中高轨卫星锂离子蓄电池组自主健康管理系统设计

张 强，孔陈杰，习成献，刘恩权，何 盼，陈天明，李 锐

（中国科学院微小卫星创新研究院,上海 201210)

MEO轨道卫星同地球同步轨道卫星一样，每年经历两个地影季，且地影季持续时间长，受测控站地域限制，很多情况下地面站不可能对卫星实现全程实时跟踪，不可测弧段内一旦发生电源故障，若不采取纠正措施，极有可能错过故障最佳处理时机，导致故障蔓延，损失加剧，甚至危及卫星安全。因此，对业务星的在轨健康性、连续性、自主运行能力提出较高的要求。

能源分系统作为星上产生、存储、变换、调节和分配电能的分系统，是保证航天器其他子系统正常工作的基础。一个合适可靠的电源系统对提高卫星的性能，延长卫星的工作寿命起着决定性的作用[1]。

经对近50年来国内外公开发布的航天器在轨运行的故障进行统计和分析，发现能源分系统故障约占航天器在轨故障21%，是航天器故障发生率较高的分系统之一[2]。根据统计可知，其故障模式主要有空间高低温冲击、静电释放以及带电粒子造成的太阳电池阵电路故障与性能衰减，蓄电池不均引起的蓄电池单体过放和过充，其中蓄电池等属于寿命有限的元部件，是航天器在轨失效率较高的产品。因此，在航天器全寿命周期对蓄电池健康状态管理和自主运行能力的提升，有助于提高航天器的可靠性和安全性。

本文充分考虑了锂离子蓄电池的特性和卫星轨道特点，针对业务星在无地面支持的情况下可自主运行能力的要求，提出了一种基于轨道太阳光照角自主判断卫星进出地影时间，自主对蓄电池组进行控温切换、充放电管理、长光照期搁置管理等内容的锂离子蓄电池组在轨自主健康管理系统设计，并通过在轨数据分析对自主健康管理系统的验证情况进行总结。

1 蓄电池组自主管理系统的设计

卫星供电采用的是太阳电池阵-锂离子蓄电池联合供电的电源系统，其中电源控制器提供一条全调节、高精度单母线，能够保证母线电压始终稳定在恒定值。蓄电池采用了高比能量的钴酸锂体系锂离子双蓄电池组，每组蓄电池组由20 A∙h单体电池3并9串构成。

能源系统自主健康管理系统主要要求当卫星能源供应出现异常时，能在脱离地面运控系统支持的条件下，自主完成故障诊断处理，并保证卫星的能源平衡，卫星正常运行时由地面支持的工作变成星上自主控制，且保证精度和可靠性，提高卫星的自主运行能力。

根据需求锂离子蓄电池在轨自主健康管理系统主要包括锂离子在轨自主运行管理策略、故障安全管理两方面内容。

1.1 锂离子蓄电池组在轨自主运行管理策略

锂离子蓄电池寿命主要由存储寿命和循环寿命两部分组成。根据MEO卫星锂离子蓄电池的使用特性，采用了轨道光照角控制、定压差均衡为主，电子电量计为辅的蓄电池组长寿命管理控制手段，制定了锂离子蓄电池组的在轨管理策略。通过星务计算机装载能源管理软件、电源控制器下位软件以及均衡下位机软件协同合作，来实现蓄电池在轨自主管理、均衡管理 、防过充过放等功能，其在轨管理策略主要如下文所述。

（1）充电管理

锂电池组的充电采用先恒流后限压的控制方式，控制单体电池电压不超过设定值。为同时满足寿命初期、末期及蓄电池组单体失效模式下的不同充电需求[3]，设计了一种充电电压以0.5 V为步长在30～38 V之间由指令进行选择，充电电流以0.5 A为步长在0～8 A之间由指令进行选择具有16个恒压电压挡位和16个恒流电流充电挡位的充电调节器。

（2）定压差均衡管理

锂离子单体电池在制造过程中由于原材料和生产工艺水平的限制，使得锂离子单体电池性能参数如电池内阻、自放电率、容量衰减等不能完全一致，随着长期的充放电循环，会导致各单体间的性能差异越来越大，以致整体电池组性能下降，使用寿命缩短，甚至某些单体失效，对系统运行造成不利影响。为确保锂离子电池组在轨安全可靠地运行，需对各单体电池进行均衡处理。兼顾在轨均衡技术代价以及考虑到中高轨卫星具有较长时间的充电时间，且对均衡操作时间限制并不严格，本系统采用独立的均衡管理器，其内部采用能量耗散型的均衡电路即电池两端并联分流电阻，将多余的能量以热能的方式消耗掉，以此使电池组所有的单体电压趋于等同来达到均衡目的。此工作电路简单、可靠，易于实现，因电池的单体电压较小，耗散电流可以设计较小，使相应的设备质量和热耗得以控制。对于电池均衡管理器来说，单体电池采样精度越高越好，但受限于电阻精度和温漂、数模转换芯片精度等，精度不可能无限制提高。本系统单体电池压电模拟量采集主要经过电阻分压网路、高精度的仪表放大器以及12位的AD574模数转换，使其误差范围控制在5 mV以内。均衡管理策略由电源控制器下位机软件来实现锂电池充电、放电、搁置等不同状态下的均衡调节。均衡方式分为下位机软件均衡、硬件均衡和指令均衡方式。星上默认自主软件均衡，采用定电压差均衡方式，即通过均衡算法找出9节电池中的最大和最小的单体电池并进行标记，若最小单体电压低于3.3 V，则认为该单体电池已经故障，在判断离散度时不考虑该单体，选取次小单体电压作为参考，若最小单体电压大于3.3 V，且两者压差大于60 mV，其余单体电压与最小电压逐一进行比较，当差值大于20 mV时，接通对应单体电池的分流开关，对其进行分流，当最大单体电压和最小单体电池电压之间的差值小于10 mV时则停止均衡，蓄电池定压差均衡流程图如图1所示。

（3）长光照存储期管理

卫星在长光照期一般不需要蓄电池组参与供电，蓄电池组无功率输出，处于开路搁置状态，电池组处于近似半荷电态，有利于电池的寿命。在能够满足卫星负载功率要求的前提下，结合卫星用电安全性考虑，在轨初期将搁置时蓄电池的荷电态调高至72.5%～80%左右，对应单体电池电压保持在3.9～3.95 V之间。

（4）地影期管理

图1 蓄电池定压差均衡流程Fig.1 Flow chart of storage batteries equalization with a constant voltage difference

电池进入地影期的前3天，通过星务能源管理软件自主控制，使得蓄电池组工作在更高的温度并对电池进行满充电和均衡管理，电池组充电终止电压为36.45 V（初期）。随着寿命的进行可通过地面指令来调整充电终止电压延长蓄电池组的寿命。

（5）热管理控制

电池的热管理主要是针对蓄电池组的各种工作模式下温度实时监控和针对性的控制，以确保蓄电池工作在最优、安全的温度范围内，延长电池的使用寿命[4]。根据MEO轨道特点和蓄电池工作温度范围小（0～30 ℃），放电时热耗较大，充电时几乎不发热，蓄电池长期处于在轨存储及充电状态，因此蓄电池组的热设计应保证地影期15～25 ℃，光照期-5～15 ℃。为减少蓄电池组及单体的温差，在热设计上采用了主动热控和被动热控相结合的方式，具体如下：套筒式模块单元结构的表面进行黑色阳极氧化处理，强化蓄电池组与周围环境的辐射换热。在安装蜂窝板内预埋两根U形双孔热管，蓄电池组安装面内填充导热硅脂，在安装板外表面区域设置散热面，进行辐射散热。蓄电池组A、B内设计主备4路加热器，每路加热功率40 W加热片粘贴在卡套上。在每个蓄电池组内设置3个温度测量点，根据测量温度对电池组实施主动控温，以保证蓄电池组温度满足热设计要求。

1.1.1 电量计控制

由于锂电子蓄电池组在发生过放电时，会使电池产生不可恢复的短路失效。因此设计电子电量计辅助预测电池组的放电深度和电池性能衰减情况。电量计由星务能源管理软件实现，通过对充放电电流积分来获得累计的当前电量、充电电量、放电电量，同时电子电量计实现当圈清零，并根据检测电量发出电量过充和电量过放报警信号，作为蓄电池组电压过充和过放报警的备份手段。

1.1.2 蓄电池组的自主进出影

星载计算机装载能源管理软件依据轨道太阳角自主判断卫星进出影时间，通过总线给PCU发送工况标识（初始、半充、搁置、满充），并进行相应的温度管理设置，来实现卫星自主进出影、电量计、蓄电池热控管理等自主健康管理功能，避免了蓄电池组在光照期和地影期频繁来回切换过程中地面系统发送遥控指令的操作，实现了能源系统进出影操作的自主化管理要求。图2为蓄电池自主进出影管理流程，表1为进出影各工作模式定义。

图2 蓄电池组自主进出影管理流程Fig.2 Management flow chart of automatically entering/leaving Earth's shadow of storage batteries

表1 进出影工作模式定义Table 1 Definition of working pattern of entering/leaving Earth's shadow

轨道太阳角根据太阳位置和卫星位置计算得到，地影期间的β角范围为：-12°～12°，β角每天变化约为1°，提前3天进行设置，开始进行地影期管理。当|β|连续小于15°时卫星进入地影季。卫星进地影前3天，蓄电池组加热器按进影阈值进行加热，将蓄电池温度控制在15～25 ℃，以利于蓄电池组的充放电。6 h升温完成后，PCU设置满充模式，将蓄电池组充至满荷状态，确保在地影季蓄电池组有充足的能量保证卫星工作。卫星进入长光照期前3天，蓄电池组加热器按出影阈值进行设置，将蓄电池温度控制在-5～15 ℃，PCU设置为搁置状态，调整蓄电池组以80%荷电态出影（对应蓄电池组电压35.55 V）。卫星进入长光照搁置期间，当PCU检测到蓄电池组电压低于35.1 V（单体3.9 V）时，需要对蓄电池进行补充充电（补充电电流1 A），整组电压达到35.55 V（3.95 V）时停止充电。

1.2 锂离子故障管理自主安全设计

MEO轨道卫星地影季持续时间长，不可测控弧段时间较长，因此开展系统级的能源自主安全设计是确保卫星全寿命周期在轨健康、可靠运行的关键。安全模式是卫星姿态最稳定、消耗能源最少、维持卫星运行功耗最低的工作模式。

自主安全管理系统设计是卫星在发生影响系统安全的重大故障时进行自主检测、判断和处理。根据故障模式影响阈分析，能源系统的主要故障包括蓄电池组过放电、母线电压过低、母线电流过大以及太阳帆板驱动机构故障引起的供电不平衡问题。

当能源系统出现严重故障，影响整星能源供应时，整星进入安全模式，卫星依靠自身自主安全设计功能对在轨产生的故障自主进行快速诊断和处理[5]，以消除故障或降低故障影响，为后续地面排故和实施操作抢救争取更多时间。

在本系统的设计中，采用表征卫星各分系统关键功能的重要参数作为判决依据，设定合理的判决门限、采样时间和次数，使用1553B总线统一进行数据采集、指令分发的工作。主要采用电源控制器下位软件、均衡下位机软件以及星务能源管理软件协同合作。均衡器软件主要完成蓄电池遥测参数的采集处理、均衡指令的执行和软件自主均衡等功能，并通过RS422总线实现与电源控制器之间的信息交换。电源控制器下位机软件通过1553B总线与星务计算机通信，完成遥测数据的打包发送和间接指令的接收解析，通过RS422接口与均衡器通信，获取单体电池参数并将其转发给星务计算机。星载计算机通过总线采集分系统单机参数并触发报警时，通过1553B总线发送程序预先设定的指令，并在最短的时间内按照既定的单机关机顺序，将相应的设备关机，降低整星负载。地面系统根据卫星系统状态，进行影响阈分析并开展后续处置，如图3所示。

为避免由过放电造成电池的永久性损坏。能源系统根据电池电压值设计了具有电池过放电报警管理功能的锂离子故障管理自主安全控制模块[6]。通过电源控制器、蓄电池均衡器和地面运控监测共同实现蓄电池组的过放电管理功能，其主要管理方式包括两个方面：整组电池电压报警、单体电池电压报警。为避免毛刺、脉冲干扰误触发安全模式，卫星会设置连续多次电池电压阈值报警信号。超限时，星载计算机和地面系统会根据星务电源管理软件提供的报警信号或参数值进行干预，按照能源等级发送遥控指令，对各个分系统进行断电操作等。

图3 能源故障自主控制原理Fig.3 Schematic diagram of autonomous control of energy failure

当星载能源管理软件监测到连续3次上传的任一蓄电池单体电压小于VCOD时，产生“单体过放电”报警信号，由地面系统进行影响阈分析，星上不做自主处理。

当监测到连续3次上传整组电池电压Vbat1、Vbat2和Vbat3中有两个超过阈值，产生过放电报警信号，其中Vbat1、Vbat2和Vbat3分别来自电源控制器的总线数据，星载计算机直接模拟量测量值以及均衡器采集的单体电池电压的累加值。过放电报警阀值初期取值见表2。按如下要求采取措施：①蓄电池组电压小于VBOD1时，产生“整组过放电1”报警信号。该报警信号持续时间约5 min时，则认为蓄电池过放，需对载荷设备关机，星载计算机按照一定的顺序自动关闭各载荷单机。②蓄电池组电压小于VBOD2时，产生“整组过放电2”报警信号。该报警信号产生后，卫星进入整星安全模式，蓄电池按进影模式满充设置，卫星转对日，星上各分系统按照星务安全模式管理软件自主控制，降低整星负载。③蓄电池组电压小于VBOD3时，产生“整组过放电3”报警信号。该报警信号产生后，电源系统进入危险模式，由地面发送直接指令断开该蓄电池组继电器盒的蓄电池接入开关，蓄电池无直接功率输出，以避免加剧蓄电池的过放电，但太阳电池阵可以通过蓄电池组接入继电器并联的功率二级管充电回路对蓄电池组进行充电。通过地面进行相关处理，对卫星实施抢救。随着电池寿命的衰降，过放电报警阈值可通过软件上注进行调整。

表2 过放电保护电压阀值设置Table 2 Voltage threshold settings of over-discharge protection

图4 光照期和地影期蓄电池组电压变化曲线Fig.4 Voltage curve of storage batteries during photoperiodic and eclipse seasons

2 在轨验证情况

对某MEO卫星蓄电池在轨半年遥测数据分析，长光照期A蓄电池组电压稳定在35.10～35.54 V，B蓄电池组电压稳定在35.21～35.59 V之间，如图4所示，蓄电池组在长光照期存储，由于蓄电池自放电和低压线路耗电等原因，蓄电池组需要间歇补充充电，每229.85 h需进行一次补充充电，并于2018年10月26日进入地影期，在整个地影期A、B蓄电组放电终压分别为33.71 V、33.79 V，单体平均放电终止电压约为3.75 V，A、B蓄电池组放电容量最大分别为22.99 A∙h、23.01 A∙h，放电深度分别为38.3%、38.4%，满足放电深度不大于65%的设计要求。

图5、图6是锂离子蓄电池组均衡过程中，蓄电池A、B单体电压随时间变化曲线，表3是软件均衡启动前后单体电压均衡数据。由图5、图6和表3数据可见，2018年8月28日14时55分A、B蓄电池异常分流导致各单体电池离散性越来越大，均衡前A单体电池差为65 mV，B单体电池差为63 mV，经过蓄电池组搁置期的补充充电和均衡分流，A、B蓄电池组分别于2018年8月30日4时39分和2018年8月30日6时50分，单体电池的电压差小于15 mV，达到均衡效果，有效抑制了电池组电压离散性的扩大。锂离子蓄电池组在轨光照期和地影期温度变化曲线如图7所示，长光照期蓄电池组温度在3.6～9.9 ℃，电池组在均衡过程中存在温升，温升未超过3 ℃，均衡分流热耗较小，未对电池组温度产生显著影响。进入地影季前3天，蓄电池组按进影阈值操作，经过6 h升温，蓄电池组温度短时升至19.74 ℃，地影季温度保持在15.9～20.6 ℃，蓄电池组同一模块3个测温点的单体电池温差不超过3 ℃，A、B蓄电池组模块之间的温差不超过5 ℃，温度梯度小，满足蓄电池组在轨存储要求，有利于蓄电池长寿命稳定工作[7]。综上所述，蓄电池组工作状态良好，锂离子蓄电池组自主进出影管理系统控制效果符合预期，实现了蓄电池组在光照季和地影季的自主控温切换、充放电管理、均衡管理等。

图5 蓄电池A单体电压随时间变化曲线Fig.5 Time-dependent voltage curve of single cell battery A

表3 定压差均衡实验结果Table 3 The observations of constant voltage difference balancing of storage batteries

图6 蓄电池B单体电压随时间变化曲线Fig.6 Time-dependent voltage curve of single cell battery B

图7 光照期和地影期蓄电池组温度变化曲线Fig.7 Temperature curve of storage batteries during photoperiodic and eclipse seasons

3 结 论

针对锂离子蓄电池组在中高轨业务星上将地面支持任务设计为星上自主，且卫星自主运行期间具备故障诊断和恢复能力的应用需求，通过提高蓄电池组进出影自主管理能力和多模式的适应能力，完成了能源系统中锂离子蓄电池组自主健康管理系统的设计，有效解决了锂离子蓄电池组在轨自主进出影、长光照期搁置管理、均衡管理、能源故障安全管理等问题，为后续卫星的蓄电池在轨管理提供参考。