陳 燕,張亞航,郭 堅

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

一種鎘鎳蓄電池在軌活化通用設(shè)計方法

陳 燕,張亞航,郭 堅

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

提出了一種衛(wèi)星鎘鎳蓄電池在軌活化通用化設(shè)計與實現(xiàn)方法，利用衛(wèi)星軟件根據(jù)實時遙測數(shù)據(jù)，自主進行鎘鎳蓄電池在軌活化處理;解決了傳統(tǒng)航天器地面采用預(yù)設(shè)V-T曲線進行鎘鎳蓄電池的充放電人工控制時，由于電流遙測頻率較低且負(fù)載工作電流變化模式多，境外的參數(shù)無法實時獲取等原因，無法獲取準(zhǔn)確的充放電電量，不易通過深放電實現(xiàn)鎘鎳蓄電池在軌活化處理的問題;進一步對該方法進行通用化設(shè)計，可適用于采用電量計控制的各種航天器鎘鎳蓄電池，提高鎘鎳蓄電池壽命末期輸出能力，延長航天器電池使用壽命。

航天器；鎘鎳蓄電池；在軌活化

0 引言

電源是衛(wèi)星關(guān)鍵部分，供電狀態(tài)異常將會危及整星正常工作，是航天器壽命的關(guān)鍵因素[1-3]。鎘鎳蓄電池組是我國低軌航天器的主要儲能裝置，目前仍有大量衛(wèi)星使用[4]。對于鎘鎳蓄電池來說，其壽命與充放電深度關(guān)系很大。為了保證蓄電池組的壽命，其放電深度比較淺，一般鎘鎳蓄電池組放電深度約為20%[5]。隨著航天器壽命不斷延長，在軌運行時間增加，蓄電池組的電壓會發(fā)生衰減。由于電池長期處于淺充淺放的(滿充電)狀態(tài)下，使得可以充、放電的活性物質(zhì)逐漸減少，結(jié)果引起放電性能下降，也被稱為“記憶效應(yīng)”。

深度放電是對航天器鎘鎳蓄電池進行在軌活化處理，提高鎘鎳蓄電池壽命末期輸出能力，延長使用壽命的有效方法。但是其操作具有一定難度，同時也具有一定風(fēng)險。我國以前的航天器，一般采用預(yù)設(shè)好的V-T曲線進行鎘鎳蓄電池的充放電控制[5]，只能由地面人員對充放電電量進行計算。由于電流遙測頻率較低且負(fù)載工作電流變化模式多[6-8]，而且境外的參數(shù)無法實時獲取，因此無法通過遙測數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確的充放電電量，不易通過深放電實現(xiàn)鎘鎳蓄電池在軌活化處理。

本文介紹一種鎘鎳蓄電池在軌活化通用化設(shè)計方法，針對中低軌遙感衛(wèi)星，通過航天器星載軟件進行電量計控制，由數(shù)管分系統(tǒng)實時采集蓄電池的充放電電流、計算充放電電量，通過減小對蓄電池的充電時間實現(xiàn)蓄電池欠充電，達(dá)到深度放電活化目的，并自主發(fā)送遙控指令。通過在軌實際應(yīng)用表明，該方法相對以前的地面人工充放電控制方法，大幅度提高了蓄電池深度放電精確度，并最終提高了衛(wèi)星鎘鎳蓄電池活化效果。

1 鎘鎳蓄電池在軌活化方法

為了在衛(wèi)星蓄電池長期淺充淺放之后，減少鎘鎳電池記憶效應(yīng)，需周期性地對電池進行完全的放電和充電。由星載軟件實現(xiàn)電量計控制蓄電池的充放電，通過設(shè)置條件使得電池在未充滿的情況下停止充電(虧欠ΔQ)，電池在轉(zhuǎn)入放電模式后，由于放電量不變，因此電池的放電深度增加，在下一個充電過程中，再設(shè)置條件使蓄電池多充ΔQ，補回虧欠的電量，深度放電操作結(jié)束。該方案主要需滿足以下策略：

1)將深度放電的電量設(shè)計成一個參數(shù)(用ΔQ表示)，嵌入到蓄電池工作模式轉(zhuǎn)換條件(即大電流充電模式轉(zhuǎn)為涓流充電模式的條件)中，需滿足方程式(1):

(1)

其中：Q充為充電電量；ηc為充電效率，可通過遙控注入修改，初始默認(rèn)值為1；ΔQ默認(rèn)為零。

2)當(dāng)需要進行在軌深度放電處理時，在放電過程中(放電電流不小于1A)通過遙控注入ΔQ，包括ΔQ1和ΔQ2，其中ΔQ1為負(fù)數(shù)，ΔQ2為不小于0的數(shù)。

3)電量計立即更新ΔQ，使ΔQ=ΔQ1，ΔQ1，為設(shè)定的安全閾值，安全閾值根據(jù)地影期長期負(fù)載下的放電安時數(shù)與光照期最大充電安時數(shù)選取，超過安全閾值，電量計認(rèn)為數(shù)據(jù)無效，不予更新)。

4)當(dāng)滿足大電流模式轉(zhuǎn)涓流模式的條件，且發(fā)出轉(zhuǎn)涓流模式的指令后，電量計再次更新ΔQ，使ΔQ=ΔQ2。這樣，即可以在下一循環(huán)將蓄電池虧欠的電量充滿。

5)當(dāng)再次滿足大電流充電模式轉(zhuǎn)涓流充電模式的條件，且發(fā)出轉(zhuǎn)涓流模式的指令后，電量計再次更新ΔQ，使ΔQ恢復(fù)為0，深度放電操作結(jié)束。

2 在軌活化設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 通用化設(shè)計

如本文第二節(jié)所述，衛(wèi)星鎘鎳蓄電池深度保護所涉及充電電量、放電電量和各類上下限值等電源屬性的處理；除此之外，在進行通用化設(shè)計時，還需考慮與衛(wèi)星其他處理模塊的接口，例如遙控和遙測接口的處理。為了達(dá)到星載軟件通用化設(shè)計的目的，電量計處理模塊必須能夠充分兼容各種型號電源特點，以及各型號遙測遙控接口。

一般來說，對于采用鎘鎳蓄電池組的航天器，其充電量和放電量會有所差異，且不同的軌道航天器，在壽命周期內(nèi)充放電次數(shù)也存在差異。例如地球同步軌道航天器一年只有92天有地影，為了保持蓄電池組性能，需要長期涓流充電；而近地軌道航天器運行周期一般只有100分鐘，地影期超過軌道周期1/3，因此其充電電流幾乎與負(fù)載電流相等。因此，經(jīng)過仔細(xì)梳理多個遙感衛(wèi)星電源設(shè)計方案和需求，認(rèn)為以下因素將對軟件通用化產(chǎn)生影響，需要通用化設(shè)計時進行考慮：

1)初始充電效率；

2)通過指令更改的充電效率；

3)充電k系數(shù)；

4)放電k系數(shù)；

5)充電電量；

6)放電電量；

7)充電電流下限；

8)放電電流下限；

9)對充電電流進行主備份選擇；

10)對放電電流進行主備份選擇；

11)供電陣總電流下限；

12)供電陣總電流主備份選擇。

本文在設(shè)計的時候，將這些因素設(shè)計為軟件參數(shù)和變量[9-10]，并能夠通過指令等手段對其進行修改，從而適應(yīng)各類型號需求的變化。同時，將計算流程分為兩個模塊設(shè)計，見本文3.2和3.3節(jié)。

2.2 子模塊1設(shè)計

子模塊1位于電量計遙控指令接收模塊中，用于實現(xiàn)將ΔQ賦值為ΔQ1，處理方法如下：

1)在電量計遙控指令接收模塊中，當(dāng)判斷指令類型為注入ΔQ時進入步驟2，當(dāng)不為該類型時繼續(xù)其他指令類型的判斷；

圖1 鎘鎳蓄電池在軌活化子模塊1處理流程

2)進一步判斷，當(dāng)該指令為針對A蓄電池組的注入ΔQ指令時進入步驟3，否則進入步驟5；

3)當(dāng)A蓄電池組當(dāng)前的ΔQ為0(確保上一次的深度放電操作已結(jié)束或從未發(fā)生過深度放電操作)，且當(dāng)前的放電電流不小于1A(當(dāng)前正處于放電模式)，且ΔQ1的絕對值小于xxAh(xxAh為安全閾值，確保注入了錯誤的放電深度值時不予執(zhí)行，以不對系統(tǒng)安全產(chǎn)生影響，可根據(jù)蓄電池容量和正常情況下的放電電量值確定)時，進入步驟4，否則結(jié)束本次處理；

4)將指令數(shù)據(jù)中的ΔQ1賦值給A蓄電池組的q1_delta變量，將指令數(shù)據(jù)中的ΔQ2賦值給A蓄電池組的q2_delta變量，將指令數(shù)據(jù)中的ΔQ1賦值給A蓄電池組的ΔQ變量；

5)進一步判斷，當(dāng)該指令為針對B蓄電池組的注入ΔQ指令時進入步驟6，否則進入步驟8；

6)當(dāng)B蓄電池組當(dāng)前的ΔQ為0(確保上一次的深度放電操作已結(jié)束或從未發(fā)生過深度放電操作)，且當(dāng)前的放電電流不小于1A(當(dāng)前正處于放電模式)，且ΔQ1的絕對值小于4 Ah(4 Ah為安全閾值，確保注入了錯誤的放電深度值時不予執(zhí)行，以不對系統(tǒng)安全產(chǎn)生影響，可根據(jù)蓄電池容量和正常情況下的放電電量值確定)時，進入步驟7，否則進入步驟8；

7)將指令數(shù)據(jù)中的ΔQ1賦值給B蓄電池組的q1_delta變量，將指令數(shù)據(jù)中的ΔQ2賦值給B蓄電池組的q2_delta變量，將指令數(shù)據(jù)中的ΔQ1賦值給B蓄電池組的ΔQ變量，結(jié)束本次處理；

8)在遙測參數(shù)中置錯誤標(biāo)志，結(jié)束本次處理。

星載軟件實現(xiàn)時，其具體流程圖如圖1所示。

圖2 鎘鎳蓄電池在軌活化子模塊2處理流程

2.3 子模塊2設(shè)計

子模塊2位于計算電量并判斷輸出轉(zhuǎn)充電模式指令模塊中，用于實現(xiàn)將ΔQ賦值為將ΔQ2和恢復(fù)為0，處理方法如下：

1)根據(jù)充電電流、與上一次計算充電電量的間隔時間(即充電時間)，放電電流、與上一次計算放電電量的間隔時間(即放電時間)，計算出放電電量Q放、充電電量Q充；

2)當(dāng)充電電量和放電電量滿足方程式(1)，即ηc*Q充>Q放+ΔQ，且充電電流大于3A時(確保當(dāng)前處于大電流充電模式)，進入步驟3，否則結(jié)束本次處理；

3)充電電量、放電電量清0，記錄轉(zhuǎn)涓流充電模式時間，更新ηc；

4)如指令輸出使能，則將轉(zhuǎn)涓流模式指令發(fā)出，進入步驟5，否則結(jié)束本次處理；

5)如指令消息發(fā)送不成功，則記錄發(fā)送不成功的指令碼和發(fā)送時間，進入步驟6；

6)電量計控制指令計數(shù)加1，判斷當(dāng)前的ΔQ是否為ΔQ1，如果是，則進入步驟7，如果不是，則進入步驟8；

7)設(shè)置ΔQ=ΔQ2，結(jié)束本次處理；

8)判斷當(dāng)前的ΔQ是否為ΔQ2，如果是，則設(shè)置ΔQ=0，結(jié)束本次處理；否則直接結(jié)束本次處理。

星載軟件實現(xiàn)時，其具體流程圖如圖2所示。

3 應(yīng)用效果

隨著航天器壽命不斷延長，在軌運行時間增加，蓄電池組的電壓會發(fā)生衰減。由于電池長期處于淺充淺放的(滿充電)狀態(tài)下，使得可以充、放電的活性物質(zhì)逐漸減少，結(jié)果引起放電性能下降，也被稱為“記憶效應(yīng)”。因此，為了提高衛(wèi)星電池輸出效能，本項技術(shù)需要在衛(wèi)星壽命末端使用，然而目前采用本技術(shù)的衛(wèi)星尚在服役過程中。因此缺乏實際數(shù)據(jù)。為此，本文所提出的蓄電池在軌活化技術(shù)，在地面進行了試驗和驗證。試驗中，被測試鎘鎳蓄電池組在進行了3 000次20%的淺充淺放之后，其電池效能僅剩余32%。經(jīng)過活化之后，可以將蓄電池組效能提高至54%左右。

4 結(jié)論

本文為了解決了V-T曲線控制難以實現(xiàn)對航天器鎘鎳蓄電池進行深度放電的在軌活化問題，提供了一種鎘鎳蓄電池在軌深度放電星載軟件實現(xiàn)方法。該設(shè)計主要好處體現(xiàn)在兩個方面：

1)解決了航天器鎘鎳蓄電池人工在軌活化高難度和低精度問題，實現(xiàn)了衛(wèi)星在軌自主在軌深度放電。

2)通過對多種衛(wèi)星需求分析和梳理，進行了通用化軟件設(shè)計與實現(xiàn)，能夠滿足不同衛(wèi)星的需求。

目前，本文的研究成果已經(jīng)在資源系列、高分辨率對地觀測系列等多個衛(wèi)星中得到應(yīng)用，實際使用效果顯著。

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A General Design for Cd-Ni Battery Activation in-orbit

Chen Yan, Zhang Yahang, Guo Jian

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

Provided a method of designing and realizingthe General Onboard Software for Cd-Ni battery activation in-orbit.In this scheme, the onboard software completes the Cd-Ni battery activationautomatically with real-time telemetry data. It solved the problem that the ground controller can’t forecast and control the traditionalspacecraftCd-Ni battery activation process exactlywith V-T curve because of lack of real-time date overseas, the low frequency of telemetry and the working current changes all the while. And after the generalize designing, it is suitable for all kinds of spacecraftwhich used Cd-Ni battery, and improve the power supply ability and prolong the life of battery.

spacecraft; Cd-Ni battery; activation in-orbit

2016-03-28；

2016-04-29。

總裝備部預(yù)先研究支持項目(513200702)。

陳 燕(1979-)，女，陜西西安人，工程師，主要從事航天器電源系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2016)07-0280-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.075

V446 文獻標(biāo)識碼：A