GEO卫星氢镍蓄电池压力在轨特性研究

陈世杰　刘　震　朱立颖　崔　波（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

GEO卫星氢镍蓄电池压力在轨特性研究

陈世杰刘震朱立颖崔波
（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

针对多颗地球静止轨道（GEO）卫星氢镍蓄电池组压力数据在轨正向漂移的现象，文章分析了测量方式及温度对压力遥测的影响，提出基于小波分析和平稳时间序列分析的数据趋势项提取方法，并在数据趋势项的基础上建立压力遥测的修正模型。以该模型为依据，预测下一个地影季充电压力终止点。研究结果：可以在地影季到来前，及时调整氢镍蓄电池组在轨充电终止阈值和报警阈值，防止过充电，确保蓄电池组在轨管理的准确性和安全性，并有效提高蓄电池组寿命。

氢镍蓄电池；地球静止轨道卫星；压力；修正模型

1　引言

地球静止轨道（GEO）卫星在过去的20年间都广泛使用了氢镍电池。国际上，已有近100颗卫星携带10000多个氢镍电池作为电源系统的储能部件，累计安全飞行近10亿小时［1］。在国内，除早期采用东方红三号卫星平台的通信卫星使用镉镍电池外，后续采用东方红三号、东方红四号卫星平台研制的十余颗GEO卫星均采用氢镍蓄电池组，一般为独立压力容器结构。由于直接决定整星地影期的供配电任务完成情况，氢镍蓄电池组的设计及在轨管理方法是供配电分系统的关键技术项目。常用的氢镍蓄电池组充电控制方法有温度-电压（T-V）曲线控制、充放电比率控制等［2］。

国内学者对氢镍蓄电池组充电控制方法已经有了比较深入的研究。文献［3］对卫星氢镍蓄电池组的充电控制技术进行了研究，设计了氢镍电池压力控制充电方案，以恒流源方式为氢镍电池压力传感器供电，消除了系统的非线性误差，提高压力测量的准确性。文献［4］对压力-温度曲线充电控制方法进行了研究，引入温度信号对压力进行补偿，更为精准地控制蓄电池的容量。文献［5］提出了地影季的温度-电压控制与电量计结合的充电管理方法，以及长光照期的压力控制涓流充电方法。

由于直接决定整星地影期的供电情况，甚至影响卫星寿命，氢镍蓄电池组的充放电设计及在轨管理方法是整星的关键技术。作为压力容器，氢镍蓄电池组单体压力是在轨判断氢镍蓄电池组荷电状态和控制充电终止的重要指标。而国内的研究重点，均关注以氢镍蓄电池的压力为判据的充电控制方法，但对在轨实际压力变化关注较少。用非压力控制方法的多颗在轨GEO卫星的氢镍蓄电池充电压力终止点数据，在多个地影季内均表现出了不同程度的正向漂移，这很大程度影响了压力作为充电终止判据的准确性，甚至存在蓄电池组过充的风险。部分东方红四号平台及国外卫星的星务计算机将压力作为判据之一，且判据值可以上行注入，并辅助温度控制等多种方法［6］。这种综合判断的方法更准确，但压力遥测的变化可能导致频繁的上行注入阈值，带来不必要的麻烦。同时，压力遥测值的变大可能带来误报警的现象，对在轨管理产生干扰。一些国外的卫星在轨管理过程中，同样发现了充电压力终止点正向漂移的现象，部分国外学者也对该现象开展了研究。Verbrugge等人从电化学和热特性角度，认为过量的氢气来源于热效应下基体与氧化物的反应，反应速率与温度的关系符合阿伦尼乌斯模型［7］。但国内外文献并未对在轨数据进行研究，也未对在轨管理方式提出意见，而该问题涉及蓄电池充电管理的安全性，因此采用结合在轨数据研究的方法十分重要。

针对该问题以及国内外研究现状，本文首先介绍了氢镍蓄电池组压力在轨变化的具体现象，并结合地面试验数据分析其具体原因。进而以某卫星数据为例，提取压力遥测在其寿命周期内变化的趋势，并建立压力变化的模型。最终，以该模型为依据，预测下一个地影季内充电压力的终止点。在轨管理中，可以根据该预测值及时调整充电压力终止点阈值和遥测报警阈值，以提高蓄电池在轨充放电管理的安全性和准确性。

2　氢镍蓄电池组充电压力终止点变化及其原因分析

采用非压力控制方法的某卫星蓄电池压力遥测数据在一个地影周期内和多个地影期内的变化如图1和图2所示。多颗GEO卫星表现出了相似的变化趋势。可以发现，充电压力终止点，即蓄电池在一个充放电周期内压力的最大值总体呈变大的趋势。电压、温度等遥测值并未出现相似的变化趋势，蓄电池压力遥测值的变化并非是容量、温度等因素引起。

图1　蓄电池一个地影季内地影季压力遥测值变化曲线（2013）Fig.1　Telemetry data of pressure of battery in the shadow（2013）

图2　蓄电池压力遥测值变化曲线（2012—2014）Fig.2　Telemetry data of pressure of battery （2012—2014）

氢镍蓄电池压力在轨遥测值变化可能有多种原因。①测量误差，国内航天器蓄电池压力测量方式一般采用单体电池表面贴压力片的测量方式。该测量方法是一种间接测量方式，并不是蓄电池压力遥测值的真实反映。而部分国外航天器的设计是将压力传感器插入压力容器内。该方法如果在保证焊接安全性和压力安全系数的前提下，测量的准确度优于表贴测量方式［2］。同时，测量电路精度也会受到空间环境的影响。②蓄电池隔膜随着时间的变化可能会有微小膨胀，这样会导致压力容器内可容纳气体的体积变小，压力升高。随着在轨充放电循环的不断进行，镍正极基体和活性物质被氧化为更高价态，产生氢气，导致压力升高。

针对该问题，在地面开展了氢镍蓄电池组高温（25℃±3℃，即电池组在轨工作上限）寿命试验。选用3只80Ah电池共进行80%放电深度循环900次，最终1只电池放电终压低于1V，寿命试验结束。寿命试验各阶段，循环中电池充电终止时压力随循环次数的变化如图3所示。可以看出，充电终止压力在整个寿命试验的过程中明显增大，相对初期最大工作压力，寿命试验即将结束时，电池最大工作压力上升0.9MPa。

图3　寿命试验中电池充电终止压力变化曲线Fig.3　Curve of finial charging pressure in the life test

温度是影响氢镍电池循环寿命的重要因素。高温循环（放电结束温度超出30℃），充电效率低，正极微孔中有过量氧气析出，将破坏骨架与基体的紧密结合，腐蚀电极，加速电极膨胀，缩短电池的循环寿命。同时，正极基体和活性物质加速被氧化为更高价态，产生氢气，压力加速升高。

氢镍蓄电池在轨管理中，温控阈值为—6～—4℃，将温度引起的退化失效控制在最小。因此，在轨实际压力虽然仍有持续增大的趋势，但并未出现寿命试验中过快上升直至电池失效的现象。

3　基于小波分析和平稳时间序列分析的数据趋势提取方法

3.1数据趋势提取方法

遥测数据由于野值和精度问题，并不适合直接用来建模和预测。本文采用基于小波分析和平稳时间序列分析的数据趋势提取方法，获得数据趋势项，采用数据趋势项建立的模型更加准确。

小波分析在时域和频域均具有较好的多分辨特性和局部特性，因此被作为一种时频分析工具，广泛应用于工程领域的各个方面。本文利用一族时频域特性较好的局域化基函数，将遥测数据在多层次正交空间上分解。通过小波分析后的退化数据具有噪声小、特征明显等优点［8］。

根据传统多分辨理论，将氢镍蓄电池组压力遥测数据依次进行高通滤波和低通滤波，进而得到退化数据的低频信号和高频信号。对低频信号进一步分解，原始数据为P，设低频信号分解层数为m，对分解的信号依次进行小波重构，可以表示为

式中:Gi为第i层高频信号重构的结果；Xm为第m层低频信号结果。

分解的结果中，｛G1，G2…Gm｝为高频信号，反映了遥测变化量的噪声信息，作为随机项。Xm为低频信号，反映了遥测数据变化量的总体趋势。设Y为压力遥测数据趋势项，而Z为随机项［9］。因此，重构结果可以表示为

时间序列分析广泛应用于工程领域中，本身来源于统计学。时间序列的平稳性分析是时间序列分析的基础［10］。本文利用零均值平稳时间序列对随机项进行检验，验证其是否包含趋势信息。

综合以上方法，对氢镍蓄电池组在轨压力遥测数据提取的步骤如下:

（1）对数据进行野值剔除；

（2）将野值剔除后的退化数据进行小波分解，得到高频数据和低频数据；

（3）对高频数据进行平稳时间序列的丹尼尔检验［10］，如果检验结果满足平稳性假设，则对低频数据再进行一次小波分析。直到高频信号序列检验结果为非平稳。

高频信号的非平稳证明退化数据的高频分量中已经存在一定趋势。因此，该步骤之前的低频信号为最终结果，其他数据之和为噪声信号，整个过程如图4所示。此方法可以有效地去除由于测量、信号变换等因素带来的随机内容，结果可以反映出遥测值在该时间内的趋势信息。

图6　蓄电池地影季压力遥测数据趋势项（2012—2014）Fig.6　Trending data of pressure in the shadow（2012—2014）

图4　趋势项提取程序流程图Fig.4　Flow chart of data trend extraction

图5　蓄电池地影季压力遥测数据（2012—2014）Fig.5　Telemetry data of pressure in the shadow（2012—2014）

3.2压力遥测趋势提取结果

采用以上方法对某GEO卫星氢镍蓄电池组压力遥测数据进行趋势项提取。为保证数据的连续性，仅对地影季内遥测数据进行处理。遥测数据如图5所示，数据趋势项如图6所示，随机项如图7所示。

图7　蓄电池地影季压力遥测数据随机项（2012—2014）Fig.7　Random data of pressure in the shadow（2012—2014）

4　氢镍蓄电池组充电压力终止点修正

对数据趋势项进行拟合。经验证，在线性拟合、指数拟合、对数拟合中，指数拟合方差最小，精度最高。拟合的基函数为P=atb，其中P为压力，t为时间，得到结果为P=4.497t0.01934，其中，a的置信区间为（4.341，4.654），b的置信区间为（0.011 80，0.027 51）。拟合结果如图8所示。

由此模型预测2014年秋季地影期内压力遥测值变化。如图9所示，地影期结束时，压力遥测的基准值预测结果约为4.986 MPa，充电终止点约为5.331 MPa。

实际2014年秋季地影期内，南蓄电池最大充电压力终止点为5.315 MPa，预测精度达到0.3%。后续地影季到来前，可以根据预测结果，及时调整压力报警门限及充电终止判据。

图8　蓄电池地影季压力遥测值拟合结果（2012—2014）Fig.8　Result of data fitting in the shadow（2012—2014）

图9　蓄电池地影季压力遥测值预测结果（2014）Fig.9　Prediction of the pressure in the shadow（2014）

5　结束语

本文针对多颗GEO卫星在轨普遍存在的氢镍蓄电池组充电压力终止点变大的问题，采用小波分析和平稳时间序列分析的方法对数据趋势项进行提取，并采用拟合的方法预测下一个地影季充电压力终止点，精度达到0.3%。综合全文，得到如下结论:

（1）GEO卫星氢镍蓄电池组压力遥测值变化主要是由测量方式、电池隔膜变化等因素引起的。

（2）对于在轨GEO卫星，本文提出的压力遥测值修正方法可用于充电压力终止点的调整，提高在轨蓄电池组管理的安全性和准确性。具体可以根据实际蓄电池压力遥测数据，建立趋势变化模型，预测即将到来的地影季充电压力终止点的最大值，提前修改充电管理阈值和报警阈值。

（3）对于在研卫星，须要更加关注氢镍蓄电池组压力测量方式，并注意确保电池组所处的环境温度在合适的范围内。

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（编辑：李多）

Research of On-orbit Nickel-hydrogen Battery Pressure Characteristics of GEO Satellite

CHEN Shijie LIU Zhen ZHU Liying CUI Bo
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

For the charge finishing pressure of nickel-hydrogen battery transferring to positive of on-orbit GEO satellites，this paper analyses the effects of measurement and temperature on telemetered presure data，then put forwards data trend extraction method based on wavelet analysis and stationary time series analysis，and builds a modified model according to the date trend extraction method.The charge finishing pressure telemetry data is predicted with the model.The conclusion is that modulating the charge finishing and alarming threshold can be adjusted before shadow to prevent over charging，which can ensure the accuracy and safety of the satellites on-orbit management，improving the life of the battery effectively.

nickel-hydrogen battery；GEO satellite；pressure；modified model

V442

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.03.011

2015-11-03；

2016-03-09

国家自然科学基金（51407008）

陈世杰，男，工程师，研究方向为航天器电源总体设计。Email：csjsuccess@126.com。