祝融號火星車蓄電池組容量自主校準方法

陳燕 王曉銳 蘭天 石海平

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(2 上海空間電源技術研究所，上海 200245)

我國于2020年7月23日發(fā)射了天問一號火星探測器，實現(xiàn)了“繞、著、巡”的工程目標，探測器中攜帶的祝融號火星車進行火星表面巡視探測。2021年5月15日，著陸巡視器成功著陸。2021年5月22日，火星車駛離著陸平臺，開始火星表面科學探測。

國外火星車多采用同位素核源進行供電，蓄電池組僅供峰值負載使用。我國火星車仍采用太陽電池陣-鋰離子蓄電池組聯(lián)合供電系統(tǒng)供電?；鹦前滋?簡稱火晝)由太陽電池陣為火星車供電并為蓄電池組充電，火星夜晚(簡稱火夜)僅靠蓄電池組供電，蓄電池組容量成為制約火星車在火星表面工作最主要的因素[1-4]。為此，火星車上采用了一系列的蓄電池組管理策略，在每次進入火夜之前對蓄電池組容量進行自主判斷，衡量火星車是否有足夠容量度過火夜，必要時對火星車是否需要進入休眠喚醒模式進行設置。一旦進入休眠模式，若蓄電池組容量過低，火星車將有無法被喚醒的風險，因此，能否準確獲取蓄電池組容量成為決定火星車生存的最重要參數(shù)。

傳統(tǒng)地月系航天器采用電量累計法計算蓄電池組在軌容量，通過自主采集蓄電池組相關參數(shù)進行累計積分實現(xiàn)對蓄電池組在軌容量的動態(tài)測量。在能源平衡工況下，通過周期性的滿充校準邏輯消除累計誤差。在能源失衡工況下，累計誤差逐漸增大，一定周期后會超出航天器能夠接受的誤差范圍。由于地月系航天器通信時差小，蓄電池組容量有偏差時，可在地面測控支持下近實時校準蓄電池組容量。在火星探測任務中，器地通信距離最遠可達4億千米，雙程時延約44 min[5]，無法依賴地面測控支持實現(xiàn)對蓄電池組在軌容量的校準，因此火星車蓄電池組容量高精度自主校準面臨以下難題。①電量計計算誤差大?；鹦擒囦囯x子蓄電池組1個火星日面臨-20～+55 ℃的工作溫度范圍，冬天還可能面臨-30 ℃的低溫，鋰離子蓄電池-20 ℃容量只有常溫容量的80%，-30 ℃容量只能達到常溫容量的50%；在能源失衡的工況下，蓄電池組無法充滿，多個循環(huán)之后會導致電量計累積的計算誤差持續(xù)增大[6]。②難以實現(xiàn)高自主管理。傳統(tǒng)航天器地面測控使用電量查表法，其估算精度與電壓、電流等遙測參數(shù)的穩(wěn)定度和查表數(shù)據(jù)庫的顆粒度有關?；鹦擒囉嬎阗Y源有限，數(shù)據(jù)表難以實現(xiàn)低顆粒度；另外，根據(jù)實時任務規(guī)劃導致電壓電流參數(shù)波動較大，難以實現(xiàn)高自主管理[5]。為此，本文提出祝融號火星車蓄電池組容量自主校準方法，實現(xiàn)了火星車在軌實時自主的容量校準，滿足蓄電池組高精度容量評估的需求。

1 蓄電池組容量自主校準方法

本文提出的蓄電池組容量自主校準方法以電量累計法得到的積分電量為主，以電量查表法得到的查表電量為輔，在滿足條件時，根據(jù)查表電量自主修正積分電量，最終得到蓄電池組高精度容量。查表法電量數(shù)據(jù)來源于蓄電池組大量的地面試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后，以數(shù)據(jù)庫的形式植入到器載軟件中。方法實現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 蓄電池組容量自主校準方法實施策略

在圖1中：Q為蓄電池組計算容量，3天中的天指火星日，下同；Vp為蓄電池組計算電壓；Qcumulative為通過電量積分方法計算的蓄電池組電量；Qlookup為蓄電池組查表電量；Vbus為母線電壓；Vtogether為蓄電池組單體電壓之和；V1～V7，Vmin，Vmax分別為7節(jié)單體電池的電壓、最小單體電壓、最大單體電壓；Vf為蓄電池組電壓閾值，本文選取29 V。

1.1 實施過程

火星車降落火星表面開始工作時，默認使用電量計判讀蓄電池組容量，之后每天在特定時間判斷之前電量計是否觸發(fā)過滿充校準。若觸發(fā)，則繼續(xù)使用電量計判讀蓄電池組容量；若未觸發(fā)，則啟動查表法對蓄電池組容量進行校準；之后，繼續(xù)使用電量計判讀蓄電池組容量，每個火星日均進行1次校準判讀。

根據(jù)方法實現(xiàn)流程圖，實施過程主要包含以下幾個步驟。

(1)獲取積分電量及滿充校準判斷。積分電量通過安時計獲取，實時進行；滿充校準的判斷在每天特定時刻進行。若觸發(fā)滿充校準，則始終信任積分電量數(shù)據(jù)；若未觸發(fā)，則進入下一步。

(2)遙測有效性判斷。軟件先對蓄電池組電壓Vp的有效性進行判斷，再對其他遙測進行有效性判斷，均有效則進入下一步。

(3)獲取查表電量。通過對蓄電池組電壓的判斷，確認蓄電池組處在恒壓階段還是恒流階段。若處在恒壓階段，查找恒壓階段數(shù)據(jù)；否則，查找恒流階段數(shù)據(jù)。

(4)自主查表校準。通過設定滿足查表數(shù)據(jù)有效的判定條件，確認是否使用查表電量對當前電量進行校準，否則仍然采用積分電量作為當前電量數(shù)據(jù)。

1.1.1 獲取積分電量及滿充校準判斷

軟件進行電量積分計算的過程是實時進行的。蓄電池組容量以安時(A·h)為單位，積分電量的計算公式為[7]

(1)

式中：QInitial為電量積分開始時刻的蓄電池組初始電量；Icharge為蓄電池組充放電電流，在蓄電池組充電過程中，Icharge>0，在蓄電池組放電過程中，Icharge<0；t0為電量積分開始時刻；t為當前時刻。

在軟件實現(xiàn)過程中，用離散方式擬合電量積分過程，周期性刷新積分電量，即

Qcumulative(n)=Qinitial+Qcharge(n)+Qdischarge(n)

(2)

式中：Qcumulative(n)為電量積分開始后第n個周期的蓄電池組電量；Qcharge(n)和Qdischarge(n)分別為電量積分開始后第n個周期的累積充電電量和累積放電電量。

當蓄電池組充放電電流Icharge≥0時，計算充電電量，放電電量維持不變，計算公式為

(3)

式中：Icharge(n)為第n個周期蓄電池組充放電電流；Tcycle為軟件運行電量累積計算的周期；Thour為單位轉換時長，設置為1 h；Kcharge為用于修正離散擬合誤差的充放比控制參數(shù)，目前選取經(jīng)驗值為1.02。

當蓄電池組充放電電流Icharge<0時，計算放電電量，充電電量維持不變，計算公式為

(4)

通過上述軟件離散擬合式維護的積分電量存在累積誤差，可通過滿充校準方式修正，也可通過地面指令注入的修正量或根據(jù)查表電量進行修正。在修正積分電量時，將修正量集中體現(xiàn)在蓄電池組初始電量Qinitial上，同時將累積的充電電量、放電電量清零，并將修正時刻作為新一輪電量積分的開始時刻，重新開始維護積分電量。

滿充校準過程是指蓄電池組在充電過程中電壓及電流達到預設條件后，軟件判斷此時蓄電池組實現(xiàn)滿充，則會將蓄電池組容量置為預設的額定容量80 A·h，同時將通過上述計算得到的充電電量Qcharge(n)及放電電量Qdischarge(n)均置為0，斷開充電陣停止充電的過程。此過程相當于將蓄電池組荷電狀態(tài)重置為初始滿充狀態(tài)，以此實現(xiàn)蓄電池組容量校準。

火星車每天在進入火夜前進行滿充校準判斷，若連續(xù)3天均未實現(xiàn)滿充校準，即均未達到滿充，則進入下一步邏輯判斷。

1.1.2 遙測有效性判斷

電量累計法、電量查表法使用的輸入數(shù)據(jù)均來自綜合電子系統(tǒng)采集的模擬量、溫度量，首先應確保所采集的數(shù)據(jù)均為有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)無效時不進行檢測及處置，判定為有效數(shù)據(jù)需要同時滿足條件如下。①當綜合電子軟件能夠正常從遙測采集設備獲取模擬量、溫度量數(shù)據(jù)時，認為數(shù)據(jù)采集有效。②數(shù)據(jù)和某臺設備有相關性，當該設備電源狀態(tài)為加電狀態(tài)時認為數(shù)據(jù)源有效。③當采集有效且數(shù)據(jù)源有效時，判定數(shù)據(jù)有效，認為數(shù)據(jù)足以支持后續(xù)計算。④數(shù)據(jù)有效時，軟件進一步按照系數(shù)更新參數(shù)，并代入邏輯進行計算；數(shù)據(jù)無效時，軟件不進行計算，維持積分電量、查表電量等參數(shù)值不變化。⑤通過對蓄電池組電壓Vp和7節(jié)單體電壓之和Vtogether的差值進行判斷，若滿足誤差范圍，則認為Vp可信，否則，認為Vp不可信，通過單體電壓遙測推算整組電壓Vp作為下一步計算的輸入。另外，軟件還將對蓄電池組電流等遙測進行有效性判斷，均有效則進入下一步判斷。

1.1.3 獲取查表電量

查表電量的使用策略包括遙測參數(shù)獲取、查表法數(shù)據(jù)庫表格的建立和查表法計算策略。

1)遙測參數(shù)獲取

蓄電池組電壓、母線電壓需要通過遙測綜合判斷得到；充放電電流通過采樣獲取至少6個數(shù)據(jù)，剔除最大值和最小值后計算平均值；蓄電池組溫度通過蓄電池組上的熱敏電阻測量得到。

2)數(shù)據(jù)庫建立

查表法分別建立恒壓表格及恒流表格。恒壓表格包含了不同溫度下不同充電電流所對應的恒壓段容量；恒流表格按充電、放電電流的大小分為若干個電流檔，每檔建立一個表格，恒流表中電流檔位根據(jù)地面測試數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)庫容量按需選取。在每個充電、放電表格中還包含不同溫度下電池不同容量所對應的電壓數(shù)據(jù)，按照上述方法存儲多個表格。恒壓表格與恒流表格的數(shù)據(jù)形式如表1所示。所有表格數(shù)據(jù)均可以上注更改。

表1 查表法數(shù)據(jù)庫形式

3)查表策略

軟件按照使用需求，通過蓄電池組電壓與門限值的大小進行判斷。當蓄電池組電壓大于恒壓模式電壓門限(本文選取29 V)時，軟件根據(jù)恒壓模式查找表查找電量；當蓄電池組電壓不大于恒壓模式電壓門限時，軟件根據(jù)恒流模式表格查找電量。恒壓模式查找表給出了不同溫度下電流與電量的對應關系；恒流模式查找表給出了不同溫度下電壓與電量的對應關系。查表步驟如下。

(1)根據(jù)當前蓄電池組溫度，確定溫度區(qū)間。當溫度在兩檔之間，取高于和低于該溫度且離該溫度最近的2個溫度檔(高于和低于當前溫度的溫度檔分別為Thigh和Tlow)。低于最低一檔溫度，選擇最低檔數(shù)據(jù)；高于最高一檔溫度，選擇最高檔數(shù)據(jù)。

(2)按照2檔溫度Thigh和Tlow查表，查得2個電量Qlookup_high和Qlookup_low。在恒壓模式下，通過電流查表。低于最低一檔電流，選擇最低檔數(shù)據(jù)；高于最高一檔電流，選擇最高檔數(shù)據(jù)；當電流在2個溫度檔之間，使用相鄰2檔電量進行線性內(nèi)插，見式(5)。軟件分別根據(jù)溫度Thigh和Tlow查表得到2個Qtemp_stable，V，并將其分別賦給Qlookup_high和Qlookup_low。在恒流模式下，通過電壓進行查表操作。低于最低一檔電壓，選擇最低檔數(shù)據(jù)；高于最高一檔電壓，選擇最高檔數(shù)據(jù)；當電壓在2個溫度檔之間時，使用相鄰2檔電量進行線性內(nèi)插，見式(6)。軟件分別根據(jù)溫度Thigh和Tlow查表得到2個Qtemp_stable，I，并將其分別賦給Qlookup_high和Qlookup_low。

(5)

式中：Qtemp_stable，V為在恒壓模式下得到的查表電量；Qlow_I為較低檔電流對應的電量；Qhigh_I為較高檔電流對應的電量；Icurrent為當前電流值；Ilow為較低檔電流值；Ihigh為較高檔電流值。

(6)

式中：Qtemp_stable，I為在恒流模式下得到的查表電量；Qlow_V為較低檔電壓對應的電量；Qhigh_V為較高檔電壓對應的電量；Vcurrent為當前電壓值；Vlow為較低檔電壓值；Vhigh為較高檔電壓值。

(3)根據(jù)溫度Thigh和Tlow對應的2個電量進行線性內(nèi)插，得到最終查表電量，見式(7)。

(7)

式中：Qlookup為查表得到的蓄電池組電量；Tcurrent為蓄電池組當前溫度。

1.1.4 自主查表校準

軟件判定由于持續(xù)性干擾或進入異常工況，會導致軟件維護的電池電量精度下降，不足以支持能源管理功能正常執(zhí)行，此時自主進行查表校準。自主查表實施步驟如下。

(1)查表工況準備。禁止火星車自主熱控功能，等待10 s，使負載電流波動降低到最小。

(2)電流穩(wěn)定性監(jiān)測。以10 min為窗口，持續(xù)檢測蓄電池充電、放電電流，當最大差不大于1 A時，繼續(xù)后續(xù)步驟，否則退出流程。

(3)自主查表。進行電池電量修正操作，修正步驟為：①通過查表法獲取當前蓄電池電量值Qlookup(n)；②將初始荷電量Qinitial置為通過查表法獲取的當前電量值Qlookup(n)；③將當前充放電電量參數(shù)Qcharge(n)和Qdischarge(n)置為0；④火星車自主熱控功能使能。

軟件具備“自主查表校準”使能及禁止功能，并提供相關設置指令、遙測。使能狀態(tài)下允許執(zhí)行自主查表校準，禁止狀態(tài)下不允許執(zhí)行自主查表校準。在火星車壽命初期“自主查表校準”功能默認為禁止，當出現(xiàn)無法校準情況時，切換為使能狀態(tài)。

1.2 判據(jù)的選擇及依據(jù)

1.2.1 時間的選擇及依據(jù)

電池的實際容量受蓄電池組溫度、充放電電流及電壓的影響較大，導致通過查表法所查的電量受蓄電池組所處荷電態(tài)及查表時負載情況影響，結果會有不同，當電池荷電態(tài)較低或負載跳變較大時將會影響查表結果的準確性。因此，在火星表面采用查表數(shù)據(jù)時，需要對判斷及校準條件進行設定。本文選擇火星時下午4：00-5：00的依據(jù)如下。

(1)蓄電池組處于充電末期，荷電態(tài)在95%以上，電壓相對較高，電壓遙測精度引入的誤差最小。電壓遙測精度引入的誤差見圖2，V1和V2(2個不同容量值下對應的電壓值)相差一個電壓分層，對應的蓄電池組容量在充電末期時(95%荷電態(tài))約為1 A·h，而在充電中期時(30%荷電態(tài))約為6 A·h。在95%荷電態(tài)時一個電壓分層容量跳變小于35%荷電態(tài)的原因，是由于不同荷電態(tài)下容量對電壓的敏感度不同，而不同荷電態(tài)下電流變化時電壓變化的滯后性卻基本一致，因此導致在蓄電池組處于放電平臺段時查表法得到的容量值跳變較大。

圖2 一個電壓分層在不同充電階段對應的容量差異

(2)整器負載穩(wěn)定，蓄電池組的充放電電流不會出現(xiàn)跳變的情況(剛喚醒時刻同樣滿足該情況)。電流跳變對蓄電池組電壓的影響見圖3和圖4。圖3中顯示了蓄電池組2次充電數(shù)據(jù)。第1次為蓄電池組從零荷電態(tài)以16 A持續(xù)充電至滿荷電態(tài)，然后將蓄電池組16 A放電至零荷電態(tài)，可以看出電壓為平穩(wěn)上升的趨勢。第2次為蓄電池組從零荷電態(tài)以16 A分別充電至30%，40%，60%，80%，95%荷電態(tài)時對蓄電池組以不同電流進行充電和放電，最后將蓄電池組充電至滿荷電態(tài)。圖4為蓄電池組以16 A放電后停止放電的曲線，實際30 min后電壓才趨于穩(wěn)定，由此可以看出，蓄電池在電流變化時電壓的變化具有嚴重滯后性。當蓄電池組電流跳變時，使用此時的蓄電池組電壓判讀容量會出現(xiàn)較大的誤差，當充放電電流穩(wěn)定一段時間后，蓄電池組電壓又恢復至正常水平，可以正確判讀蓄電池組容量。

圖3 電流跳變對蓄電池電壓的影響

圖4 蓄電池組放電結束后靜置過程中電壓變化曲線

1.2.2 電壓的選擇及依據(jù)

由于蓄電池組電壓是軟件進行判斷非常重要的參數(shù)，為避免由于遙測采集錯誤導致的誤判，通過組合判斷確定其有效性。對蓄電池組電壓Vp和7節(jié)單體電壓之和Vtogether的差值進行判斷。若滿足誤差范圍，認為蓄電池組電壓可信；否則，與母線電壓差值進行比較計算，若均不滿足誤差范圍，則認為遙測Vp不可信，通過單體電壓遙測推算整組電壓Vp，作為下一步計算的輸入?？紤]判據(jù)設定為0.5 V，綜合考慮了電壓遙測一個分層的幅值不超過0.2 V，排除一個分層跳變代入的誤差范圍。

2 在軌驗證

從祝融號火星車在軌飛行表現(xiàn)，可以看出本文所述自主校準方法的實際效果。祝融號火星車于2021年5月14日著陸于火星23°N的烏托邦平原，在圓滿完成了90天的正式任務后進入拓展任務期。目前，火星車在軌已正常服役超過1年。在軌數(shù)據(jù)顯示，火星車蓄電池組各項遙測參數(shù)均正常，滿足任務要求。通過對在軌數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)火星車在第327個火星日(北京時間2022年4月15日)之前，蓄電池組每天均可以實現(xiàn)能源平衡，達到電量計滿充校準條件，由于電池設計留有一定余量，放電初期查表電量高于積分電量，兩者差值不大于5 A·h(此差值由電池初期設計余量決定，余量越大差值越大)，隨著電池的使用，壽命末期兩者差值將會越來越小，顯示容量逐漸趨于設計容量。圖5中截取了第226個火星日到第231個火星日的積分電量與查表電量數(shù)據(jù)。

圖5 第226個火星日到第231個火星日的積分電量與查表電量曲線

火星車所在地區(qū)于北京時間2022年4月21日立冬，7月21日冬至。數(shù)據(jù)顯示，從第327個火星日(北京時間2022年4月15日)開始，太陽高度角逐漸降低，每日發(fā)電量逐漸減小，火星車每日溫度開始逐漸下降，蓄電池組溫度也逐漸下降，詳見圖6。隨著充電量減小和蓄電池組溫度下降疊加影響，火星車于第328個火星日開始不再能達到滿充校準條件，積分電量與查表電量差值逐漸增加，積分電量誤差導致的蓄電池組容量誤差逐漸顯現(xiàn)，詳見圖7。由于壽命期內(nèi)蓄電池組溫度穩(wěn)定在10 ℃以上，火星車以積分電量為默認電量是可行的，但進入擴展任務期，火星車面臨更嚴苛的工作環(huán)境，溫度逐漸下降，每日溫差在15 ℃左右，每日容量誤差在1.2～1.5 A·h。積分電量顯然已經(jīng)無法滿足任務要求，因此自第331個火星日開始設置自主校準功能使能，之后火星車容量每天均得到校準，解決了電池電量測不準問題。在軌飛行情況證明了本文所提出方法的必要性和正確性。

圖6 第136個火星日到第336個火星日的蓄電池組溫度曲線

圖7 第327個火星日到第336個火星日的積分電量與查表電量曲線

火星車在火星表面上工作了359個工作日后，蓄電池組以不低于45 A·h的容量于2022年5月18日凌晨4：00左右進入了預期的休眠模式，等待漫長的冬季過后光照條件再次變好時依靠蓄電池組剩余容量完成喚醒過程，喚醒后，火星車還將第一時間進行查表校準，對經(jīng)歷漫長冬季之后的容量進行實際判斷，為喚醒后火星車能否安全度過第1個火夜作出判斷，若不滿足度過火夜條件，火星車將再次休眠，直至蓄電池組容量達到過火夜條件。

3 結束語

隨著我國深空探測工程的開展，探測器自主實現(xiàn)在軌蓄電池組容量的高精度校準已十分迫切。對于火星任務，大時延、不可見等制約因素給火星車準確判斷蓄電池組容量帶來了極大挑戰(zhàn)。本文所述的天問一號火星車蓄電池組在軌容量自主校準方法，解決了傳統(tǒng)航天器高精度容量確定面臨的幾大難題：①通過查表電量與電量計計算電量相結合的方式，解決單純使用電量計計算誤差大的問題；②通過軟件自主校準策略擺脫地面測控限制，實現(xiàn)實時監(jiān)測、實時校準等自主管理問題；③通過數(shù)據(jù)篩選、優(yōu)化算法及數(shù)據(jù)庫形式，使系統(tǒng)資源占用減小到傳統(tǒng)方式的20%以下，在保證精度及資源占用率方面取得了最佳平衡。另外，本文方法確保火星車蓄電池組容量在火星表面長期工作及不定期休眠后始終處于可信范圍內(nèi)，可為火星車在無地面測控支持條件下實現(xiàn)高智能能源自主管理提供有利支撐，對后續(xù)火星車尤其是對深空探測器能源自主管理具有參考價值。