导航卫星镍钴铝酸锂电池组在轨自主管理及特性分析

习成献 孔陈杰 李锐

(中国科学院微小卫星创新研究院，上海 201203)

能源系统作为卫星的重要组成部分，承担着整星的供配电任务，能源系统的安全可靠运行是卫星正常运行的重要保障，对提高卫星性能、增强卫星在轨运行寿命起着决定作用[1-2]。锂离子蓄电池是能源系统的重要组成部分，为卫星的储能电源，担负着在卫星发射主动段、地影期间以及光照期太阳电池阵供电不足时为星上负载供电的任务。镍钴铝酸锂(NCA)体系锂离子蓄电池为新一代高比能量锂电，采用高容量石墨材料，储存特性和循环寿命相比于第一代钴酸锂(LCO)体系锂离子蓄电池更加优异，因此对NCA体系锂离子蓄电池的在轨管理以及在轨特性进行分析就显得尤为重要[3-7]。

本文针对中高轨道卫星所处空间电磁环境较复杂[8]，地影季持续时间长，并且不可测控弧段时间较长的特点，提出了NCA锂离子蓄电池组在轨自主管理技术[9-10]，并在北斗导航卫星上进行了验证，通过详细的在轨数据特性分析，验证了所设计系统的正确性和有效性，为NCA体系锂离子蓄电池进一步改进设计以及后续其它型号锂离子蓄电池的在轨自主运行提供经验[11]。

1 NCA蓄电池组在轨自主管理设计

卫星采用两组蓄电池组并联供电，单体电池采用25 Ah的NCA锂离子蓄电池，采用3并9串的结构形式，形成75 Ah锂离子蓄电池组。蓄电池组设计主备两路加热回路，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 充电控制

蓄电池组的充电调节电路具备恒流/恒压充电能力，充电电流以0.5 A为步长在0～8 A之间由指令进行16档调节选择，充电电压以0.5 V为步长在30～38 V之间由指令进行16档调节选择，可同时满足寿命初期、末期及蓄电池组单体失效模式下的不同充电需求。

1.2 均衡策略

均衡方式分为下位机软件均衡、硬件均衡，软件、硬件均衡均可实现在轨自主均衡，默认软件自主均衡使能。采用定电压差均衡方式，通过均衡算法找出最大最小单体电压并标记，若两者压差大于60 mV，判读其余单体电压与最小电压的压差，当差值大于20 mV时，开启对应单体电池的分流开关，若最大单体电压与最小单体电池电压的压差小于10 mV则停止均衡，再次开启均衡需重新开始循环判断，从而实现自主均衡管理功能。

1.3 蓄电池进出影管理

依据轨道太阳角自主判断卫星进出影时间，整星设置进出影标志，进出影标志决定蓄电池组在轨工作方式。蓄电池组进出影自主管理运行设置使能/禁止指令。

当进出影标志由“0”变为“1”时，卫星将在3天内进影，星务能源管理按照进影前模式对蓄电池组进行操作，以使蓄电池组在较高温度工作并进行满充和均衡管理设置，充电终止电压为36.45 V(初期)，根据卫星运行时间可通过地面管理调整充电终止电压延长蓄电池组的寿命。

当进出影标志由“1”变为“0”时，卫星出影。星务能源管理按照出影后模式对蓄电池组进行操作，蓄电池组进行搁置和电压电流档位设置，进入长光照搁置期管理。

1.4 长光照管理

卫星进入长光照期，蓄电池组一般无功率输出，为保证蓄电池组寿命，蓄电池以近半荷电态的搁置状态进行管理。在确保卫星功率需求前提下，结合卫星用电安全和寿命要求，初期时搁置荷电态为72.5%～80%，对应蓄电池组电压范围为34.2～35.1 V。卫星在长光照期蓄电池搁置状态下，如果检测到蓄电池组电压低于34.2 V(单体电压3.80 V)时，就需要对蓄电池进行补充电操作(充电电流1 A)，当蓄电池组电压到35.1 V(单体电压3.90 V)时停止充电。

1.5 热控管理

为确保蓄电池组的在轨寿命和最佳工作性能，需对蓄电池组进行热控管理，以保证蓄电池组温度满足热设计要求。卫星进地影前3天，按照地影温度阈值对蓄电池组进行加热，6 h后蓄电池组温度范围控制在15～25 ℃内，以便蓄电池组地影期的充放电操作；卫星进入长光照搁置期的前3天，按照长光照搁置温度阈值对蓄电池组进行设置，将蓄电池温度控制在0～15 ℃内，以便蓄电池组进行搁置期管理。

1.6 蓄电池组自主安全管理

中高轨卫星地影时间较长，此外受地面测控站的地域限制，多数情况下地面站不可能对卫星全程实时跟踪，如果能源系统在不可测弧段内发生故障，可能危及整星安全。因此，在卫星整个寿命周期内对蓄电池的自主健康状态和自主运行能力进行提升，有助于提高卫星的可靠性和安全性。

电池过放电管理是电池管理的重要内容，主要分蓄电池组报警和单体电压过放报警，由星务电源管理模块判读判断，也可通过地面进行相关处理。地面可以向星载计算机注入电压阀值，随着寿命的进行，过放电报警阈值可进行调整，初期报警信号设置见表1。

表1 蓄电池过放电压阀值Table 1 Batteries voltage threshold settings of over-discharge

蓄电池组电压来自电源控制器(总线数据)Vbat1、星务计算机(直接测量)Vbat2以及单体电压(均衡器总线数据)的加值Vbat3。如果连续3次检测到蓄电池电压Vbat1、Vbat2和Vbat3中有2个超阈值，则产生过放电报警信号，并依下述条件执行操作。

(1)Vbati(i=1 to 3)小于VBOD1时，发出“整组过放电1”报警信号。此时星务计算机依照一定的顺序对载荷单机进行关机操作。

(2)Vbati(i=1 to 3)小于VBOD2时，发出“整组过放电2”报警信号。此时整星进入安全模式；蓄电池组按地影期进行设置，星务计算机按照安全模式关闭相关单机以降低负载电流。

(3)Vbati(i=1 to 3)小于VBOD3时，发出“整组过放电3”报警信号。此时由地面进行判断发送指令断开蓄电池组，但太阳电池阵可以对蓄电池组进行充电。

(4)任一蓄电池单体电压(均衡器总线数据)连续3次小于VCOD1时，产生“单体过放电”报警信号，由地面作相关判断。

2 NCA锂离子蓄电池在轨特性分析

2.1 长光照充放电分析

北斗导航某颗MEO卫星在轨运行已满2年，截取其中最近半年(存在光照期和地影期)的遥测数据进行分析。当卫星进入长光照期时，蓄电池组为搁置状态，如果检测到蓄电池组电压低于34.2 V(单体电压3.80 V)时，就需要对蓄电池进行补充电操作，充电方式为小电流1 A充电，当蓄电池组电压到35.1 V(单体电压3.90 V)时停止充电。蓄电池组电压及充电电流遥测数据如图1和图2所示。

图1 A/B蓄电池组长光照期电压曲线Fig.1 Diagram of A/B battery voltage curve during photoperiodic seasons

图2 A/B蓄电池组长光照期充电电流曲线Fig.2 Diagram of A/B battery charge current curve during photoperiodic seasons

由图1和图2可知，当蓄电池组电压降至34.2 V时，对蓄电池组进行1 A的小电流充电；当电压充至35.1 V时，蓄电池组停止充电。充电起始荷电态为72.5%，充电结束荷电态为80%，补充充电周期约为26.5天，蓄电池组充电情况符合长光照期充电管理设计，NCA体系电池荷电保持能力较LCO体系大幅提升。

2.2 长光照温度分析

为保证蓄电池组长寿命高可靠性工作，蓄电池组光照搁置期的温度范围为0～+15 ℃，同一蓄电池组内各单体电池温差小于3 ℃，不同蓄电池组间的温差小于5 ℃。蓄电池组长光照期的温度数据见图3所示。

图3 A/B蓄电池组长光照期温度曲线Fig.3 Diagram of A/B battery temperature curve during photoperiodic seasons

由图3可知，光照搁置期蓄电池组的温度范围为3～10 ℃，蓄电池组温度一致性较好，同一组蓄电池单体最大偏差小于2 ℃，两组之间小于3 ℃，蓄电池组长光照期的温度管理符合全光照期储存温度管理设计。

2.3 地影期充放电分析

地影期蓄电池组的充电采用先恒流后恒压的满充充电控制方式。先以4 A的电流恒流充电，充电截止电压36.45 V时转恒压充电，充电电流连续20帧小于0.25 A时，停止充电。蓄电池地影期的电压、充放电和充电规律如图4～图8所示。

图8 B蓄电池组单体电压及单体最大压差曲线Fig.8 Diagram of B battery single cell voltage and max voltage difference

图4 A/B蓄电池组地影期电压曲线Fig.4 Diagram of A/B battery voltage curve during eclipse seasons

从图中可以看出，A/B两组蓄电池组地影期放电过程中，最低放电电压为33.52 V与33.21 V，最大放电深度约为33%。最低单体放电电压约为3.72 V，各单体放电一致性良好，电池组内最大偏差均为14.65 mV。最大放电深度时恒流充电时间为5 h，恒压充电时间为35 min。蓄电池组充电情况符合地影期充电管理设计。

图5 A蓄电池组地影期充放电电流曲线Fig.5 Diagram of A battery charge and discharge current curve during eclipse seasons

图6 B蓄电池组地影期充放电电流曲线Fig.6 Diagram of B battery charge and discharge current curve during eclipse seasons

2.4 地影期温度分析

卫星进地影前3天，按照地影温度阈值对蓄电池组进行加热，6 h后蓄电池组温度范围控制在15～25 ℃内，以便蓄电池组地影期的充放电操作。卫星进入地影期蓄电池组的温度变化情况见图9所示。

图9 A/B蓄电池组地影期温度曲线Fig.9 Diagram of A/B battery Temperature curve during Eclipse Seasons

由图9可知，蓄电池组地影期的工作温度范围为15.5～20.5 ℃，蓄电池组温度一致性较好，同一组蓄电池单体最大偏差小于2 ℃，两组之间小于2 ℃，控温周期约20～30 min。蓄电池组地影期的温度管理符合温度管理设计。

2.5 均衡和自主故障

由图7和图8可知，卫星在轨运行2年，蓄电池组最大放电深度约为33%，远远低于85%的过放阈值，此外蓄电池组电压表现出较高的一致性，单体电池电压最大压差小于15 mV，单体电池电压一致性良好，满足初期小于60 mV的要求，不存在均衡问题和在轨自主安全管理问题。

图7 A蓄电池组单体电压及单体最大压差曲线Fig.7 Diagram of A battery single cell voltage and max voltage difference

3 结束语

蓄电池组的在轨稳定运行是能源系统正常运行的重要前提。镍钴酸锂体系锂离子蓄电池作为新一代高比能量锂电池，储存特性和循环寿命相比于第一代钴酸锂体系锂离子蓄电池更加优异。本文针对中高轨道卫星所处空间电磁环境较复杂，地影季持续时间长，且不可测控弧段时间较长的特点，提出的NCA锂离子蓄电池组在轨自主管理技术，成功地应用在北斗导航MEO卫星中，对卫星近半年的蓄电池在轨数据进行分析比较，可为后续大规模应用提供技术支持，也可为后续其它航天器锂离子蓄电池的在轨自主运行提供参考。