東方紅四號衛(wèi)星平臺鋰離子蓄電池在軌應(yīng)用分析

李紅林 余文濤 黃智 魏強(qiáng)

（中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

東方紅四號衛(wèi)星平臺鋰離子蓄電池在軌應(yīng)用分析

李紅林 余文濤 黃智 魏強(qiáng)

（中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

在東方紅四號衛(wèi)星平臺上應(yīng)用鋰離子電池替代傳統(tǒng)氫鎳電池，能顯著減小供配電分系統(tǒng)的質(zhì)量和體積，提高衛(wèi)星平臺能力。鋰離子電池工作特性與氫鎳電池差異較大，針對鋰離子電池在東方紅四號平臺某衛(wèi)星上首次應(yīng)用，為降低應(yīng)用風(fēng)險，滿足在軌使用要求，文章對電池?zé)峥卦O(shè)計、電源在軌充放電管理和均衡策略進(jìn)行分析，利用SLIM（SAFT Li－ion Model）軟件對鋰離子電池在軌電壓輸出特性進(jìn)行仿真，提出適應(yīng)鋰離子電池應(yīng)用的熱控措施、充放電管理方式和線性均衡管理策略，并利用某衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，滿足了在軌使用要求，證明該鋰離子電池應(yīng)用方案可以在后續(xù)東方紅四號衛(wèi)星平臺推廣應(yīng)用。

東方紅四號衛(wèi)星平臺；鋰離子蓄電池；在軌飛行；應(yīng)用分析

1 引言

鋰離子蓄電池（以下簡稱鋰離子電池）比能量是氫鎳蓄電池的2倍，采用鋰離子電池可以提高衛(wèi)星平臺的載荷比并降低發(fā)射成本。隨著東方紅四號（DFH－4）衛(wèi)星平臺載荷功率需求的進(jìn)一步提高，采用高比能量的鋰離子電池替代氫鎳蓄電池組作為儲能裝置是必然趨勢［1－5］。為滿足有效載荷功率和工作壽命需求，DFH－4平臺某通信衛(wèi)星首次采用鋰離子電池技術(shù)，與采用氫鎳蓄電池組相比，平臺質(zhì)量可以減輕約80kg，提高了整星的載干比（載荷量與衛(wèi)星干重之比）。該衛(wèi)星已發(fā)射成功，開啟了鋰離子電池在國內(nèi)高軌通信衛(wèi)星的首次飛行應(yīng)用。

由于鋰離子電池與氫鎳電池化學(xué)體系不同，兩者工作特性差異較大［6－8］，DFH－4平臺采用鋰離子電池替代氫鎳電池，需要平臺進(jìn)行適應(yīng)性修改，包括采取適應(yīng)鋰離子電池低溫存儲、高溫使用的熱控措施，修改電池充放電管理邏輯，并采取有效的均衡措施保證單體電壓的一致性。

本文介紹了鋰離子電池應(yīng)用特點，分析了DFH－4平臺鋰離子電池?zé)峥卦O(shè)計、電源在軌充放電管理和均衡策略，提出了滿足鋰離子電池應(yīng)用要求有效的解決方案。

2 鋰離子電池組高軌衛(wèi)星應(yīng)用特點

2.1 鋰離子電池溫度特性

在軌道光照期，太陽電池陣通過電源控制器給鋰離子電池組充電，鋰離子電池將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲存起來，地影期由鋰離子電池組通過控制器為星上負(fù)載供電，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。鋰離子電池的反應(yīng)機(jī)制如圖1所示，鋰離子電池充放電反應(yīng)機(jī)理實際是Li＋在正負(fù)極材料之間的嵌入和脫嵌。

圖1 鋰離子電池的反應(yīng)機(jī)理Fig.1 Reaction mechanism of lithium－ion battery

環(huán)境溫度對鋰離子電池工作有著重要的影響。充放電循環(huán)期間，電池溫度過高，會加快電池副反應(yīng)速度，電池的循環(huán)性能下降；電池溫度過低，電解液黏度增加，電池在低溫環(huán)境下的極化電位升高，鋰離子容易還原成金屬鋰析出，降低可逆容量。為提高鋰離子電池充放電循環(huán)次數(shù)，保證在軌使用要求，地影期溫度要求控制在10～30℃之間。光照期長期擱置期間，為降低鋰離子電池容量衰降速度，溫度要求控制在－5～10℃之間。為滿足在軌溫度使用要求，需要平臺采取有效的熱控措施，保證鋰離子電池在合理溫度范圍以內(nèi)。

2.2 鋰離子電池充放電特性

通過地面試驗發(fā)現(xiàn)，氫鎳蓄電池組具有較強(qiáng)的耐過充和過放能力，這在電池的安全使用上是非常有利的。但對于鋰離子電池來說，由于自身電化學(xué)特性，鋰離子蓄電池的耐過充能力較差，在使用時需要設(shè)置安全保護(hù)機(jī)制。因此，鋰離子電池充電一般采用恒流－限壓的充電方式，并設(shè)置過充保護(hù)功能。同時，針對地球同步軌道長壽命衛(wèi)星的使用場景，電池充放電應(yīng)具備在軌自主管理能力，提高衛(wèi)星在軌能源管理的自主性和靈活性。

2.3 鋰離子電池均衡特性

鋰離子電池在長期充放電循環(huán)后，由于各單體自放電率、內(nèi)阻、容量衰降率等存在差異，使電池組各單體荷電量差異也越來越大，呈發(fā)散趨勢，容易造成電池組單體電池間性能離散性加大，容易產(chǎn)生蓄電池的過充或過放，可能導(dǎo)致整組電池壽命縮短，甚至失效。為了提高鋰離子電池組在軌使用壽命，需要對鋰離子電池各單體進(jìn)行均衡處理，防止電池組內(nèi)單體電池離散性擴(kuò)大。

3 熱控分析和在軌驗證

DFH－4平臺共有2組鋰離子電池，分別安裝在服務(wù)艙的南、北面板上，鋰離子電池組在軌應(yīng)用期間，要求地影期和光照期電池溫度范圍分別為10～30℃和－5～10℃，單體電池溫差小于5℃，為滿足上述要求，在熱設(shè)計時采用了主動熱控與被動熱控相結(jié)合的方式，具體措施如下：①蓄電池模塊底板與電池艙板之間安裝有導(dǎo)熱絕緣墊，同時電池艙板內(nèi)全預(yù)埋正交熱管網(wǎng)絡(luò)，以減弱電池模塊電池單體間以及兩電池模塊之間的溫度梯度；②在電池艙各艙板內(nèi)表面均粘貼一層鍍鋁聚酰亞胺膜，鍍鋁面朝外，以使電池艙與其它艙段隔熱，艙內(nèi)不安裝儀器的位置噴涂SR107白漆，以強(qiáng)化與艙內(nèi)設(shè)備的輻射換熱；③用多層隔熱罩將蓄電池組罩起來，以減弱蓄電池組與艙內(nèi)的熱耦合，進(jìn)而降低加熱器功率及散熱面需求，并有效降低模塊內(nèi)電池單體之間的溫差；④電池模塊安裝有1主1備共兩路100W電加熱器，加熱器由星上自控加熱軟件根據(jù)設(shè)定的溫度閾值進(jìn)行自動控制。

采用TMG有限元熱分析軟件建立熱分析模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算，對地影期（高溫工況）和光照期（低溫工況）進(jìn)行熱分析，地影期電池的最高溫度可達(dá)18.7℃，光照期電池最低溫度為－2.4℃，如圖2和3所示，電池組熱設(shè)計能夠有效保證電池工作溫度。

圖2 地影期熱分析結(jié)果Fig.2 Thermal analysis during eclipse season

圖3 光照期熱分析結(jié)果Fig.3 Thermal analysis during solstice season

對鋰離子電池組在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，光照期和地影期的溫度變化范圍如表1所示。在軌數(shù)據(jù)表明，南北蓄電池組地影期和長光照期期間蓄電池組溫度變化范圍均滿足使用要求，同一蓄電池組不同溫度遙測點最大溫差小于2℃，滿足小于5℃的要求。

表1 電池組溫度變化范圍Table 1 Temperature range of battery ℃

4 電池充放電管理和在軌驗證

鋰離子電池組與傳統(tǒng)氫鎳電池相比，充放電管理存在較大區(qū)別。鋰離子電池采用恒流限壓充電控制方法，與氫鎳蓄電池的充電/放電（C/D）比控制不同；鋰離子電池光照期進(jìn)行擱置儲存和補(bǔ)充充電，氫鎳電池光照期進(jìn)行浮充電管理。

為滿足鋰離子電池充放電管理需求，提高衛(wèi)星在軌能源管理的自主性和靈活性，針對地球同步軌道長壽命衛(wèi)星的使用場景，設(shè)計了具備在軌自主充放電功能的電源管理軟件，各軟件工作模式通過星上遙測判據(jù)自主切換，各主要控制閾值均可根據(jù)壽命期間電池在軌性能表現(xiàn)靈活可調(diào)。本文針對DFH－4平臺應(yīng)用需求，提出的電源在軌充放電管理策略如下（圖4）。

1）光照期

光照期蓄電池組蓄電池處于擱置狀態(tài)，當(dāng)電池組電壓達(dá)到下限閾值時，軟件自動發(fā)送充電指令，蓄電池組以小電流恒流充電，當(dāng)電池組電壓達(dá)到上限閾值時，蓄電池組停止充電。

2）地影期前準(zhǔn)備

由光照期進(jìn)入地影季前，通過地面遙控指令，更改補(bǔ)充充電模式相關(guān)判據(jù)，提高補(bǔ)充充電終止電壓，為進(jìn)入地影期做準(zhǔn)備。

3）地影期

進(jìn)入地影期后，蓄電池組正常進(jìn)行充放電循環(huán)，軟件自主完成進(jìn)出影檢測和充放電管理。蓄電池組采用恒流限壓充電控制方法。

4）光照期前準(zhǔn)備

地影結(jié)束前，通過地面遙控指令，更改大電流充電模式相關(guān)判據(jù)，降低大電流充電終止電壓，為進(jìn)入光照期做準(zhǔn)備。地影季結(jié)束后，軟件檢測蓄電池組放電工作后一段時間未放電，自主啟動蓄電池組擱置模式，并更改蓄電池組溫控閾值為長光照期閾值。

對蓄電池組在軌數(shù)據(jù)分析，電池組電壓在光照期和地影期變化規(guī)律如圖5所示。對在軌能源管理情況分析結(jié)果表明，電池組電壓變化規(guī)律與預(yù)期結(jié)果相符，在軌電源管理軟件工作正常。

圖4 鋰離子電池組在軌管理示意圖Fig.4 Diagram of on－orbit management for lithium－ion battery

圖5 光照期和地影期蓄電池組電壓和充電電流變化曲線Fig.5 Curve of battery voltage and charge current during solstice and eclipse season

5 電池在軌均衡策略和在軌驗證

目前不同平臺高軌衛(wèi)星采用不同的均衡策略，本文針對DFH－4平臺應(yīng)用需求，提出一種全新的分散式模塊化線性均衡管理技術(shù)，采用完全自主的全硬件均衡控制方案，不依賴星載軟件，簡化了控制復(fù)雜程度。

該均衡方式的原理如下：均衡裝置采集單體電壓與設(shè)定電壓進(jìn)行比較，在充電過程中當(dāng)單體電壓越高分流電流就越大，從而達(dá)到各個單體電壓均衡的目的。各個均衡器工作相對獨立，單體與單體之間不進(jìn)行電壓比較。

對南北蓄電池組各20個單體電壓遙測進(jìn)行分析，驗證該線性均衡策略的有效性。蓄電池組在光照期擱置期間，由于單體自放電存在差異性，導(dǎo)致蓄電池組單體電壓之間的離散程度逐漸增加，表2為蓄電池組單體壓差變化情況，從表中可知，南北蓄電池組單體最大壓差在127天光照期擱置期間分別增加了21mV和29mV，最大壓差變成39mV和32mV，進(jìn)入地影期后，蓄電池組經(jīng)歷充放電循環(huán)，充電過程中當(dāng)單體電壓超過閾值電壓時，均衡功能啟動，電壓越高，均衡電流越大。圖6和圖7分別為南北蓄電池組均衡前后單體電壓變化情況，在第二次均衡結(jié)束后，單體最大壓差達(dá)到5mV（見表2），均衡效果明顯，均衡策略滿足在軌使用要求。

表2 均衡前后電池單體最大壓差變化情況Table 2 Maximum cell voltage difference before and after balancing operation mV

圖6 均衡前后北電池單體電壓Fig.6 Cell voltage of north battery before and after balancing operation

圖7 均衡前后南電池單體電壓Fig.7 Cell voltage of south battery before and after balancing operation

6 電池電壓輸出特性分析和在軌驗證

蓄電池組電壓是表征電池組工作特性的關(guān)鍵指標(biāo)，電池放電終壓是指電池放電結(jié)束轉(zhuǎn)充電前電池電壓，放電終壓與地影時長、負(fù)載情況、電池容量和在軌年限有關(guān)，通過對地影期期間放電終壓進(jìn)行分析，能夠得到蓄電池組在軌工作裕度和性能衰降規(guī)律。

SLIM（SAFT Li－ion Model）是一款用于鋰離子電池方案設(shè)計和性能分析的軟件，該軟件能夠根據(jù)蓄電池組工作條件、配置情況計算出蓄電池組地影季放電終止電壓、分點期間蓄電池組充放電電流和電壓等工作特性［9］。本文根據(jù)DFH－4平臺蓄電池組配置情況，利用SLIM軟件分析蓄電池組電壓輸出曲線，并與在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，從而驗證蓄電池組在軌輸出特性。

首先對分點期間蓄電池組充放電電流和電壓進(jìn)行分析，在軌數(shù)據(jù)如圖8所示，從圖中可知，放電結(jié)束后，南北蓄電池組輪流大電流充電，當(dāng)電池組電壓達(dá)到閾值電壓時，電池組轉(zhuǎn)入恒流限壓充電模式，充電電流逐檔減小，直到電流變成0，轉(zhuǎn)入另外一組電池恒流限壓充電，當(dāng)兩組電池恒流限壓充電結(jié)束時，電池轉(zhuǎn)入暫停模式，充電電流設(shè)置為0。

圖8 2016年春分點蓄電池組電壓和充電電流變化曲線Fig.8 Curve of battery voltage and charge current at 2016spring equinox

圖9為2016年春分點蓄電池組輸出電壓和充電電流變化曲線（SLIM軟件仿真結(jié)果），與圖8中電池實際在軌曲線進(jìn)行比對，不考慮輪流充電的影響（SLIM軟件只能模擬連續(xù)充電模式），蓄電池電壓和充電電流實際在軌曲線和預(yù)期值相符，電池工作正常。

圖9 2016年春分點蓄電池組電壓和充電電流變化曲線Fig.9 Curve of battery voltage and charge current at 2016spring equinox

對蓄電池組地影期放電終止電壓變化規(guī)律進(jìn)行分析，圖10為2016年春分地影期蓄電池組放電終止電壓輸出曲線，藍(lán)色線為SLIM軟件仿真結(jié)果，最長地影日放電終止電壓為74.50V，紅色線為蓄電池電壓實際在軌輸出結(jié)果，最長地影日放電終止電壓為74.65V，預(yù)計值和實際值僅相差0.15V，誤差小于1%，蓄電池組電壓輸出特性與預(yù)期值相符，電池工作正常。

圖10 2016年春分地影期蓄電池組放電終止電壓輸出曲線Fig.10 EODV of battery during 2016spring equinox eclipse season

7 結(jié)論

本文介紹了鋰離子電池在DFH－4平臺的應(yīng)用特點，并結(jié)合在軌數(shù)據(jù)，對某衛(wèi)星鋰離子電池能源管理情況、單體一致性、溫度特性和均衡功能進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明：地影期電池的最高溫度可達(dá)18.7℃，光照期電池最低溫度為－2.4℃，電池組熱設(shè)計能夠有效保證電池工作溫度；采用線性均衡策略，在第二次均衡結(jié)束后，單體最大壓差小于5mV，均衡效果明顯，均衡策略滿足在軌使用要求；在軌能源管理工作正常，蓄電池組放電終止電壓預(yù)計值和實際值誤差小于1%，蓄電池組電壓輸出特性與預(yù)期值相符，電池工作正常。

通過在DFH－4平臺上應(yīng)用鋰離子電池，供配電分系統(tǒng)的質(zhì)量和體積將進(jìn)一步減小，整星的功率水平得到較大提高，有效地提高了系統(tǒng)的載干比，降低了發(fā)射成本，從而提高了衛(wèi)星的經(jīng)濟(jì)效益。目前該鋰離子電池應(yīng)用方案已推廣到DFH－4平臺多顆衛(wèi)星中，其在軌成功應(yīng)用，可為后續(xù)衛(wèi)星研制工作提供參考和借鑒。

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（編輯：張小琳）

Flight Experience of Lithium－ion Battery Applied on DFH－4Platform

LI Honglin YU Wentao HUANG Zhi WEI Qiang
（Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

The application of lithium－ion battery on DFH－4platform will reduce the electrical power subsystem mass and volume，enhance platform capability and increase economy.Lithiumion battery have different performances from Ni－H2battery.In order to reduce the application risk，the article analyzes the temperature control method，charge and discharge management and balance strategy.The article introduces the application solution of lithium－ion batteries applied on DFH－4platform.By using in－orbit telemetry，this article analyzes battery management results，battery flight performance，temperature characteristics，cell－voltage consistency and balance function.The results can be as reference for the follow－on DFH－4platform.

DFH－4platform；lithium－ion battery；flight experience；application analysis

V423.44

A

10.3969/j.issn.1673－8748.2016.05.009

2016－07－15；

2016－09－01

李紅林，男，高級工程師，從事衛(wèi)星電總體設(shè)計工作。Email：hexi1@sohu.com。