GEO鋰離子蓄電池組在軌性能評估

劉 鵬，章 玄，侯 睿，盛北飛，賀奉平

(中國空間技術(shù)研究院，北京 100094)

鋰離子蓄電池組具有比能量高和自放電小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于空間電源領(lǐng)域。目前，采用鋰離子蓄電池組作為儲能電源的衛(wèi)星已有數(shù)百顆[1-5]。

作為星上貯能裝置，在衛(wèi)星臨射前、主動段飛行期間、轉(zhuǎn)移軌道及同步軌道地影及太陽電池陣輸出功率不足時(shí)，鋰離子蓄電池組為衛(wèi)星提供所需能量。迄今為止，空間應(yīng)用的鋰離子電池仍存在低溫時(shí)內(nèi)阻過大等問題[6]。在長期充放電過程中，為了防止鋰離子蓄電池組單體容量離散性的擴(kuò)大，在GEO 軌道運(yùn)行的長壽命衛(wèi)星鋰離子蓄電池組一般設(shè)計(jì)有均衡管理功能[7]。

隨著鋰離子蓄電池組在空間型號上應(yīng)用數(shù)量快速增長，分析鋰離子蓄電池組在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)，對其在軌性能進(jìn)行快速評估、掌握在軌運(yùn)行趨勢、更有力保障大功率、長壽命供電安全需求和提升改進(jìn)后續(xù)產(chǎn)品等工作具有十分重要意義[8-10]。

本文結(jié)合鋰離子蓄電池組工作原理，分析某型號衛(wèi)星鋰離子蓄電池在軌數(shù)據(jù)，聚焦鋰離子蓄電池組壓差變化、均衡效果、充放電循環(huán)電壓變化趨勢。數(shù)據(jù)研究表明，鋰離子蓄電池組在軌期間，旁路保護(hù)動作未啟動，性能良好，工作正常。

1 鋰離子蓄電池組工作原理

在軌道光照期，太陽電池陣通過電源控制器給鋰離子蓄電池組充電，鋰離子電池將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲存起來，地影期由鋰離子蓄電池組通過電源控制器為星上負(fù)載供電，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。鋰離子電池正極活性物質(zhì)是鋰化合物，負(fù)極活性物質(zhì)為碳材料，其充放電反應(yīng)實(shí)際是通過鋰在正負(fù)極材料之間的嵌入和脫嵌完成的。

2 在軌管理

2.1 均衡管理

鋰離子蓄電池存在自放電現(xiàn)象，電池的自放電會導(dǎo)致其電壓緩慢下降。由于同一蓄電池組中單體電池的自放電電流不盡相同，從而使得蓄電池組在長期儲存或循環(huán)過程中各單體電池的電壓出現(xiàn)差異。對于鋰離子蓄電池來說其電壓直接反映荷電態(tài)，那么蓄電池組中自放電電流大的那只電池，容量保持率低，從而制約整個(gè)蓄電池組的能量發(fā)揮。為此，蓄電池組在使用過程中需要進(jìn)行均衡管理，以減小蓄電池組中單體之間的電壓差異，保證蓄電池組能量的正常輸出。

蓄電池組配置均衡管理裝置，可對蓄電池組進(jìn)行均衡。蓄電池組在充電過程中，當(dāng)檢測到蓄電池組內(nèi)單體電池電壓超過均衡啟動閾值時(shí)，均衡管理裝置啟動均衡分流電路為蓄電池組進(jìn)行均衡處理；當(dāng)檢測到蓄電池組內(nèi)單體電池電壓低于均衡啟動閾值，均衡管理裝置自動關(guān)閉分流電路，停止蓄電池組均衡。

2.2 失效管理

鋰離子蓄電池組在有一節(jié)電池失效（開路、容量嚴(yán)重衰降損失或短路）時(shí)，仍要求其能保證正常的能量輸出，這就需要一種裝置可以把失效電池單元從整個(gè)電池組中有效隔離出去，從而保證失效電池不會引起故障擴(kuò)散。

旁路保護(hù)裝置可以實(shí)現(xiàn)對鋰離子蓄電池組中性能嚴(yán)重衰降或者失效的電池單元的旁路切除功能，在整個(gè)過程中保證蓄電池組供電的連續(xù)性。具體功能如下：

1）防止蓄電池組中個(gè)別單體（或者并聯(lián)單元）開路而導(dǎo)致整個(gè)蓄電池組的開路；

2）通過地面遙控指令或者自動動作來進(jìn)行電池并聯(lián)單元的切除（旁路），防止由于個(gè)別電池并聯(lián)單元的嚴(yán)重衰降而影響整星的供電；

3）防止濫用條件下的安全事故的發(fā)生。

當(dāng)均衡管理裝置檢測到電池電壓超過單體失效電壓上限或電池電壓低于單體失效電壓下限時(shí)，將提供一個(gè)驅(qū)動電流，啟動旁路保護(hù)裝置的旁路開關(guān)將失效電池從蓄電池組中切換出去，母線電流從旁路保護(hù)裝置的旁路開關(guān)中通過，防止電池故障擴(kuò)散。

3 鋰離子蓄電池組在軌性能評估

本文對鋰離子蓄電池組在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別從蓄電池組單體壓差變化、自放電和日歷衰降等指標(biāo)評估蓄電池組在軌性能。

3.1 壓差變化

蓄電池組單體電壓均衡曲線如圖1 所示。

圖1 蓄電池組單體電壓均衡曲線

圖1 所示，2016 年2 月19 日，地影期前，蓄電池組單體電壓＜V1，不滿足均衡啟動條件，其中，V1為均衡啟動閾值；2016年2 月24 日，地影期前，蓄電池組單體電壓＞V1，滿足均衡啟動條件，蓄電池組開始均衡，單體間最大電壓差約為41 mV；2016 年3 月3 日，地影季，蓄電池組充放電第五周期，蓄電池組單體電壓＞V1，滿足均衡啟動條件，蓄電池組繼續(xù)均衡，單體最大電壓差約為6 mV。

均衡間隔時(shí)間不同的均衡過程電壓變化記錄的截圖見圖2 和圖3。

圖2 所示，2016 年2 月24 日，蓄電池組開始第1 次均衡。2016 年9 月1 日，蓄電池組開始第2 次均衡。均衡間隔時(shí)間為兩個(gè)地影季間隔，約為186 d 15 h。

圖2 第一次均衡蓄電池組單體電壓變化記錄截圖（均衡間隔186 d）

圖3 所示，2016 年9 月1 日，蓄電池組第2 次開始均衡。2017 年2 月27 日，蓄電池組第3 次開始均衡。均衡間隔時(shí)間為兩個(gè)地影季間隔，約為178 d 23 h。

圖3 第二次均衡蓄電池組單體電壓變化記錄截圖（均衡間隔178 d）

另外，蓄電池組無單體失效，蓄電池組旁路保護(hù)裝置未啟動。

12 個(gè)地影期均衡前蓄電池組單體最大壓差變化如圖4 所示。

圖4 12個(gè)地影期均衡前蓄電池組單體最大電壓差曲線

圖4 所示，隨著時(shí)間的變化，地影期均衡前蓄電池組單體最大電壓差在0.027～0.037 V 范圍，最大電壓差的波動趨于穩(wěn)定。

3.2 自放電

長光照期的放電電流是蓄電池組自放電電流和與蓄電池組連接電子電路的漏電電流兩部分之和，我們計(jì)算了不同光照期放電電流，分析了放電電流變化規(guī)律。

蓄電池組補(bǔ)充充電時(shí)電壓變化數(shù)據(jù)見圖5。

圖5 蓄電池組補(bǔ)充充電電壓變化曲線

如圖5 所示，蓄電池組從76.11 V 增加到79.74 V，補(bǔ)充充電間隔逐漸減小，2020 年比2015 年減少了約1.5 h 時(shí)；充電容量也逐漸減小，2020 年比2015 年減少了約1.77 Ah。其中，76.11 V 為補(bǔ)充充電啟動電壓，79.74 V 為補(bǔ)充充電截止電壓。

蓄電池組自放電情況見圖6。

如圖6 所示，蓄電池組自放電降低相同電壓區(qū)間，從79.74 V 降低到76.11 V，2020 年自放電時(shí)間比2015 年自放電時(shí)間減少了約12 h?？紤]內(nèi)阻增大等因素，隨著時(shí)間的變化，蓄電池組自放電降低相同電壓區(qū)間耗時(shí)逐漸減少。

圖6 蓄電池組自放電電壓曲線

蓄電池組在補(bǔ)充充電過程中伴隨著自放電，統(tǒng)計(jì)各光照周期的充電時(shí)間、充電電流和放電時(shí)間，根據(jù)能量守恒，補(bǔ)充充電期間的充電容量和補(bǔ)充充電加自放電期間的放電容量相等，計(jì)算蓄電池組的自放電電流。蓄電池組的自放電電流如圖7 所示。

圖7 不同光照周期蓄電池組自放電電流

如圖7 所示，隨著時(shí)間的變化，蓄電池組自放電電流逐漸減小，從0.119 7 A 減小到0.118 9 A，自放電電流趨于穩(wěn)定。

3.3 日歷衰降

隨著時(shí)間的變化，蓄電池組的壓差變化趨勢穩(wěn)定，自放電電流變化趨勢穩(wěn)定。在長光照期充電過程，根據(jù)自放電電流和充電時(shí)間得到充電期間的自放電容量，計(jì)算對應(yīng)電壓在76.11～79.74 V 區(qū)間的充電容量。根據(jù)蓄電池組電壓與荷電態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算對應(yīng)的荷電狀態(tài)及變化值，進(jìn)而得到不同光照周期的蓄電池組容量。在長光照期放電過程，計(jì)算對應(yīng)的自放電電壓差變化率。

蓄電池組電壓和荷電態(tài)(SOC)的對應(yīng)關(guān)系如圖8 所示。

圖8 電池組電壓和荷電態(tài)(SOC)的對應(yīng)關(guān)系

蓄電池組容量和壓差變化率如表1 和圖9 所示。

圖9 不同光照期壓差變化和蓄電池組容量

表1 中，隨著時(shí)間的變化，放電間隔逐漸減小，從289.85 h減少到278.00 h；壓差變化逐漸增加，從300.57 mV/d 增加到313.38 mV/d。隨著時(shí)間的變化，充電間隔逐漸減小，從29.53 h 減小到28.03 h；充電容量逐漸減小，從31.17 Ah 減小到29.81 Ah；蓄電池組容量也逐漸減小，從初期的135.50 Ah 減小到第10 個(gè)光照期的129.59 Ah。長光照期蓄電池組放電的壓差變化部分表征蓄電池組的容量衰降。

表1 蓄電池組充電容量和壓差變化

如圖9 所示，紅色曲線表示壓差變化，藍(lán)色曲線表示蓄電池組容量。隨著時(shí)間的變化，壓差變化率逐漸增加，蓄電池組容量逐漸減小，長光照期蓄電池組放電的壓差變化部分表征蓄電池組的容量衰降。

根據(jù)前10 個(gè)光照期數(shù)據(jù)擬合蓄電池組壓差變化和蓄電池組容量曲線，擬合曲線和實(shí)測的第11 和12 個(gè)周期的數(shù)據(jù)如圖10 所示。

圖10 不同光照期壓差變化和蓄電池組容量擬合曲線

如圖所示，綠色曲線表示實(shí)測壓差變化，綠色虛線表示擬合壓差變化，紫色曲線表示預(yù)測壓差變化。實(shí)測藍(lán)色曲線表示蓄電池組容量，藍(lán)色虛線表示擬合蓄電池組容量，紅色藍(lán)線表示預(yù)測蓄電池組容量。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，蓄電池組壓差變化逐漸增加，與擬合曲線趨勢一致，第11 和12 個(gè)周期壓差變化運(yùn)行數(shù)據(jù)略低于擬合曲線數(shù)據(jù)。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，蓄電池組容量逐漸減小，與擬合曲線趨勢一致，第11和12 個(gè)周期的蓄電池組容量運(yùn)行數(shù)據(jù)略高于擬合曲線數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^擬合曲線預(yù)測未來長光照期的壓差變化和蓄電池組容量，通過運(yùn)行數(shù)據(jù)修正擬合曲線，直觀地反應(yīng)蓄電池組的在軌工作性能?？紤]第2 個(gè)光照期之后蓄電池組容量曲線比較平穩(wěn)，根據(jù)第9～12 個(gè)光照期的容量衰降趨勢，得到第30個(gè)光照期即壽命后期的容量預(yù)測數(shù)據(jù)約為126.52 Ah。

4 結(jié)論

本文結(jié)合鋰離子蓄電池組的工作原理，通過分析鋰離子蓄電池在軌數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析了鋰離子蓄電池組的蓄電池組壓差變化、自放電和日歷衰降等指標(biāo)。隨著時(shí)間的變化，蓄電池組的壓差變化趨勢穩(wěn)定，放電電流變化趨勢穩(wěn)定。壓差變化逐漸增加，蓄電池組容量逐漸減小，長光照期蓄電池組放電的壓差變化部分表征蓄電池組的容量衰降。通過擬合曲線預(yù)測未來長光照期的壓差變化和蓄電池組容量，用運(yùn)行數(shù)據(jù)修正擬合曲線，可以直觀地反應(yīng)蓄電池組在軌工作性能，可以對性能進(jìn)行快速評估，能夠及時(shí)掌握蓄電池組在軌性能變化趨勢，為大功率、長壽命的供電安全提供有力保障。