì)鋰離子蓄電池組在軌狀態(tài)進(jìn)行管理，鋰離子蓄電池組可滿足全光照期荷電狀態(tài)保持在70%～90%的擱置要求。

進(jìn)入地影季前，衛(wèi)星能源管理軟件自主完成充電終壓和控溫閾值的切換，當(dāng)GEO 衛(wèi)星運(yùn)行在地影區(qū)時(shí)，鋰離子蓄電池組放電，為星上負(fù)載供電；地影季期間，鋰離子蓄電池組根據(jù)軟件控制邏輯，在充電模式、放電模式和暫停模式之間切換，自主完成充放電管理；地影季結(jié)束后，充電終壓和控溫閾值切換為光照期控制閾值。

2.2 鋰離子蓄電池組充電控制方式

在光照區(qū)時(shí)，由太陽(yáng)電池陣為鋰離子蓄電池組充電。電源控制器負(fù)責(zé)對(duì)鋰離子蓄電池組在軌充放電進(jìn)行管理。新一代GEO 衛(wèi)星電源系統(tǒng)中，由于電源控制器進(jìn)行了換代升級(jí)，組成結(jié)構(gòu)和控制方式發(fā)生了變化，通過(guò)將BCR 電路和BDR 電路集成到一個(gè)充放電調(diào)節(jié)(BCDR)模塊中來(lái)實(shí)現(xiàn)減重和性能提升。當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行到地影區(qū)或者太陽(yáng)電池陣輸出功率不足時(shí)，每組鋰離子蓄電池組通過(guò)5 個(gè)熱備份的BDR 模塊為星上負(fù)載供電；當(dāng)太陽(yáng)電池陣輸出功率充足時(shí)，通過(guò)5 個(gè)熱備份的BCR 模塊實(shí)現(xiàn)鋰離子蓄電池組的充電。相對(duì)于上一代電源控制器僅對(duì)BCR 模塊進(jìn)行主備份設(shè)計(jì)的備份方式，新一代電源控制器的充電模式具有更高的可靠性。

新一代電源控制器通過(guò)BCDR 模塊的并聯(lián)實(shí)現(xiàn)功率的擴(kuò)展。每個(gè)BCR 工作在電流源模式，通過(guò)電池充電管理(BCM)模塊設(shè)置充電控制點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)BCR 模塊的并聯(lián)工作給鋰離子蓄電池組充電。其中BCR 采用的是Buck 電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出電流脈動(dòng)較小，是新一代電源控制器BCR 設(shè)計(jì)的首選方案[3,6]。BCDR 模塊中設(shè)置有輸入開(kāi)關(guān)和輸出開(kāi)關(guān)，可以確保任何故障情況下均不會(huì)導(dǎo)致母線或者電池組的過(guò)載或短路，提高了整星的可靠性。

新一代電源控制器省去了星載計(jì)算機(jī)對(duì)充電電流的檢測(cè)及判斷，可實(shí)現(xiàn)BCM 的自主充電管理，對(duì)鋰離子蓄電池組的自主管控能力更強(qiáng)，控制也更為精準(zhǔn)。

根據(jù)鋰離子蓄電池組的特點(diǎn)，其充電采用“恒流+恒壓”方式：當(dāng)太陽(yáng)電池陣輸出功率超過(guò)整星負(fù)載和鋰離子蓄電池組恒流充電需求時(shí)，鋰離子蓄電池組按照用戶設(shè)定的電流值進(jìn)行充電，直至達(dá)到設(shè)定的充電截止(EOC)電壓；然后采用恒壓充電模式對(duì)鋰離子蓄電池組進(jìn)行自主充電，直至充電結(jié)束，不再需要星載計(jì)算機(jī)控制充電電流逐漸減檔[3]。不同于上一代電源控制器的輪流充電方式，該方式實(shí)現(xiàn)了南北電池組充電的獨(dú)立控制，完全解耦的設(shè)計(jì)使得兩組電池可以同時(shí)充電，且不會(huì)互相干擾，包括電池充電保護(hù)也不會(huì)相互影響。BCM 充電控制的原理如圖3 所示，該BCM 電路對(duì)應(yīng)一組電池，若使用兩組電池則應(yīng)有兩份BCM 電路。BCM 可以在兩種模式下工作。

圖3 BCM充電控制的原理框圖

(1)恒流充電階段

當(dāng)鋰離子蓄電池組放電后、太陽(yáng)電池功率充足的情況下，充電的第一階段為電池恒流充電，由用戶確定充電電流設(shè)定值。此時(shí)，電池組處于快速充電狀態(tài)。

新一代電源控制器可以同時(shí)為兩組電池獨(dú)立充電，與輪流充電方式相比，電池組的充電電流可以更小。GEO 衛(wèi)星運(yùn)行在地影期時(shí)，最長(zhǎng)地影1.16 h，鋰離子蓄電池組的最大放電深度不超過(guò)80%，鋰離子蓄電池組有長(zhǎng)達(dá)22 h 的時(shí)間進(jìn)行充電。由于鋰離子蓄電池組在小的充電電流下工作壽命更長(zhǎng)，采用輪流充電的充電電流一般設(shè)計(jì)為0.1C，采用兩組電池同時(shí)充電時(shí)，充電電流設(shè)計(jì)為0.05C即可滿足充電要求。因此，新一代電源控制器的充電控制方式更有利于提高鋰離子蓄電池組的工作壽命。

(2)恒壓充電階段

當(dāng)鋰離子蓄電池組電壓達(dá)到EOC 電壓，BCM 內(nèi)部設(shè)置點(diǎn)會(huì)從之前設(shè)定的恒流充電電流值減小到蓄電池組漏電流(或0 電流)對(duì)應(yīng)值，實(shí)際充電電流開(kāi)始逐漸減小，從而保證鋰離子蓄電池組電壓值維持在設(shè)定的EOC 電壓值。與上一代TAPER 充電方式相比，該模式下完全實(shí)現(xiàn)了恒壓控制功能，減少了對(duì)星上軟件的依賴。

2.3 能源管理軟件應(yīng)用分析

基于新一代電源控制器，對(duì)能源管理軟件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了鋰離子蓄電池組全壽命周期的自主管理，主要實(shí)現(xiàn)方式如下。

(1)光照期的荷電態(tài)控制與補(bǔ)充充電管理

運(yùn)行在GEO 軌道的衛(wèi)星存在長(zhǎng)的光照期，蓄電池組在長(zhǎng)的光照期處于儲(chǔ)存狀態(tài)，相對(duì)低的荷電狀態(tài)，有利于減少蓄電池組在擱置狀態(tài)下的衰降；從衛(wèi)星供電安全角度考慮，蓄電池組需要保持在相對(duì)高的荷電狀態(tài)以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況下衛(wèi)星的供電。綜合考慮到上述因素，蓄電池組在全光照期荷電狀態(tài)需保持在70%～90%，蓄電池組工作在擱置模式。

GEO 衛(wèi)星依靠能源管理軟件對(duì)蓄電池組在擱置模式下的荷電態(tài)進(jìn)行控制。根據(jù)鋰離子蓄電池組的荷電態(tài)與電池組電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，能源管理軟件依據(jù)采集到的電池電壓來(lái)判定電池組的荷電狀態(tài)：當(dāng)電池電壓達(dá)到荷電態(tài)下限閾值時(shí)，軟件自主發(fā)送補(bǔ)充充電指令對(duì)鋰離子蓄電池組進(jìn)行補(bǔ)充充電；當(dāng)電壓達(dá)到荷電態(tài)上限閾值時(shí)，發(fā)送指令停止對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電?？紤]到小的充電電流對(duì)鋰離子蓄電池組更為有利，補(bǔ)充充電電流采用C/50 小電流恒流充電。采用此種控制方式可保證蓄電池?cái)R置狀態(tài)時(shí)保持在適宜的荷電態(tài)。

(2)溫度控制

在適宜的環(huán)境溫度下工作有助于提高鋰離子蓄電池組的工作壽命。環(huán)境溫度過(guò)高或過(guò)低，都將嚴(yán)重影響鋰離子蓄電池組的工作壽命。研究結(jié)果表明，鋰離子蓄電池組進(jìn)行充放電的適宜工作溫度范圍為10～30 ℃；在擱置狀態(tài)下，低的環(huán)境溫度有利于減少蓄電池組的衰降，適宜的溫度環(huán)境為-5～10 ℃。

GEO 衛(wèi)星鋰離子蓄電池組設(shè)計(jì)有主份與備份相互獨(dú)立的加熱器，依靠新一代能源管理軟件對(duì)鋰離子蓄電池組的工作溫度實(shí)施控制。能源管理軟件依據(jù)采集到的鋰離子蓄電池組溫度參數(shù)，對(duì)鋰離子蓄電池組的加熱器開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。當(dāng)蓄電池組溫度低于下限閾值時(shí)，軟件自主發(fā)送加熱器開(kāi)關(guān)接通指令對(duì)鋰離子蓄電池組進(jìn)行加熱；當(dāng)蓄電池組溫度達(dá)到上限閾值時(shí)，發(fā)送指令停止對(duì)蓄電池組進(jìn)行加熱。在地影期，鋰離子蓄電池組需要進(jìn)行充放電，溫度閾值設(shè)計(jì)在14～16 ℃，可以保證鋰離子蓄電池組溫度在10～30 ℃范圍內(nèi)；全光照期擱置溫度閾值設(shè)計(jì)在0～2 ℃范圍內(nèi)，可以保證鋰離子蓄電池組溫度在-5～10 ℃范圍內(nèi)。

新一代電源系統(tǒng)中，能源管理軟件可通過(guò)星上光照/地影期標(biāo)識(shí)完成進(jìn)入地影季前后控溫閾值的自動(dòng)切換。相比上一代能源管理軟件，減少了在軌期間管理人員的操作，提高了衛(wèi)星電源系統(tǒng)的自主管理水平。

(3)過(guò)充電保護(hù)

過(guò)壓保護(hù)：新型電源控制器具備過(guò)壓充電保護(hù)功能，通過(guò)充電終壓控制功能實(shí)現(xiàn)。電壓安全保護(hù)閾值根據(jù)鋰離子蓄電池單體的不同特性進(jìn)行設(shè)定，目前常用單體平均控制電壓通常設(shè)置為4.2 V，當(dāng)電壓達(dá)到保護(hù)閾值時(shí)，充電電流自動(dòng)降為0；如果上述過(guò)壓保護(hù)失效，當(dāng)單體電壓達(dá)到旁路控制上限時(shí)，在旁路控制作用下，故障的單體可自動(dòng)切除，也能保證電壓小于安全閾值。已在單機(jī)測(cè)試過(guò)程中得到驗(yàn)證。

過(guò)流保護(hù)：新一代能源管理軟件具備過(guò)流保護(hù)功能，保證充電電流不超過(guò)所處環(huán)境溫度下的最大電流值，延長(zhǎng)電池使用壽命并且提升電池安全性。典型示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 過(guò)流保護(hù)

過(guò)溫保護(hù)：新一代能源管理軟件具備過(guò)溫保護(hù)功能。當(dāng)同一蓄電池組所有溫度的遙測(cè)中間值超過(guò)高溫閾值時(shí)，充電會(huì)被立刻停止；當(dāng)溫度降到高溫恢復(fù)閾值時(shí)充電才可被恢復(fù)，保證蓄電池組不會(huì)發(fā)生溫度過(guò)高而帶來(lái)的安全性問(wèn)題。

欠溫保護(hù)：新一代能源管理軟件具備欠溫保護(hù)功能。當(dāng)同一蓄電池組所有溫度的遙測(cè)中間值低于低溫閾值時(shí)，充電會(huì)被立刻停止；當(dāng)溫度升高至低溫恢復(fù)閾值時(shí)充電才可被恢復(fù)，保證蓄電池組不會(huì)發(fā)生溫度過(guò)低而帶來(lái)的性能損傷。

(4)過(guò)放電保護(hù)設(shè)計(jì)

新一代能源管理軟件具備兩級(jí)過(guò)放電保護(hù)功能。當(dāng)檢測(cè)到放電容量達(dá)到I 級(jí)門限設(shè)置值時(shí)，會(huì)自主關(guān)閉有效載荷設(shè)備；當(dāng)檢測(cè)到放電容量達(dá)到II 級(jí)門限設(shè)置值時(shí)，會(huì)自主關(guān)閉加熱器，從而保障蓄電池組和衛(wèi)星的安全。

(5)保護(hù)功能驗(yàn)證

過(guò)壓保護(hù)功能由電源控制器硬件實(shí)現(xiàn)，在單機(jī)及整星測(cè)試過(guò)程中均得到驗(yàn)證。

過(guò)溫和過(guò)流充電保護(hù)功能由能源管理軟件實(shí)現(xiàn)，該軟件在開(kāi)發(fā)階段經(jīng)歷了完整的用例測(cè)試和第三方評(píng)測(cè)，并與電源控制器進(jìn)行了聯(lián)試驗(yàn)證，整星測(cè)試時(shí)狀態(tài)正常，保護(hù)功能得到了有效驗(yàn)證。

過(guò)放電保護(hù)設(shè)計(jì)由整星FDIR 功能實(shí)現(xiàn)，在衛(wèi)星地面測(cè)試過(guò)程中得到了有效驗(yàn)證。

2.4 均衡管理

對(duì)于不同軌道的衛(wèi)星，均衡管理從操作時(shí)機(jī)來(lái)說(shuō)，可以分為充電均衡、放電均衡、擱置期均衡；按均衡原理可以分為能量傳遞、能量耗散等方式[7]。

按照均衡原理，耗散型均衡電路具有簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹的鋰離子蓄電池組在軌管理為能量耗散型，每個(gè)模塊配置智能監(jiān)視集成系統(tǒng)(ISIS)，用于電池組的單體均衡管理。當(dāng)蓄電池單體達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，均衡電路開(kāi)始工作，原理簡(jiǎn)單，熱耗小，可靠性高。

就均衡時(shí)機(jī)而言，為提高在軌管理的自主性，本電源系統(tǒng)在地影季期間，通過(guò)對(duì)蓄電池組充電終壓的設(shè)置，隨著蓄電池組充放電循環(huán)，蓄電池組進(jìn)行自主均衡，無(wú)需地面干預(yù)。

3 在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)分析

圖5(a)和圖5(b)為秋分日南北鋰離子蓄電池組整組的在軌工作電壓和充電電流曲線。采用新一代電源控制器對(duì)南北蓄電池組采取同時(shí)充電策略，恒流充電階段采用單組C/20進(jìn)行充電；當(dāng)蓄電池組達(dá)到充電截止電壓后，采取恒壓充電模式。由在軌充電曲線可見(jiàn)，在軌數(shù)據(jù)與蓄電池恒流恒壓充電控制方式相吻合。恒流模式下，蓄電池組的充電電流值維持在6.24～6.25 A；恒壓模式下，北蓄電池組電壓范圍在81～81.05 V，蓄電池組充電電流在BCM 控制下由6.25 A 逐漸減小至0 A，滿足蓄電池組恒流和恒壓充電要求。

圖5 鋰離子蓄電池組整組的在軌工作電壓和充電電流曲線

對(duì)進(jìn)入同步軌道后的蓄電池組溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。目前，衛(wèi)星已經(jīng)歷一個(gè)完整的地影季，分別對(duì)光照季和地影季的工作溫度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。發(fā)射后蓄電池組的長(zhǎng)光照期擱置溫度在0～8 ℃，地影季工作溫度在11.5～17.5 ℃，蓄電池組的工作溫度范圍滿足在軌溫度控制要求。以單組蓄電池溫度控制曲線為例，由圖6 可見(jiàn)，地影前和地影后蓄電池組均自主完成了光照期和地影期溫度控制閾值的切換。

圖6 鋰離子蓄電池組在軌溫度曲線

對(duì)蓄電池組單體壓差進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，通過(guò)自主均衡控制策略，經(jīng)歷了一個(gè)地影季后，包括光照期在內(nèi)，單體壓差最大不超過(guò)15 mV。

實(shí)際數(shù)據(jù)判讀表明鋰離子蓄電池組取得了預(yù)期的控制效果，電壓值、電流值和溫度均在正常值范圍內(nèi)，在軌工作狀態(tài)良好。

4 結(jié)論

本文基于新一代電源控制器模塊化強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合GEO 衛(wèi)星軌道環(huán)境以及長(zhǎng)壽命、高可靠性的需求，根據(jù)電池特性提出了鋰離子蓄電池組的在軌管理方法，實(shí)現(xiàn)了自主恒流恒壓充電控制，延長(zhǎng)了鋰離子蓄電池組在軌使用壽命，提高了整星電源系統(tǒng)的健壯性。在軌數(shù)據(jù)表明：該鋰離子蓄電池組在軌管理策略可滿足GEO 衛(wèi)星鋰離子蓄電池組全壽命周期的自主管理需求。