MEO卫星氢镍蓄电池组自主充电管理方法

曾毅 崔波 张晓峰

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

MEO 卫星是轨道高度介于数千千米至地球同步轨道之间的卫星。目前，世界上已发射的MEO卫星主要运 行 于20 000km 至25 000km 之 间 的 高度。由于其特有的轨道高度，MEO 卫星既同地球同步轨道卫星一样有固定的地影季及长光照期，又同低轨卫星一样有测控不可见弧段，因此MEO 卫星的蓄电池管理技术有其自身的特点。

本文针对MEO 卫星氢镍蓄电池组应用的特点，提出了新的将数字化控制与传统硬件电压-温度（V-T）［1-2］控制相结合的氢镍蓄电池组在轨自主管理策略，包括充电管理技术、防欠充过充保护技术、长光照期涓流充电管理技术等内容，并给出了在我国MEO 卫星上在轨应用的效果。

2 氢镍蓄电池在MEO 轨道使用的技术特点

空间应用的氢镍蓄电池结合了燃料电池与镉镍蓄电池的优点［3］，其充电特性与卫星上广泛应用的镉镍电池有所不同。特别是充电终止的电压-温度（V-T）特性不像镉镍电池那样是线性的［4］，若仍然沿用镉镍电池常用的模拟电路硬件V-T 控制方式，则难以实现精准的充电终止控制；另一方面，氢镍蓄电池的自放电率随循环次数增加而增大，因此传统的靠太阳电池阵限流的涓流充电方式在寿命初期有可能导致蓄电池组过充。但是，氢镍蓄电池的单体压力参数可以很好地反映蓄电池的荷电状态，这是氢镍蓄电池在轨充放电管理可以利用的一个重要特性，也是镉镍蓄电池所不具有的新特性。

运行于20 000km 至25 000km 高度的MEO 卫星，每年将经历两次地影季，其他时间则处于长光照期中，这一点与GEO 卫星类似。然而由于轨道高度较低，MEO 卫星最长地影时间在60min左右，略短于GEO 轨道的72min，而轨道周期几乎仅有GEO 轨道的一半，使得可用于充电的时间较GEO大大缩短。另外，MEO 卫星有大量时间处于可测控范围［5］之外，对星上自主管理提出了较高的要求。

以某MEO 卫星为例，其轨道高度约22 000km，轨道倾角55°，其轨道与卫星电源系统有关的主要特点有：

（1）每年两个地影季，地影季时间由轨道升交点赤经决定；

（2）最长地影时间为60min左右；

（3）最大不可监测时间为18h左右。

电源系统设计方面，该卫星采用42V 母线，整星功率2 000W，采用两组40Ah的氢镍蓄电池组作为储能装置。电源控制装置在地影季采用C／10［6］的充电电流对蓄电池进行充电，长光照期涓流电流由太阳电池阵的涓流阵限定为固定的C／200。

3 常用的蓄电池地影季充电管理技术

3.1 硬件V-T充电控制

与镉镍蓄电池类似，在一定的温度范围内，氢镍蓄电池在同一荷电状态下，电池电压随温度升高呈单调递减关系。根据这一特性，氢镍蓄电池也可采用镉镍蓄电池常用的电压-温度补偿（即V-T曲线控制）的方式进行充电终止控制。采集蓄电池的温度和电压，当温度与电压满足一定条件时，即停止充电。

采用电路实现的V-T 控制方式即为硬件V-T充电终止技术。由于电路特性的限制，通常只能按照线性的电压-温度特性进行控制。为了适应蓄电池的不同状态，一般在电源控制器内预置多条V-T曲线，覆盖寿命初期、末期及存在一节单体失效等模式。硬件控制手段可作为软件控制手段的备份和补充。以某MEO 卫星为例，该卫星预置了6条V-T曲线，在正常情况下都是用软件作为主控手段，在软件报故障或禁止的情况下，硬件V-T 仍能完成控制。6条曲线如图1所示。

由于氢镍蓄电池的V-T 特性并非线性，而硬件电路仅能实现有限的几条线性V-T 曲线，因此硬件V-T 控制方法仅能完成基本的控制，对于温度变化较大的情况则难以达到最佳的效果。

图1 某MEO 卫星硬件V-T 曲线Fig.1 Hardware V-T curve of a MEO satellite

3.2 电子电量计控制

电子电量计的工作原理为［7-8］：在放电时通过对放电电流积分获得累积放电电量Q放，在充电时通过对充电电流积分获得累积充电电量Q充，当Q充与Q放满足如下关系时即停止对蓄电池充电或将蓄电池转为涓流充电模式

式中：K 为充放电比，为可调参数。在轨应用时，可针对蓄电池的充放电特性进行调整。该方法广泛应用于高低轨各类卫星，通过调整充放电比的大小，可以对积分计算误差进行一定的补偿，也可以克服蓄电池性能衰降的影响。

充放电比的大小，根据电源系统特点不同设置往往有差别，例如，低轨卫星通常设置为1.05 至1.10左右，这是考虑到充电效率的影响。而以某MEO 卫星为例，由于即便在最长地影条件下，该轨道光照时间也是地影时间的10倍左右，因此该卫星将充放电比设置为0.95，在满足充放电比条件后转入涓流充电模式，通过涓流充电补足蓄电池容量。

这种控制方法依赖于星上计算机的软件实现，同时，由于电流取样误差的存在和积分对误差有累积效应，需要在地面和在轨飞行中，对电流取样和充放比K 进行细致的标定。由于积分运算的存在，当累积误差过大或者星上计算机出现复位等异常情况时，电子电量计控制可能会由于误差过大或丢失积分数据而失效，甚至导致过充或者过放等严重问题。

4 MEO卫星应用的控制策略及在轨验证

单一的电子电量计控制方法在电流检测误差过大，或者星上计算机异常情况下将无法完成正常的控制，甚至造成蓄电池组过充或者欠充，危及整星安全。本节提出在能源管理软件中增加数字V-T 充电控制功能，并将电子电量计控制与数字V-T 控制紧密结合的方法，同时加入了必要的过充和欠充保护，以及长光照期的涓流管理功能。在数字控制手段之外，还采用硬件V-T 作为辅助手段，当数管软件出现故障时，硬件V-T 控制电路仍可完成蓄电池的充电控制，从而形成了较为完善的MEO 卫星氢镍蓄电池组在轨管理策略。

4.1 数字V-T控制方法

数字V-T 是通过数管软件实现的电压-温度补偿控制。软件通过当前蓄电池温度计算蓄电池充电终止电压阈值，当蓄电池电压遥测值达到充电终止阈值时，即停止蓄电池倍流充电，转入涓流充电模式。

相比硬件V-T，数字V-T 具有可根据蓄电池状态灵活配置的优点。在工厂电测、在轨运行、蓄电池单体失效等不同情况下可以选用不同的曲线。根据蓄电池在轨充电的实际情况，还可以随时进行相应调整。同时，蓄电池的同一容量下电压与温度的对应关系并不是完全线性的，数字V-T 可以更精确地反映这一关系，达到最佳的控制效果。某MEO 卫星数字V-T 曲线如图2所示。

由于数字V-T 方法仅与当前蓄电池电压和温度有关，即使计算机复位仍然能够按照预设的参数进行控制。并且电压和温度的检测在速度和精度方面对硬件的要求都比电流检测大大降低，非常易于实现，甚至不需要专门地设置传感器。数字V-T 技术的这些优点，正好克服了电子电量计控制的缺点，可以作为电子电量计控制功能的补充。其充电终止以蓄电池温度和电压作为标志，在充放电比控制功能异常中断的情况下，可以自主切换到数字V-T 控制完成蓄电池充电。而如果在电子电量计控制结束的状态下，通过蓄电池压力判定欠充，也可以切换至数字V-T 充电，补充所缺的容量。

图2 某MEO 卫星数字V-T 曲线Fig.2 Digital V-T curve of a MEO satellite

由于采用了电子电量计与数字V-T 结合的充电管理方式，MEO 卫星在不可测控轨道弧段的充电管理安全性大大提高，克服了电流遥测精度较低带来的问题，确保了良好的控制效果。图3～图5为某MEO 卫星采用数字V-T 作为充电控制手段时的地影期压力、温度、电池组电压变化曲线。虽然每天地影时间的不同造成电池组放电深度不同，MEO 卫星氢镍蓄电池组每天均能充电到固定的阈值，电池温度和电压状态稳定。

图3 某MEO 卫星地影期蓄电池压力变化曲线Fig.3 Pressure of the battery of a MEO satellite in eclipse period

4.2 蓄电池防欠充、防过充保护技术

由于MEO 轨道不可测控弧段较长，为了确保卫星供电安全，特别是地影季的供电安全，蓄电池管理必须要考虑电池组过充和过放的问题。

氢镍蓄电池可以通过蓄电池压力监测蓄电池的荷电状态，通过在电子电量计和数字V-T 软件中加入对蓄电池压力的判断，即可实现蓄电池的防欠充、防过充保护。

图4 某MEO 卫星地影期蓄电池温度变化曲线Fig.4 Temperature of the battery of a MEO satellite in eclipse period

图5 某MEO 卫星地影期蓄电池组电压变化曲线Fig.5 Voltage of the battery of a MEO satellite in eclipse period

某MEO 卫星充电软件设计中，设置了专门的欠充保护压力阈值。在蓄电池充电结束后，需对蓄电池压力进行判断，若蓄电池压力不高于该阈值，则继续对蓄电池进行充电，软件转入其他的充电终止模式。这样就可以避免由于累积误差或者误指令等原因造成的蓄电池容量不足，确保卫星进入地影前有足够的电量。

在防过充方面，采用硬件V-T 作为充电的备份手段，将硬件V-T 的充电终止阈值设置得较高，确保正常充电情况下不作用。当软件发生故障时，硬件V-T 就可以在蓄电池容量达到其动作阈值时终止充电。同时，软件还设置了最高蓄电池压力保护阈值，当蓄电池压力到达该阈值时，软件也将停止对蓄电池充电。

这些控制策略均在某MEO 卫星上得到在轨应用，各种控制方法的模式切换如图6所示，该卫星在轨飞行4年多，未出现蓄电池组过充或欠充现象。

图6 控制模式的转换Fig.6 Transition of the control mode

4.3 蓄电池长光照期涓流充电管理技术

氢镍蓄电池自放电速率较大，在长光照期需对蓄电池进行涓流充电，保持蓄电池的荷电状态。

某MEO 卫星采用了恒定涓流值的设计，由太阳电池阵上的充电限流阵限定涓流电流。由于太阳电池的短路电流随寿命增长而降低，而氢镍蓄电池的自放电速率随循环次数增长而变大，为了确保寿命末期涓流能够满足蓄电池的要求，寿命初期涓流值则往往比蓄电池实际自放电电流大。通过间歇涓流充电的方式，维持蓄电池容量的平衡。

为了将蓄电池组在长光照期的荷电状态保持在一个合理的范围内，既不过充又能保持足够能量以应对姿态失控等紧急情况，在某MEO 卫星上应用了通过星上软件控制涓流充电的方法。软件涓流管理也通过软件自动实现，采用蓄电池组压力作为管理判据，当蓄电池压力由于自放电低于下限阈值时，则接通涓流充电开关。由于涓流电流大于自放电，蓄电池组压力将缓慢升高，当压力到达上限阈值时，软件则自动断开涓流充电开关。涓流电流和自放电电流都较小，通常一次控制周期在7～10 天左右。如图7所示。

图7 长光照期涓流控制策略Fig.7 Trickle charge strategy in solstice period

这种控制方式在某MEO卫星上得到了应用，并推广到了后续的高轨道卫星，在长光照期取得了非常理想的控制效果。如图8、9所示，蓄电池组的压力、电压测量遥测参数随着涓流管理的控制而呈现周期性的上升和下降，但始终维持在一个预定的范围内。

图8 某MEO 卫星长光照期蓄电池组压力变化曲线Fig.8 Pressure of the battery of an MEO satellite in solstice period

图9 某MEO 卫星长光照期蓄电池组电压变化曲线Fig.9 Voltage of the battery of an MEO satellite in solstice period

5 结论

MEO 卫星在轨运行时，具有较长时间的不可测控弧段，对星上蓄电池组充电管理的自主能力提出了较高要求。为了确保氢镍蓄电池组在轨长寿命高可靠运行，某MEO 卫星应用了数字V-T、电子电量计两种软件管理方法与硬件V-T 电路相结合的充电控制方法，并通过软件方式实现防过充和防欠充保护，确保了地影期氢镍蓄电池组的高可靠自主充电管理。在长光照期，某MEO 卫星通过软件监测蓄电池组压力，根据压力自主控制涓流充电，将氢镍蓄电池组保持在满荷电态，消除了涓流电流不可调带来的过充隐患。

某MEO 卫星应用的上述氢镍蓄电池自主充电管理方法，经过了4年实际的飞行验证，取得的主要经验有：①将氢镍蓄电池压力参数应用至蓄电池管理软件能够有效防止过充和欠充；②采用多样的充电终止策略，明确不同策略间的优先级关系，能够大大提升充电管理的可靠性；③对于MEO 卫星，必须采用有效的星上自主管理方式，提升卫星平台的自主运行能力。

作为我国第一个MEO 航天器，某MEO 卫星在氢镍蓄电池管理方面做出了积极的探索，可供后续的航天器电源系统设计参考。

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