张文爽，李 键，余文涛，王利然

(中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部，北京 100094)

电源系统负责航天器在轨运行的能源供给，当前主要采用“太阳电池阵+蓄电池”的系统架构，由太阳电池阵提供一次能源，蓄电池组作为储能装置，二者通过电源控制器调节功率以产生稳定的母线：当太阳电池阵能够提供充足的功率，电源控制器可以控制对蓄电池组充电；当太阳电池阵输出功率不足或地影期输出为零时，电源控制器可以控制蓄电池组对母线放电[1-3]。

锂离子蓄电池组具有质量轻、体积小、单体工作电压高、能量密度高、自放电电流小、循环使用寿命长、无记忆效应、相对无污染和性价比高等优点，已在航天器电源系统设计中得到普遍应用[3-4]。为了满足卫星在轨正常工作15 年以上的寿命指标，需要对锂离子蓄电池组进行有效的管理。例如，过高或过低的空间环境温度会严重削弱锂离子蓄电池组工作性能；过充电也会降低锂离子蓄电池组的工作寿命。采用健康合理的充电方式，不仅可以实现锂离子蓄电池组的可靠充电，也有助于延长其工作寿命。

GEO 卫星运行在地球同步轨道，每年在至点和分点附近存在两个地影期、两个全光照期。每个地影期持续90～92天，每天会有一次地影，需要蓄电池组为卫星供电；在长达9个月的全光照期内，蓄电池组则处于搁置状态。本文针对GEO 卫星运行的特点，对锂离子蓄电池组的在轨管理策略进行了分析，重点介绍了新型电源控制器的充电控制方式，依靠新型能源管理软件实施对锂离子蓄电池组全寿命周期的自主管理策略。在轨遥测数据表明，新型的在轨管理方式保证了最大程度依照锂离子蓄电池组的特性进行自主恒流恒压充电，实现了全寿命周期的蓄电池自主管理，在轨应用状态良好。

1 锂离子蓄电池组应用特性

由于化学特性不同，锂离子蓄电池与氢镍电池的在轨管理方式存在较大差异，在中高轨道卫星平台应用时有以下特点：(1)锂离子蓄电池采用TAPER 型(先恒流后恒压)充电方式；(2)锂离子蓄电池在光照期通常不需要进行涓流充电；(3)锂离子蓄电池严禁过充过放，通常需要对单体进行均衡处理，来消除各单体之间的一致性差异。

1.1 地影期

GEO 卫星运行在地影期时，每天有一次地影，最长地影时间为1.16 h。在地影区，卫星负载由锂离子蓄电池组供电，其余时间由太阳电池阵供电并为蓄电池组充电。大功率长寿命卫星一般采用两组锂离子蓄电池组，其地影期充放电逻辑关系如图1 所示。

图1 充放电逻辑关系

两组锂离子蓄电池组充电，可以采用两组交替充电或两组同时充电的方案，具体的充电控制方式也有所区别。我国GEO 卫星锂离子蓄电池组充电控制一般采用“恒流+恒压”的两阶段充电方式，而国外某卫星型号锂离子蓄电池组(X1)也采用了该方式，但略有不同的是在恒流充电阶段采用阶梯充电控制方式，如图2 所示。

图2 X1锂离子蓄电池组地影期阶梯充电控制原理

1.2 光照期

除地影期和少量的月影外，GEO 卫星锂离子蓄电池组在每年长达9 个月的全光照期内一般处于搁置状态。锂离子蓄电池在长时间搁置期，其性能会发生一定程度的衰降。研究结果表明，锂离子蓄电池组在高温、高荷电状态下长时间搁置，电池性能会发生明显衰降；在低温、低荷电状态下搁置，电池性能衰降则会明显减少。因此，采取合理的在轨管理策略可以有效地减缓锂离子蓄电池组性能的衰降速率[5]。

2 GEO 卫星锂离子蓄电池组的在轨管理策略

2.1 在轨管理方式

新一代卫星平台中，锂离子蓄电池组可自主完成在轨管理，包括充放电控制、均衡管理、温度控制、过充过放保护和故障隔离。

在光照区，当锂离子蓄电池组未达到充电终压时，由太阳电池阵为锂离子蓄电池组充电。光照期，卫星依靠能源管理软件和电源控制器对锂离子蓄电池组在轨状态进行管理，锂离子蓄电池组可满足全光照期荷电状态保持在70%～90%的搁置要求。

进入地影季前，卫星能源管理软件自主完成充电终压和控温阈值的切换，当GEO 卫星运行在地影区时，锂离子蓄电池组放电，为星上负载供电；地影季期间，锂离子蓄电池组根据软件控制逻辑，在充电模式、放电模式和暂停模式之间切换，自主完成充放电管理；地影季结束后，充电终压和控温阈值切换为光照期控制阈值。

2.2 锂离子蓄电池组充电控制方式

在光照区时，由太阳电池阵为锂离子蓄电池组充电。电源控制器负责对锂离子蓄电池组在轨充放电进行管理。新一代GEO 卫星电源系统中，由于电源控制器进行了换代升级，组成结构和控制方式发生了变化，通过将BCR 电路和BDR 电路集成到一个充放电调节(BCDR)模块中来实现减重和性能提升。当卫星运行到地影区或者太阳电池阵输出功率不足时，每组锂离子蓄电池组通过5 个热备份的BDR 模块为星上负载供电；当太阳电池阵输出功率充足时，通过5 个热备份的BCR 模块实现锂离子蓄电池组的充电。相对于上一代电源控制器仅对BCR 模块进行主备份设计的备份方式，新一代电源控制器的充电模式具有更高的可靠性。

新一代电源控制器通过BCDR 模块的并联实现功率的扩展。每个BCR 工作在电流源模式，通过电池充电管理(BCM)模块设置充电控制点，从而实现多个BCR 模块的并联工作给锂离子蓄电池组充电。其中BCR 采用的是Buck 电路，结构简单、输出电流脉动较小，是新一代电源控制器BCR 设计的首选方案[3,6]。BCDR 模块中设置有输入开关和输出开关，可以确保任何故障情况下均不会导致母线或者电池组的过载或短路，提高了整星的可靠性。

新一代电源控制器省去了星载计算机对充电电流的检测及判断，可实现BCM 的自主充电管理，对锂离子蓄电池组的自主管控能力更强，控制也更为精准。

根据锂离子蓄电池组的特点，其充电采用“恒流+恒压”方式：当太阳电池阵输出功率超过整星负载和锂离子蓄电池组恒流充电需求时，锂离子蓄电池组按照用户设定的电流值进行充电，直至达到设定的充电截止(EOC)电压；然后采用恒压充电模式对锂离子蓄电池组进行自主充电，直至充电结束，不再需要星载计算机控制充电电流逐渐减档[3]。不同于上一代电源控制器的轮流充电方式，该方式实现了南北电池组充电的独立控制，完全解耦的设计使得两组电池可以同时充电，且不会互相干扰，包括电池充电保护也不会相互影响。BCM 充电控制的原理如图3 所示，该BCM 电路对应一组电池，若使用两组电池则应有两份BCM 电路。BCM 可以在两种模式下工作。

图3 BCM充电控制的原理框图

(1)恒流充电阶段

当锂离子蓄电池组放电后、太阳电池功率充足的情况下，充电的第一阶段为电池恒流充电，由用户确定充电电流设定值。此时，电池组处于快速充电状态。

新一代电源控制器可以同时为两组电池独立充电，与轮流充电方式相比，电池组的充电电流可以更小。GEO 卫星运行在地影期时，最长地影1.16 h，锂离子蓄电池组的最大放电深度不超过80%，锂离子蓄电池组有长达22 h 的时间进行充电。由于锂离子蓄电池组在小的充电电流下工作寿命更长，采用轮流充电的充电电流一般设计为0.1C，采用两组电池同时充电时，充电电流设计为0.05C即可满足充电要求。因此，新一代电源控制器的充电控制方式更有利于提高锂离子蓄电池组的工作寿命。

(2)恒压充电阶段

当锂离子蓄电池组电压达到EOC 电压，BCM 内部设置点会从之前设定的恒流充电电流值减小到蓄电池组漏电流(或0 电流)对应值，实际充电电流开始逐渐减小，从而保证锂离子蓄电池组电压值维持在设定的EOC 电压值。与上一代TAPER 充电方式相比，该模式下完全实现了恒压控制功能，减少了对星上软件的依赖。

2.3 能源管理软件应用分析

基于新一代电源控制器，对能源管理软件进行了优化设计，实现了锂离子蓄电池组全寿命周期的自主管理，主要实现方式如下。

(1)光照期的荷电态控制与补充充电管理

运行在GEO 轨道的卫星存在长的光照期，蓄电池组在长的光照期处于储存状态，相对低的荷电状态，有利于减少蓄电池组在搁置状态下的衰降；从卫星供电安全角度考虑，蓄电池组需要保持在相对高的荷电状态以应对突发情况下卫星的供电。综合考虑到上述因素，蓄电池组在全光照期荷电状态需保持在70%～90%，蓄电池组工作在搁置模式。

GEO 卫星依靠能源管理软件对蓄电池组在搁置模式下的荷电态进行控制。根据锂离子蓄电池组的荷电态与电池组电压的对应关系，能源管理软件依据采集到的电池电压来判定电池组的荷电状态：当电池电压达到荷电态下限阈值时，软件自主发送补充充电指令对锂离子蓄电池组进行补充充电；当电压达到荷电态上限阈值时，发送指令停止对蓄电池组进行充电。考虑到小的充电电流对锂离子蓄电池组更为有利，补充充电电流采用C/50 小电流恒流充电。采用此种控制方式可保证蓄电池搁置状态时保持在适宜的荷电态。

(2)温度控制

在适宜的环境温度下工作有助于提高锂离子蓄电池组的工作寿命。环境温度过高或过低，都将严重影响锂离子蓄电池组的工作寿命。研究结果表明，锂离子蓄电池组进行充放电的适宜工作温度范围为10～30 ℃；在搁置状态下，低的环境温度有利于减少蓄电池组的衰降，适宜的温度环境为-5～10 ℃。

GEO 卫星锂离子蓄电池组设计有主份与备份相互独立的加热器，依靠新一代能源管理软件对锂离子蓄电池组的工作温度实施控制。能源管理软件依据采集到的锂离子蓄电池组温度参数，对锂离子蓄电池组的加热器开关进行控制。当蓄电池组温度低于下限阈值时，软件自主发送加热器开关接通指令对锂离子蓄电池组进行加热；当蓄电池组温度达到上限阈值时，发送指令停止对蓄电池组进行加热。在地影期，锂离子蓄电池组需要进行充放电，温度阈值设计在14～16 ℃，可以保证锂离子蓄电池组温度在10～30 ℃范围内；全光照期搁置温度阈值设计在0～2 ℃范围内，可以保证锂离子蓄电池组温度在-5～10 ℃范围内。

新一代电源系统中，能源管理软件可通过星上光照/地影期标识完成进入地影季前后控温阈值的自动切换。相比上一代能源管理软件，减少了在轨期间管理人员的操作，提高了卫星电源系统的自主管理水平。

(3)过充电保护

过压保护：新型电源控制器具备过压充电保护功能，通过充电终压控制功能实现。电压安全保护阈值根据锂离子蓄电池单体的不同特性进行设定，目前常用单体平均控制电压通常设置为4.2 V，当电压达到保护阈值时，充电电流自动降为0；如果上述过压保护失效，当单体电压达到旁路控制上限时，在旁路控制作用下，故障的单体可自动切除，也能保证电压小于安全阈值。已在单机测试过程中得到验证。

过流保护：新一代能源管理软件具备过流保护功能，保证充电电流不超过所处环境温度下的最大电流值，延长电池使用寿命并且提升电池安全性。典型示意图见图4。

图4 过流保护

过温保护：新一代能源管理软件具备过温保护功能。当同一蓄电池组所有温度的遥测中间值超过高温阈值时，充电会被立刻停止；当温度降到高温恢复阈值时充电才可被恢复，保证蓄电池组不会发生温度过高而带来的安全性问题。

欠温保护：新一代能源管理软件具备欠温保护功能。当同一蓄电池组所有温度的遥测中间值低于低温阈值时，充电会被立刻停止；当温度升高至低温恢复阈值时充电才可被恢复，保证蓄电池组不会发生温度过低而带来的性能损伤。

(4)过放电保护设计

新一代能源管理软件具备两级过放电保护功能。当检测到放电容量达到I 级门限设置值时，会自主关闭有效载荷设备；当检测到放电容量达到II 级门限设置值时，会自主关闭加热器，从而保障蓄电池组和卫星的安全。

(5)保护功能验证

过压保护功能由电源控制器硬件实现，在单机及整星测试过程中均得到验证。

过温和过流充电保护功能由能源管理软件实现，该软件在开发阶段经历了完整的用例测试和第三方评测，并与电源控制器进行了联试验证，整星测试时状态正常，保护功能得到了有效验证。

过放电保护设计由整星FDIR 功能实现，在卫星地面测试过程中得到了有效验证。

2.4 均衡管理

对于不同轨道的卫星，均衡管理从操作时机来说，可以分为充电均衡、放电均衡、搁置期均衡；按均衡原理可以分为能量传递、能量耗散等方式[7]。

按照均衡原理，耗散型均衡电路具有简单可靠的优点。本文介绍的锂离子蓄电池组在轨管理为能量耗散型，每个模块配置智能监视集成系统(ISIS)，用于电池组的单体均衡管理。当蓄电池单体达到设定阈值时，均衡电路开始工作，原理简单，热耗小，可靠性高。

就均衡时机而言，为提高在轨管理的自主性，本电源系统在地影季期间，通过对蓄电池组充电终压的设置，随着蓄电池组充放电循环，蓄电池组进行自主均衡，无需地面干预。

3 在轨遥测数据分析

图5(a)和图5(b)为秋分日南北锂离子蓄电池组整组的在轨工作电压和充电电流曲线。采用新一代电源控制器对南北蓄电池组采取同时充电策略，恒流充电阶段采用单组C/20进行充电；当蓄电池组达到充电截止电压后，采取恒压充电模式。由在轨充电曲线可见，在轨数据与蓄电池恒流恒压充电控制方式相吻合。恒流模式下，蓄电池组的充电电流值维持在6.24～6.25 A；恒压模式下，北蓄电池组电压范围在81～81.05 V，蓄电池组充电电流在BCM 控制下由6.25 A 逐渐减小至0 A，满足蓄电池组恒流和恒压充电要求。

图5 锂离子蓄电池组整组的在轨工作电压和充电电流曲线

对进入同步轨道后的蓄电池组温度数据进行统计和分析。目前，卫星已经历一个完整的地影季，分别对光照季和地影季的工作温度进行了统计。发射后蓄电池组的长光照期搁置温度在0～8 ℃，地影季工作温度在11.5～17.5 ℃，蓄电池组的工作温度范围满足在轨温度控制要求。以单组蓄电池温度控制曲线为例，由图6 可见，地影前和地影后蓄电池组均自主完成了光照期和地影期温度控制阈值的切换。

图6 锂离子蓄电池组在轨温度曲线

对蓄电池组单体压差进行了统计，通过自主均衡控制策略，经历了一个地影季后，包括光照期在内，单体压差最大不超过15 mV。

实际数据判读表明锂离子蓄电池组取得了预期的控制效果，电压值、电流值和温度均在正常值范围内，在轨工作状态良好。

4 结论

本文基于新一代电源控制器模块化强、可靠性高的优势，结合GEO 卫星轨道环境以及长寿命、高可靠性的需求，根据电池特性提出了锂离子蓄电池组的在轨管理方法，实现了自主恒流恒压充电控制，延长了锂离子蓄电池组在轨使用寿命，提高了整星电源系统的健壮性。在轨数据表明：该锂离子蓄电池组在轨管理策略可满足GEO 卫星锂离子蓄电池组全寿命周期的自主管理需求。