卫星用锂离子蓄电池性能分析与在轨管理方法

罗广求，段艳丽，罗 萍

（中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384）

锂离子电池具有比能量大、充放电效率高、寿命长等特点，非常适合作为卫星的储能电源。国际上，锂离子电池作为卫星电源的应用研究，基本保持着与商品市场技术同步的状态[1]。作为第三代卫星储能电源，锂离子电池的在轨管理方法还不完善[2-3]，需要根据锂离子电池的特性进行专门设计，以保证电池在轨稳定工作，达到使用的寿命要求。本文通过对典型20 Ah 卫星锂离子电池的性能测试，总结了锂离子电池在卫星上应用的管理方法，为锂离子电池的在轨管理提供了技术支持。

1 实验

实验电池为典型空间锂离子电池，主材料体系为LiCo-O2/MCMB，电池额定容量为20 Ah。

1.1 电池循环容量实验

实验1：电池在不同充电电压下的容量测试。

采用Arbin 充放电设备，以0.1C分别充电至3.9、3.95、4.0、4.05、4.10、4.15 V 和4.2 V，再恒压充电至电流小于0.01C，然后电池以0.7C放电至2.75 V，计算不同充电电压下的放电容量。

实验2：不同充电电压下的循环性能测试

采用Arbin 充放电设备，电池以0.1C分别充电至4.0、4.1、4.2 V 和4.3 V，恒压充电至电流小于0.01C，然后电池以0.7 C 放电至2.75 V，循环进行。

实验3：充电截至电压（VEOC）与循环容量关系测试

20 Ah 电池以0.1C分别充电至4.0 V、再恒压充电至电流小于0.01C，然后以0.7C放电72 min（典型在轨工况），当电池循环容量小于20 Ah，提高充电电压至4.05 V，继续循环测试，当循环容量再次小于20 Ah 时，再提高充电电压至4.1 V，如此循环，电池充电电压提高至4.15 V，且循环容量小于20 Ah 时，停止实验。

1.2 电池存储实验

电池进行贮存容量实验，实验因素包含：存储温度和电池荷电态。实验采取5 个20 Ah 单体电池一组取平均值的方法进行统计，测试周期间隔为3 个月。

实验样本表格如表1所示。

表1 电池存储实验表格 电池/个

1.3 温度循环实验

在－30～60 ℃范围内，每隔10 ℃进行一次电池容量测试，测试方法为：0.1C充电至4.1 V，恒压4.1 V 充电至电流小于0.01C，然后以0.7C放电至2.75 V，完成10 个温度点的容量测试。

电池分别在常温和－10 ℃条件下，以0.1C充电至4.1 V，再恒压4.1 V 充电至电流小于0.01C，然后以0.7C放电至2.75 V，循环测试。

2 结果和讨论

2.1 充电截止电压(VEOC)对电池容量和循环性能的影响

不同充电截止电压下，20 Ah 锂离子电池的容量如图1所示，从图1中可以看出，额定容量相同的同型号电池，充电截止电压从3.9 V 提高到4.2 V 过程中，电池容量随充电电压的提高明显增长，满足近似线性规律。

不同的充电截止电压条件下，锂离子电池的循环容量保持率如图2所示。从图2中可以看出，寿命初期，充电截止电压高则电池容量高，同时容量的衰降速度也快；充电截止电压低，电池的初期截止电压低，电池容量衰降速度慢。1 000 次寿命循环后，高VEOC电池的循环容量小于低VEOC电池。由分析可知，锂离子电池VEOC越低则容量衰降越慢，有利于延长电池的循环寿命。

电池在不同充电截止电压下的循环容量测试结果如图3所示。从图3中可以看出，电池从较低的VEOC（4.0 V）开始进行容量循环测试，当容量降低至卫星需求下限（20 Ah）时，将VEOC从4.0 V 提高至4.05 V，使得电池的循环容量相应增加约5%，继续循环测试，在电池的安全使用范围内(最高不超过4.2 V)，通过逐步提高VEOC的方式，电池的循环次数可满足卫星在轨18年（36 个阴影季）以上的寿命要求，显著延长卫星工作寿命，这可以作为电池在轨长寿命管理的重要方法。

图3 充电截止电压调节方法

2.2 锂离子电池贮存容量衰降性能分析

不同荷电状态下电池的贮存衰降实验结果如图4所示，数据表明锂离子电池的容量衰降主要发生在贮存初期，特别是存储周期的最初6 个月，存储半年以后，电池容量衰降率大幅度减少。从对比测试可知，电池的荷电状态对性能有重要影响，电池荷电态过低（如低于30%SOC）或过高（高于80%SOC），电池容量的衰降速率都显著高于中等荷电态贮存（30%SOC～50%SOC）。

图4 电池容量随储存时间的变化关系

电池在不同温度下的贮存衰降速度比较如图5所示，从图5中可以看出，前6 个月电池的容量衰降速度最快，这一点与不同SOC条件下的贮存结果一致；另一方面，电池在10 ℃以下贮存时，其容量衰降速度差别不大，特别在－10～10 ℃范围内，电池容量衰降最少，当贮存温度达到20 ℃时，电池容量的衰降速度显著加快。

GEO 卫星具有如下轨道特点[4]：每年有两个约135 天的长光照期，在此期间蓄电池基本无功率输出要求，处于贮存状态。根据卫星轨道的特点，结合锂离子电池的特性，电池组在不工作时以近似半荷电态（30%～50%SOC）存储在－10～10 ℃温度下（这也是卫星温控较易实现管理的范围），有利于保持电池循环容量，延长使用寿命，非特殊情况（如卫星姿态机动或变轨），不应将电池组长期存放于满荷电态、空荷电态和相对高温（≥20 ℃）条件下。

2.3 电池温度特性与在轨温控措施

电池的循环容量与环境温度的关系如图6所示。从图6中可以看出，环境温度过高，如超过40 ℃，电池的可逆容量随着温度升高而轻微降低；使用环境温度过低(如低于10 ℃)，电池的可逆容量随着温度的降低而显著减小。

电池在低温－10 ℃和常温（20±5）℃下进行0.7C放电100%DOD循环测试，电池的可逆容量和容量衰减速度都有着显著的区别，如图7所示，数据表明电池在低温（－10 ℃）循环容量的衰降速率是常温条件下的3 倍以上，如果电池工作的温度环境持续较低，则会显著缩短电池的工作寿命。

从锂离子电池容量与温度的关系特性可以看出，作为空间储能电池，在轨使用时必须采取主动温控措施，保持锂离子电池的工作温度在10～30 ℃范围内，由于锂离子电池在小倍率充电时是一个吸热过程，因此充电时电池温度要保持不低于10 ℃。当电池采样温度低于10 ℃时，开启加热带加热，当电池温度高于20 ℃时，停止加热。

3 总结

通过对典型20 Ah 卫星用锂离子的性能测试与分析，结合卫星应用的特点和要求，可以得出如下结论：（1）通过逐步提高充电截止电压的方法，可以显著延长锂离子电池的循环寿命；（2）锂离子电池在长光照期搁置期间，以近似半荷电态保持在－10～10 ℃条件下，容量衰降最小，可延长蓄电池的日历寿命；（3）低温（10 ℃以下）不利于锂离子电池可逆容量的保持，卫星用锂离子电池需要采取主动温控措施，保证电池在10 ℃以上的环境下工作，这是保证和延长电池工作寿命的关键因素之一。

[1]MAUESCO P，DIRAISON J.Eurostar E3000 Li-ion batteries in orbit experience[C]// 23rd AIAA International Communications Satellite Systems Conference.Rome：23rd AIAA，2005.

[2]CARTER B，MATSUMOTO J，PRATER A，et al.Lithium ion battery performance and charge control[J].Acta Astronautica，2004，54：559-563.

[3]INOUE T, IMAMURA N, YOSHIDA H，et al.Up-dated life estimation model of GS yuasa’s large lithium ion cells[J].NASA Aerospace Battery Workshop AL，2006，11：14-16.

[4]WANG X M，SONE Y，NAITO H，et al.Cycle-life testing of 100 Ah class lithium-ion battery in a simulated geosynchronous-Earth-orbit satellite operation[J].Journal of Power Sources，2006 160：602-608.