星用蓄电池组发射前搁置自放电率预估分析

吴振苇，杨 波，王君召，韩业华，金仁淑

(上海空间电源研究所，上海 200245)

微纳卫星具有质量轻、功率小等特点，且采取的发射方式多为一箭多星。但在火箭的设计过程中，未预留微纳卫星蓄电池组地面充电接口，使其装星后，无法实现蓄电池组补充充电。搁置状态下，发射任务对蓄电池组自放电率是有苛刻要求的[1-2]，在微纳卫星装箭到火箭发射这段时间内，务必保证蓄电池组的容量不低于特定阈值。

蓄电池组可以通过优化设计、生产、装配等环节，使自放电率最低。蓄电池组装星后，需要考虑所有与蓄电池组互连单机的影响，对可能导致蓄电池组自放电的设备、潜回路进行细致分析，采取措施，使其影响最小化。在15 d搁置期内，将电池组自身自放电、分系统中电池组外围设备或潜回路导致的自放电考虑在内，应保证蓄电池组自放电率不超过5%。若静态搁置15 d后蓄电池组剩余容量偏低，星箭分离自启上电后，整星无法上电或整星初次上电容量偏低，造成整星发射任务失败[3-4]。

1 前期蓄电池组低自放电率

1.1 指标要求

在(20±5)℃环境温度下，整星系统正常连接状态，搁置15 d后，10 Ah额定容量的蓄电池组，其容量应不小于搁置前容量的95%，即自放电率不大于5%。

1.2 蓄电池组本身自放电率

根据蓄电池组测试记录可知，蓄电池单体自放电率最大不超过3.6%。由于该蓄电池组由7节同类蓄电池单体串联组成，因此蓄电池组自放电率最大不超过3.6%。同时，在蓄电池组组装前进行同批次单体电池的开路电压-SOC曲线测试，为后续验证该自放电率是否满足指标要求提供依据。

1.3 整星连接状态下，其余各单机对蓄电池组放电率影响

如图1所示，整星连接状态下，与蓄电池组直接互连的单机只有电源控制器。通过一次母线配电开关间接相连的单机主要为整星其余负载单机，包括整星负载单机、姿轨控单机、热控单机等[5]。在发射前，配电开关均为断开，只有直供电单机，即综合计算机与一次母线直接相连。电源控制器中，单体采样开关及放电开关处于断开状态；分离使能开关处于闭合状态；行程开关处于压紧闭合状态，将分离自启上电所用的PMOS管IRF5M5210的栅极与源极短接，使PMOS管处于断开，保证整星处于无电状态。特别说明，发射后，星箭分离时将行程开关断开，PMOS管通过电阻分压后导通，完成整星自主上电[6]。

图1 整星连接状态下蓄电池组接口示意图

在除分离自启使能开关闭合，其余开关均断开的前提下，与蓄电池组电接口互连的电路只有单体均衡电路、分离自启电路、放电开关电路、续流充电电路。为保证互连后对蓄电池组放电率的最小化，需要对各互连接口对蓄电池组造成的静态漏电流进行评估。

1.3.1 单体均衡电路分析

如图2所示，每个单体的均衡电路通过电缆与蓄电池组各单体进行直接相连[7]，此时为发射前搁置，整星处于无电状态，均衡指令为高阻状态，蓄电池单体N的电压通过三极管Q1与电阻RE25与电阻R26上拉至三极管Q17集电极，选用低漏电流的三极管有助于降低Ic+I漏的值。

选用的三极管Q17型号为2N2222AUB，在最大N=7时，最大电压不超过30 V，即Q17的VCE最大为30 V，其I漏最大不超过0.05 mA；而此时若Ib有电流通过，则必然导致Q1的基极与发射极之间的压降为0.7 V，导致IN=0.7 V/200 kΩ=3.5 μA＞＞0.05 μA；因此静态搁置状态下流经Q17的漏电流I漏均由单体N通过电阻RE25和RE26提供。

图2 单体N均衡电路示意图

根据各单体N的电压均不超过4.2 V，因此Q1的VCE最大不超过4.2 V。根据2N3637的手册可知，Q1的最大电流ICEO不超过10 μA，故图2中Ic最大为10 μA。因此单体N经均衡电路造成的放电电流最大不超过：I均衡=I漏+Ic=0.05 μA+10 μA=10.05 μA。

特别地，如图3所示，对于单体1，其余各单体的I漏均流经单体1，因此各单体I均衡的最大电流为单体1的I均衡，即：I均衡=N×I漏+Ic=7×0.05 μA+10 μA=10.35 μA。

1.3.2 分离自启电路分析

如图4所示，发射前搁置期间行程开关处于压紧状态；分离使能开关处于接通状态，蓄电池组电压按照最大不超过30 V计算，可知I行程=30 V/510 kΩ=58.8 μA；而卫星各用电单机均处于连接状态，通过PMOS管漏电流最大不超过100 μA，可知I母线=100 μA×2=200 μA。因此，蓄电池组静态放电电流最大为I自启=I母线+I行程=258.8 μA。

图3 各单体因单体均衡电路引起静态电流的流向示意图

图4 蓄电池组因分离自启电路引起静态电流的流向图

1.3.3 放电电路分析

由于发射前，放电开关始终处于断开状态，因此该电路对蓄电池组无静态放电电流。

1.3.4 续流充电电路分析

如图5所示，续流充电电路只有两只并联的二极管35CGQ100SCV，该二极管在最大反向电压不超过30 V时，反向漏电流最大不超过70 μA，因此I续流=140 μA。

图5 蓄电池组因续流充电电流引起的静态电流流向图

综上，发射前搁置状态下，由于互连造成的蓄电池组静态放电电流最大不超过I总=I均衡+I自启+I续流=10.35 μA+258.8 μA+140 μA=409.15 μA。在静态搁置 15 d后，造成蓄电池组容量损失为409.15 μA×24 h/d×15 d=0.147 Ah。所选用蓄电池组额定容量为10 Ah，该互连电路造成蓄电池组的放电率为0.147 Ah/10 Ah×100%=1.47%。

依据1.2节和1.3节，发射前搁置15 d后，蓄电池组总自放电率最大不超过3.6%+1.47%=5.07%，设计的自放电率与不大于5%的指标存在偏差；而与蓄电池互连单机的各功能电路的器件选型已为最优，无法继续优化，需要后续实测进行数据校核。

此外，该蓄电池组的额定容量为10 Ah，15 d后因互连电路引起蓄电池组的放电率为1.47%，后续卫星因整星功率增加及在轨工作模式变化，相应的蓄电池组额定容量为15 Ah或更高。在其他条件不变时，搁置15 d后，自放电率满足要求，发射飞行时电池组电能充裕，保障发射任务成功。具体计算如下：若蓄电池组额定容量为15 Ah，则该互连电路引起的蓄电池组的放电率最大不超过0.147 Ah/15 Ah=0.98%，则蓄电池组自放电率最大为0.98%+3.6%=4.58%，满足5%的指标要求。

2 蓄电池组组装前开路电压-SOC曲线

对组成蓄电池组的同批次单体进行容量测试和开路电压测试，测试温度为10℃，容量约为11 Ah。对充满电单体进行0.2C放电，每放电10%容量进行开路1 h，测量其电压，测试结果见表1所示，测试结果拟合曲线如图6所示。

表1 10 Ah单体自放电率测试结果

图6 10 Ah单体自放电率测试结果拟合曲线

3 蓄电池组静置放电实测情况

3.1 静置放电实验环境

根据前述，整星按照图1的示意图进行连接。

3.2 静置放电实验数据

2018年10月26日至2018年11月15日XX-1卫星进行了整星的自放电率测试，将整星断电后对蓄电池开路电压进行监测，卫星放置于总装厂房内，环境温度约为20℃。具体测试描述如下：

(1)在蓄电池组恒压充电状态下，充电电流小于0.5 A时，静置2 h后进行搁置前测试，记录蓄电池组整组电压。重复测试，记录3次，取中间值。

(2)静置15 d后，进行蓄电池组电压再次测量，记录整组电压。重复测试，记录3次，取中间值。此外按照总体要求，加测5 d搁置实验，使累计搁置时间达20 d。

(3)通过静置前后的蓄电池组电压，计算蓄电池组的实际自放电率，判读是否满足分系统下5%自放电率的指标。

测试结果见表2，20 d内蓄电池组电压共下降23 mV，单体电压下降3.3 mV。

从图6中可以看到，前10%容量范围内容量与压降为线性关系。从表2测试数据可知，满电态放电10%(即1.11 Ah)，电压下降约73 mV，根据线性关系推算3.3 mV压降对应容量损失约为51 mAh，即总容量的0.46%。考虑测试温度及其他因素影响，本次静置实验，室温下20 d后，自放电率实际不超过0.8%。具体各测试时间点，对应的当前容量相对于静置前的容量百分比及自放电率如表3所示。

3.3 实测小结

综上，20 d静置环境下蓄电池组自放电率为0.8%，满足整星连接状态下，15 d后蓄电池组自放电率不大于5%的指标。

4 实测数据差异性比较分析

4.1 蓄电池组单体自放电率测试数据说明

单体生产阶段对单体进行了15 d自放电率测试，即15 d自放电率约为3.5%，测试结果见表4，该值远大于蓄电池组自放电率为0.8%。

由于单体测试自放电在2018年3月进行，时间较早，在单体生产结束后进行，此时单体内部SEI膜尚未完全稳定，自放电测试过程中包含了单体的老化过程，因此其自放电率也较高。通过老化后，单体内部SEI膜逐渐趋于稳定[8]，后续单体自放电率会明显降低，即蓄电池组本身的自放电率在后续老化完成后自放电率会低于表4的初期实测值，满足20 d自放电率不大于5%的要求。

4.2 互连单机对蓄电池组自放电率的影响

根据1.3节分析可知，影响蓄电池组自放电率的只有均衡电路、分离自启电路及续流充电电路三部分。

均衡电路三极管2N3637在发射极与集电极之间外加4.5 V电压，通过10只2N3637并联实测，如图7所示。实测总电流不超过0.01 mA，实际每只三极管ICEO=1 μA。

图7 2N3637的发射极与集电极之间漏电流的实物测试框图

分离自启电路所用的PMOS管IRF5M5210在常温，VDS=－100 V时，漏电流最大为25 μA。复核复算时，漏电流按100 μA，整星搁置实验条件为常温常压，且D、S两端压差最大不超过30 V。实际两只PMOS管并联远小于前期设计所用的200 μA。

续流充电电路用二极管35CGQ100实际反向电压最大不超过30 V，依据数据手册的反向电压-漏电流曲线图可知，室温时漏电流为50 μA，小于设计的最大值70 μA。

上述分析整理后如表5所示。

表5 实际自放电率与复核复算自放电率

综上，复核复算时考虑裕量较大，静置15 d自放电率为1.47%；实际按照器件手册，常温静置15 d自放电率不超过0.32%。

5 结论

根据前期复核复算，静置15 d后蓄电池组自放电率超过5.07%；而整星连接状态实测蓄电池组自放电率为0.8%。其中：

(1)互连的其他单机：考虑裕量较大，包括关键器件的参数选择均按照手册给出的最大值进行复核，计算出电源控制器对蓄电池组自放电率的影响为1.47%，而实际蓄电池组容量大于10 Ah，造成此部分自放电率进一步偏大；

(2)蓄电池组：由于单体测试自放电时机较早，通常在单体生产结束后进行，此时单体内部SEI膜尚未建立稳定，自放电测试过程中包含了单体老化过程，其自放电率也较高，故前期测试数据表征蓄电池组自放电率为3.6%。单体老化后内部SEI膜趋于稳定，后续自放电率会明显降低，因此实际静置实验(20 d)，计算蓄电池组自放电率为0.8%。

综上在整星状态下，蓄电池组静置15 d(实测20 d)后容量不小于搁置前容量的95%，满足搁置要求。以及后续复核复算时，按真实状态进行模拟计算，对于偏差比较大的参数通过典型数据测试，进行校核，避免过设计，造成不必要的成本浪费。