趙海峰，徐 偉，王志飛，解曉莉，陳杏娜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

高分一號(hào)衛(wèi)星項(xiàng)目于2010 年啟動(dòng)實(shí)施，2013 年4 月26 日發(fā)射成功，是中國(guó)第一顆設(shè)計(jì)壽命為5 a 的低軌衛(wèi)星；電源分系統(tǒng)作為衛(wèi)星平臺(tái)的重要分系統(tǒng)之一，其性能和在軌工作壽命是制約衛(wèi)星壽命關(guān)鍵因素之一。

1 電源分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 電源分系統(tǒng)組成及工作原理

高分一號(hào)衛(wèi)星電源分系統(tǒng)由電源控制器、鋰離子蓄電池組與太陽(yáng)電池陣三臺(tái)單機(jī)組成[1]。鋰離子蓄電池組為儲(chǔ)能單元，在主動(dòng)段、軌道陰影期及峰值功率時(shí)對(duì)星上設(shè)備供電。太陽(yáng)電池陣為發(fā)電單元，在光照期對(duì)星上負(fù)載供電，在滿足負(fù)載功率需求的情況下對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電。電源控制器是分系統(tǒng)的控制中心，其功能是功率調(diào)節(jié)和變換、控制、檢測(cè)電源分系統(tǒng)的工作，包括調(diào)節(jié)母線電壓，提供火工品電源，充電控制、放電控制及均衡管理，同時(shí)完成電源系統(tǒng)智能化管理。

電源系統(tǒng)采用全調(diào)節(jié)模式，即無(wú)論在主動(dòng)段，還是在軌運(yùn)行期間，電源分系統(tǒng)均為星上設(shè)備提供穩(wěn)定的(30±1)V 電源電壓。

高分一號(hào)衛(wèi)星電源分系統(tǒng)儲(chǔ)能電池采用的是鋰離子電池組，其在軌管理方法與鎘鎳電池組不同。鎘鎳電池以串聯(lián)方式組成電池組，分檔恒定電流充電；通過(guò)整組電池涓流充電，維持電池組滿荷電狀態(tài)。鎘鎳電池可以承受一定程度過(guò)充、過(guò)放，通常配置在軌處理器裝置。

鋰離子電池組用小容量單體電池并聯(lián)、串聯(lián)方式組成電池組，采用恒流恒壓方式充電，嚴(yán)禁過(guò)充過(guò)放，配置均衡管理裝置保證單體性能一致性。

1.2 蓄電池組設(shè)計(jì)

2010 年以前，國(guó)內(nèi)衛(wèi)星用儲(chǔ)能電源主要以鎘鎳、氫鎳蓄電池為主。鋰離子電池在短期在軌的小功率衛(wèi)星上有應(yīng)用，沒有在長(zhǎng)壽命、高功率衛(wèi)星上做在軌飛行驗(yàn)證。

鋰離子單體電池電壓3.6 V，約是鎘鎳電池單體電壓的3倍。鋰離子電池質(zhì)量比能量220 Wh/kg，是鎘鎳電池的4 倍左右。使用鋰離子電池組替代鎘鎳電池組，有利于衛(wèi)星電源的輕量化和小型化，降低發(fā)射成本。

我國(guó)微小衛(wèi)星上已應(yīng)用鋰離子蓄電池組，容量較小(低于30 Ah)，在軌時(shí)間短(少于1 a)，有時(shí)僅作為輔助電源。

在低軌道長(zhǎng)壽命衛(wèi)星上應(yīng)用大容量鋰離子電池組，有許多技術(shù)難題需要面對(duì)，如循環(huán)壽命、充放電控制、均衡管理和在軌安全等。

1.2.1 電池組容量選擇

蓄電池組額定容量根據(jù)最長(zhǎng)地影時(shí)間、壽命末期平均輸出功率、串聯(lián)單體數(shù)、熱備份數(shù)、壽命末期單體平均放電電壓、內(nèi)部線路壓降和最大放電深度確定。經(jīng)計(jì)算，滿足衛(wèi)星平臺(tái)功率要求的電池組容量為80 Ah，由28 只20 Ah 的單體電池通過(guò)4 并7 串組成。

1.2.2 長(zhǎng)壽命鋰離子蓄電池組

高分一號(hào)衛(wèi)星是第一顆將設(shè)計(jì)壽命由3 a 提高到5 a 的低軌衛(wèi)星，需要在軌飛行2.8 萬(wàn)周。依據(jù)壽命要求，研制人員設(shè)計(jì)出適合快速充放電長(zhǎng)壽命電極，選擇多功能電解液，采用利于散熱、避免鼓脹的圓柱型單體電池。

地面驗(yàn)證了鋰離子蓄電池循環(huán)壽命。驗(yàn)證中采用20 Ah單體，通過(guò)4 并3 串組成了80 Ah 電池組件，以30% DOD 進(jìn)行循環(huán)。地面循環(huán)壽命數(shù)據(jù)見圖1。

圖1 80 Ah電池組件模擬低軌30%DOD循環(huán)試驗(yàn)

圖1 中可以看出，電池放電終止電壓穩(wěn)定，組件在無(wú)均衡處理?xiàng)l件下完成循環(huán)2.25 萬(wàn)次，電池組性能狀態(tài)良好。當(dāng)電池放電終壓達(dá)到9.9 V 時(shí)，作為壽命終止判據(jù)。據(jù)此計(jì)算，電池組件循環(huán)次數(shù)有望達(dá)到2.9 萬(wàn)次，可以滿足5 a 在軌要求。

1.2.3 電池組合技術(shù)

電池組并聯(lián)組合，并聯(lián)模塊單體電池之間會(huì)相互影響。應(yīng)用時(shí)，出現(xiàn)性能較差電池，它會(huì)影響其他并聯(lián)一起的電池，最后導(dǎo)致整個(gè)模塊的性能變差。電池組單體篩選和匹配是保持電池一致性的重要步驟。高分一號(hào)衛(wèi)星用蓄電池篩選和匹配基本原則是單體容量偏差小于3%、內(nèi)阻偏差小于1 mΩ。嚴(yán)格篩選與匹配后，電池組內(nèi)單體電池性能一致性較好。

電池組采用套筒式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)件采用導(dǎo)熱良好鋁合金。每只電池貼加熱片，設(shè)定主動(dòng)溫控閾值控制加熱電路的通斷。電池組結(jié)構(gòu)和控溫措施為電池組提供可靠性和安全性保證。星用鋰離子蓄電池組見圖2。

圖2 鋰離子蓄電池組

1.2.4 安全性驗(yàn)證

由于鋰離子蓄電池能量密度高，使用安全被高度關(guān)注。為確保鋰離子電池對(duì)衛(wèi)星和人員不發(fā)生嚴(yán)重的損毀或傷害，依據(jù)衛(wèi)星工程總體相關(guān)要求，對(duì)鋰離子蓄電池短路條件下的安全性、過(guò)放電條件下的安全性、過(guò)充電條件下的安全性以及電池殼體的安全性進(jìn)行了嚴(yán)格驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，星用鋰離子蓄電池組滿足相關(guān)規(guī)范要求。

1.2.5 在軌數(shù)據(jù)

在軌飛行8 a，7 只單體電池電壓遙測(cè)數(shù)據(jù)在3.84～4.0 V范圍，同一時(shí)刻，單體之間電壓偏差低于0.02 V。均衡電路沒有啟用，表明蓄電池單體性能一致性良好。

蓄電池組不同位置的4 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，均在15.4～20.0 ℃之間，同一時(shí)刻4 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)之間溫差不超過(guò)2 ℃。

1.3 電源控制器

電源控制器采用模塊化設(shè)計(jì)，由放電調(diào)節(jié)模塊、充電調(diào)節(jié)模塊、充電控制模塊、濾波模塊、分流調(diào)節(jié)模塊、信號(hào)變換模塊、均衡模塊、二次電源模塊和電源下位機(jī)模塊等組成。

蓄電池組在軌性能和循環(huán)壽命主要由電池組設(shè)計(jì)、制造決定，與在軌管理技術(shù)相關(guān)。在壽命中后期，在軌管理對(duì)蓄電池組更為重要。電源控制器在充放電管理、過(guò)充過(guò)放管理、均衡管理、在軌注入能力和自主管理等方面進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，通過(guò)了地面試驗(yàn)。目前在軌工作正常。

1.3.1 恒流-恒壓充電管理

鋰離子電池組采用恒流-恒壓充電控制方式，在電池組電壓未達(dá)到恒壓段時(shí)，充電電流由充電電流設(shè)定電平和主誤差放大器共同決定，隨著電池組電壓的逐漸升高，電池誤差放大器逐漸減?。划?dāng)電池組電壓接近或達(dá)到恒壓設(shè)定值時(shí)，充電調(diào)節(jié)器充電電流受控于電池誤差放大器，充電電流隨著電池誤差放大器的減小而逐漸減小，并最終維持恒壓狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)蓄電池組恒流-恒壓充電控制。恒流-恒壓充電的電壓與電流變化趨勢(shì)見圖3。

圖3 恒流-恒壓充電的電壓與電流變化趨勢(shì)

為滿足鋰離子蓄電池組壽命不同階段對(duì)于充電電壓控制的要求，采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)了一條指令切換八個(gè)獨(dú)立基準(zhǔn)，節(jié)省了指令和遙測(cè)資源[2]。

1.3.2 強(qiáng)化過(guò)充過(guò)放管理

鋰離子電池過(guò)充會(huì)釋放出熱量和氣體，導(dǎo)致電池鼓脹，甚至發(fā)生爆炸[3]。鋰離子電池過(guò)放會(huì)導(dǎo)致鋰離子更多地遷出，破壞負(fù)極穩(wěn)定，造成不可逆損壞[4]。為避免出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放的現(xiàn)象發(fā)生，電源控制器設(shè)計(jì)了完備的過(guò)充、過(guò)放管理，分別采用軟件和硬件實(shí)現(xiàn)。硬件單體過(guò)壓保護(hù)電路和蓄電池組硬件過(guò)放保護(hù)電路可以通過(guò)指令進(jìn)行切除或恢復(fù)；軟件過(guò)充保護(hù)和軟件過(guò)放保護(hù)設(shè)置“使能”和“禁止”；防止由于軟件保護(hù)或硬件保護(hù)自身出現(xiàn)故障，對(duì)蓄電池造成不利影響。硬件單體過(guò)壓保護(hù)值設(shè)計(jì)為4.5 V，軟件單體過(guò)壓保護(hù)值設(shè)計(jì)為4.3 V，硬件過(guò)放保護(hù)值設(shè)計(jì)為18 V，軟件過(guò)放保護(hù)值設(shè)計(jì)為19 V。

1.3.3 均衡管理

蓄電池組成組電路為4 并7 串。電源控制器設(shè)計(jì)了電池組均衡管理功能，并實(shí)現(xiàn)了均衡電路的小型化和高可靠。均衡電路采用兩路(雙串雙并)，以降低單個(gè)三極管的功耗，并提高可靠性，均衡電阻布局于單體電池之間的空隙處，既解決了散熱問(wèn)題，又節(jié)省了空間，實(shí)現(xiàn)了鋰離子蓄電池均衡電路的小型化和高可靠。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，鋰離子蓄電池組的均衡電流選取范圍在1/100C與1/200C之間，均衡電阻選取2 只阻值為16 Ω 的功率電阻，最大分流電流約為500 mA。

1.3.4 提升自主管理和在軌注入能力

為提高電源分系統(tǒng)在軌管理能力，滿足在軌5 a 要求，采用自主診斷、安全模式等自主管理的方式完成對(duì)整星的供電管理。同時(shí)設(shè)置在軌注入和遙控指令功能，可進(jìn)行地面干預(yù)。地面干預(yù)時(shí)，可以根據(jù)在軌能量使用情況，通過(guò)注入充電電流設(shè)定電平，改變充電電流大小，通過(guò)發(fā)送指令調(diào)整蓄電池組充電電壓，改變充放比。通過(guò)遙控指令控制均衡啟停，電源下位機(jī)依據(jù)自主均衡管理策略進(jìn)行自主管理。

1.4 太陽(yáng)電池陣

太陽(yáng)電池陣基板分為+Y 翼與-Y 翼，單翼由3 塊1 110 mm×850 mm 的碳纖維鋁蜂窩夾層板構(gòu)成[5]，太陽(yáng)電池陣6 塊板。

選用平均效率大于28%的三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，規(guī)格為39.8 mm×60.4 mm 和30.6 mm×40.3 mm，壽命末期90 ℃時(shí)單體電池最佳工作點(diǎn)電壓約為1.80 V，單體電池在軌最差情況下輸出電流約為0.359 A。

太陽(yáng)電池陣在綜合考慮功率余量和基板可布片面積后，單板電路布置39.8 mm×60.4 mm 電池18 并19 串，30.6 mm×40.3 mm 電池1 并19 串。6 塊板布片方式完全相同。

太陽(yáng)電池陣功率輸出的在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)為1 312 W，滿足星用1 170 W 要求。

2 在軌應(yīng)用

高分一號(hào)衛(wèi)星電源分系統(tǒng)于2010 年完成方案論證，并開始初樣產(chǎn)品和正樣產(chǎn)品研制，2013 年發(fā)射。迄今，高分一號(hào)衛(wèi)星在軌運(yùn)行超過(guò)8 a，電源分系統(tǒng)在軌運(yùn)行期間工作正常，性能穩(wěn)定；鋰離子電池組在軌循環(huán)次數(shù)超過(guò)46 000 次。

圖4 是2022 年1 月份電源分系統(tǒng)的主要遙測(cè)數(shù)據(jù)曲線，從遙測(cè)數(shù)據(jù)分析可以看出：蓄電池組電壓范圍為27.0～28.0 V；母線電壓范圍為30.26～30.92 V；方陣電流最大輸出電流為42.45 A；充電電流、放電電流、負(fù)載電流連續(xù)，均處于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

圖4 高分一號(hào)電源分系統(tǒng)主要遙測(cè)數(shù)據(jù)曲線

3 結(jié)語(yǔ)

電源分系統(tǒng)經(jīng)歷設(shè)計(jì)、研制、測(cè)試、發(fā)射、在軌飛行等階段，正樣已在軌運(yùn)行8 a。在軌飛行數(shù)據(jù)表明，蓄電池組通過(guò)先進(jìn)、合理、有效設(shè)計(jì)，充分的地面驗(yàn)證，達(dá)成了長(zhǎng)壽命目標(biāo)，迄今，鋰離子電池組在軌循環(huán)次數(shù)超過(guò)4.6 萬(wàn)次；電源控制器工作正常，在軌飛行期間未發(fā)生故障、誤觸發(fā)或失效等事件；太陽(yáng)電池陣輸出功率滿足使用要求，未明顯衰減，也未發(fā)生故障。