高分一号卫星电源分系统设计与在轨应用

赵海峰，徐 伟，王志飞，解晓莉，陈杏娜

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384)

高分一号卫星项目于2010 年启动实施，2013 年4 月26 日发射成功，是中国第一颗设计寿命为5 a 的低轨卫星；电源分系统作为卫星平台的重要分系统之一，其性能和在轨工作寿命是制约卫星寿命关键因素之一。

1 电源分系统设计

1.1 电源分系统组成及工作原理

高分一号卫星电源分系统由电源控制器、锂离子蓄电池组与太阳电池阵三台单机组成[1]。锂离子蓄电池组为储能单元，在主动段、轨道阴影期及峰值功率时对星上设备供电。太阳电池阵为发电单元，在光照期对星上负载供电，在满足负载功率需求的情况下对蓄电池组进行充电。电源控制器是分系统的控制中心，其功能是功率调节和变换、控制、检测电源分系统的工作，包括调节母线电压，提供火工品电源，充电控制、放电控制及均衡管理，同时完成电源系统智能化管理。

电源系统采用全调节模式，即无论在主动段，还是在轨运行期间，电源分系统均为星上设备提供稳定的(30±1)V 电源电压。

高分一号卫星电源分系统储能电池采用的是锂离子电池组，其在轨管理方法与镉镍电池组不同。镉镍电池以串联方式组成电池组，分档恒定电流充电；通过整组电池涓流充电，维持电池组满荷电状态。镉镍电池可以承受一定程度过充、过放，通常配置在轨处理器装置。

锂离子电池组用小容量单体电池并联、串联方式组成电池组，采用恒流恒压方式充电，严禁过充过放，配置均衡管理装置保证单体性能一致性。

1.2 蓄电池组设计

2010 年以前，国内卫星用储能电源主要以镉镍、氢镍蓄电池为主。锂离子电池在短期在轨的小功率卫星上有应用，没有在长寿命、高功率卫星上做在轨飞行验证。

锂离子单体电池电压3.6 V，约是镉镍电池单体电压的3倍。锂离子电池质量比能量220 Wh/kg，是镉镍电池的4 倍左右。使用锂离子电池组替代镉镍电池组，有利于卫星电源的轻量化和小型化，降低发射成本。

我国微小卫星上已应用锂离子蓄电池组，容量较小(低于30 Ah)，在轨时间短(少于1 a)，有时仅作为辅助电源。

在低轨道长寿命卫星上应用大容量锂离子电池组，有许多技术难题需要面对，如循环寿命、充放电控制、均衡管理和在轨安全等。

1.2.1 电池组容量选择

蓄电池组额定容量根据最长地影时间、寿命末期平均输出功率、串联单体数、热备份数、寿命末期单体平均放电电压、内部线路压降和最大放电深度确定。经计算，满足卫星平台功率要求的电池组容量为80 Ah，由28 只20 Ah 的单体电池通过4 并7 串组成。

1.2.2 长寿命锂离子蓄电池组

高分一号卫星是第一颗将设计寿命由3 a 提高到5 a 的低轨卫星，需要在轨飞行2.8 万周。依据寿命要求，研制人员设计出适合快速充放电长寿命电极，选择多功能电解液，采用利于散热、避免鼓胀的圆柱型单体电池。

地面验证了锂离子蓄电池循环寿命。验证中采用20 Ah单体，通过4 并3 串组成了80 Ah 电池组件，以30% DOD 进行循环。地面循环寿命数据见图1。

图1 80 Ah电池组件模拟低轨30%DOD循环试验

图1 中可以看出，电池放电终止电压稳定，组件在无均衡处理条件下完成循环2.25 万次，电池组性能状态良好。当电池放电终压达到9.9 V 时，作为寿命终止判据。据此计算，电池组件循环次数有望达到2.9 万次，可以满足5 a 在轨要求。

1.2.3 电池组合技术

电池组并联组合，并联模块单体电池之间会相互影响。应用时，出现性能较差电池，它会影响其他并联一起的电池，最后导致整个模块的性能变差。电池组单体筛选和匹配是保持电池一致性的重要步骤。高分一号卫星用蓄电池筛选和匹配基本原则是单体容量偏差小于3%、内阻偏差小于1 mΩ。严格筛选与匹配后，电池组内单体电池性能一致性较好。

电池组采用套筒式结构，结构件采用导热良好铝合金。每只电池贴加热片，设定主动温控阈值控制加热电路的通断。电池组结构和控温措施为电池组提供可靠性和安全性保证。星用锂离子蓄电池组见图2。

图2 锂离子蓄电池组

1.2.4 安全性验证

由于锂离子蓄电池能量密度高，使用安全被高度关注。为确保锂离子电池对卫星和人员不发生严重的损毁或伤害，依据卫星工程总体相关要求，对锂离子蓄电池短路条件下的安全性、过放电条件下的安全性、过充电条件下的安全性以及电池壳体的安全性进行了严格验证，验证结果表明，星用锂离子蓄电池组满足相关规范要求。

1.2.5 在轨数据

在轨飞行8 a，7 只单体电池电压遥测数据在3.84～4.0 V范围，同一时刻，单体之间电压偏差低于0.02 V。均衡电路没有启用，表明蓄电池单体性能一致性良好。

蓄电池组不同位置的4 个测温点的温度数据，均在15.4～20.0 ℃之间，同一时刻4 个测温点之间温差不超过2 ℃。

1.3 电源控制器

电源控制器采用模块化设计，由放电调节模块、充电调节模块、充电控制模块、滤波模块、分流调节模块、信号变换模块、均衡模块、二次电源模块和电源下位机模块等组成。

蓄电池组在轨性能和循环寿命主要由电池组设计、制造决定，与在轨管理技术相关。在寿命中后期，在轨管理对蓄电池组更为重要。电源控制器在充放电管理、过充过放管理、均衡管理、在轨注入能力和自主管理等方面进行了技术攻关，通过了地面试验。目前在轨工作正常。

1.3.1 恒流-恒压充电管理

锂离子电池组采用恒流-恒压充电控制方式，在电池组电压未达到恒压段时，充电电流由充电电流设定电平和主误差放大器共同决定，随着电池组电压的逐渐升高，电池误差放大器逐渐减小；当电池组电压接近或达到恒压设定值时，充电调节器充电电流受控于电池误差放大器，充电电流随着电池误差放大器的减小而逐渐减小，并最终维持恒压状态，实现蓄电池组恒流-恒压充电控制。恒流-恒压充电的电压与电流变化趋势见图3。

图3 恒流-恒压充电的电压与电流变化趋势

为满足锂离子蓄电池组寿命不同阶段对于充电电压控制的要求，采用数字电路实现了一条指令切换八个独立基准，节省了指令和遥测资源[2]。

1.3.2 强化过充过放管理

锂离子电池过充会释放出热量和气体，导致电池鼓胀，甚至发生爆炸[3]。锂离子电池过放会导致锂离子更多地迁出，破坏负极稳定，造成不可逆损坏[4]。为避免出现过充、过放的现象发生，电源控制器设计了完备的过充、过放管理，分别采用软件和硬件实现。硬件单体过压保护电路和蓄电池组硬件过放保护电路可以通过指令进行切除或恢复；软件过充保护和软件过放保护设置“使能”和“禁止”；防止由于软件保护或硬件保护自身出现故障，对蓄电池造成不利影响。硬件单体过压保护值设计为4.5 V，软件单体过压保护值设计为4.3 V，硬件过放保护值设计为18 V，软件过放保护值设计为19 V。

1.3.3 均衡管理

蓄电池组成组电路为4 并7 串。电源控制器设计了电池组均衡管理功能，并实现了均衡电路的小型化和高可靠。均衡电路采用两路(双串双并)，以降低单个三极管的功耗，并提高可靠性，均衡电阻布局于单体电池之间的空隙处，既解决了散热问题，又节省了空间，实现了锂离子蓄电池均衡电路的小型化和高可靠。

根据试验结果，锂离子蓄电池组的均衡电流选取范围在1/100C与1/200C之间，均衡电阻选取2 只阻值为16 Ω 的功率电阻，最大分流电流约为500 mA。

1.3.4 提升自主管理和在轨注入能力

为提高电源分系统在轨管理能力，满足在轨5 a 要求，采用自主诊断、安全模式等自主管理的方式完成对整星的供电管理。同时设置在轨注入和遥控指令功能，可进行地面干预。地面干预时，可以根据在轨能量使用情况，通过注入充电电流设定电平，改变充电电流大小，通过发送指令调整蓄电池组充电电压，改变充放比。通过遥控指令控制均衡启停，电源下位机依据自主均衡管理策略进行自主管理。

1.4 太阳电池阵

太阳电池阵基板分为+Y 翼与-Y 翼，单翼由3 块1 110 mm×850 mm 的碳纤维铝蜂窝夹层板构成[5]，太阳电池阵6 块板。

选用平均效率大于28%的三结砷化镓太阳电池，规格为39.8 mm×60.4 mm 和30.6 mm×40.3 mm，寿命末期90 ℃时单体电池最佳工作点电压约为1.80 V，单体电池在轨最差情况下输出电流约为0.359 A。

太阳电池阵在综合考虑功率余量和基板可布片面积后，单板电路布置39.8 mm×60.4 mm 电池18 并19 串，30.6 mm×40.3 mm 电池1 并19 串。6 块板布片方式完全相同。

太阳电池阵功率输出的在轨遥测数据为1 312 W，满足星用1 170 W 要求。

2 在轨应用

高分一号卫星电源分系统于2010 年完成方案论证，并开始初样产品和正样产品研制，2013 年发射。迄今，高分一号卫星在轨运行超过8 a，电源分系统在轨运行期间工作正常，性能稳定；锂离子电池组在轨循环次数超过46 000 次。

图4 是2022 年1 月份电源分系统的主要遥测数据曲线，从遥测数据分析可以看出：蓄电池组电压范围为27.0～28.0 V；母线电压范围为30.26～30.92 V；方阵电流最大输出电流为42.45 A；充电电流、放电电流、负载电流连续，均处于设计范围内。

图4 高分一号电源分系统主要遥测数据曲线

3 结语

电源分系统经历设计、研制、测试、发射、在轨飞行等阶段，正样已在轨运行8 a。在轨飞行数据表明，蓄电池组通过先进、合理、有效设计，充分的地面验证，达成了长寿命目标，迄今，锂离子电池组在轨循环次数超过4.6 万次；电源控制器工作正常，在轨飞行期间未发生故障、误触发或失效等事件；太阳电池阵输出功率满足使用要求，未明显衰减，也未发生故障。