空間電源系統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)技術(shù)發(fā)展綜述

楊友超 李海偉

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京100076)

1 引言

空間電源系統(tǒng)作為航天器的重要組成部分，負(fù)責(zé)為航天器所有設(shè)備提供穩(wěn)定、可靠的能源，對(duì)航天器的性能、可靠性和壽命起著決定性作用。雖然衛(wèi)星電源系統(tǒng)種類(lèi)繁多，但空間在軌衛(wèi)星90%以上均采用“太陽(yáng)電池陣-蓄電池組”聯(lián)合供電系統(tǒng)。航天器在軌期間，受帶電粒子輻射、空間碎片等空間環(huán)境影響以及工作電流、放電深度等自身工作特性的限制，壽命會(huì)隨部件失效或性能衰減逐步降低，進(jìn)而影響航天器的壽命。從美國(guó)針對(duì)GPS衛(wèi)星開(kāi)展的限壽產(chǎn)品專(zhuān)項(xiàng)研究的結(jié)果來(lái)看，影響衛(wèi)星壽命的主要因素包括太陽(yáng)電池陣退化、蓄電池放電容量退化和在軌環(huán)境導(dǎo)致的原子鐘晶體管退化，其中最可能的限壽產(chǎn)品是太陽(yáng)電池陣和蓄電池[1]。因此，確定影響空間電源系統(tǒng)性能的主要因素，建立模型開(kāi)展壽命預(yù)測(cè)，并提出針對(duì)性的解決措施，成為航天器實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命工作的關(guān)鍵。

本文從空間電源系統(tǒng)的工作原理出發(fā)，結(jié)合電源系統(tǒng)的工作環(huán)境，分析了影響電源系統(tǒng)壽命的主要因素，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)在電源壽命預(yù)測(cè)技術(shù)方面的進(jìn)展，提出了目前所面臨的難點(diǎn)及后續(xù)的主要攻關(guān)方向，為其后續(xù)工程化應(yīng)用和實(shí)施提供解決途徑。

2 空間電源系統(tǒng)工作原理

基于太陽(yáng)電池陣-蓄電池組聯(lián)合供電的空間電源系統(tǒng)一般由太陽(yáng)電池陣、蓄電池組和電源控制裝置組成。其中太陽(yáng)電池陣主要利用光伏效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，在光照區(qū)為負(fù)載供電和蓄電池組充電，多余能量分流；蓄電池組則主要提供航天器陰影區(qū)的能量供給；電源控制裝置主要負(fù)責(zé)能量的控制、調(diào)節(jié)，維持母線的穩(wěn)定。

由于電源控制裝置主要由電子元器件組成，并且安裝在艙內(nèi)，受工作環(huán)境影響較?。徊⑶覐拿绹?guó)導(dǎo)航衛(wèi)星實(shí)際數(shù)據(jù)分析來(lái)看，其工作壽命不是影響航天器壽命的主要方面，因此本文主要內(nèi)容均圍繞太陽(yáng)電池陣和蓄電池組進(jìn)行探討。

太陽(yáng)電池是把光能直接轉(zhuǎn)換為電能光電轉(zhuǎn)換器件，其核心是PN結(jié)。當(dāng)太陽(yáng)光照射太陽(yáng)電池，太陽(yáng)電池吸收光能并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，受內(nèi)部電場(chǎng)的作用，電子流向N區(qū)，空穴流向P區(qū)，從而導(dǎo)致N區(qū)電子過(guò)剩，P區(qū)空穴過(guò)剩，N區(qū)和P區(qū)之間就產(chǎn)生了光生伏打電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)接通外電路時(shí)便輸出了電能[2]。表征太陽(yáng)電池性能的參數(shù)有開(kāi)路電壓、短路電流、填充因子、轉(zhuǎn)換效率等，其中填充因子是衡量太陽(yáng)電池性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，填充因子越大，輸出功率越接近極限功率，晶體完整性、基區(qū)參雜濃度和光照強(qiáng)度都會(huì)對(duì)填充因子產(chǎn)生重要影響。

蓄電池一般由正極、負(fù)極和電解質(zhì)組成，工作狀態(tài)分為放電和充電兩種，當(dāng)處于放電狀態(tài)時(shí)，負(fù)極氧化正極被還原，電子從負(fù)極通過(guò)外電路流向正極；當(dāng)處于充電狀態(tài)時(shí)，正極氧化負(fù)極被還原，電子通過(guò)外電路由正極流向負(fù)極。電池的充放電過(guò)程是離子在正負(fù)極和電解液中擴(kuò)散和遷移的過(guò)程，因此，離子的遷移和擴(kuò)散是影響電池性能的關(guān)鍵因素。

3 影響電源系統(tǒng)壽命的主要因素

3.1 影響太陽(yáng)電池壽命的主要因素

太陽(yáng)電池性能主要受晶體完整性、PN結(jié)完整性、基區(qū)參雜濃度和光照強(qiáng)度等因素影響，上述因素一方面和太陽(yáng)電池的生產(chǎn)加工工藝相關(guān)，另一方面則與太陽(yáng)電池外部工作環(huán)境有關(guān)。由于目前太陽(yáng)電池生產(chǎn)工藝較為成熟，且在裝器之前均經(jīng)嚴(yán)格篩選檢測(cè)，因此影響其空間工作性能的主要是空間環(huán)境。

太陽(yáng)電池陣經(jīng)歷的空間環(huán)境包括粒子輻射、等離子體、原子氧和空間碎片等，其中導(dǎo)致其性能衰減的主要因素是高能質(zhì)子和電子輻射[3]。地球輻射帶中存在大量帶電粒子，其進(jìn)入太陽(yáng)電池會(huì)使晶格原子發(fā)生位移，導(dǎo)致晶格缺陷，從而縮短載流子壽命，引起太陽(yáng)電池性能的退化，進(jìn)而影響太陽(yáng)電池的壽命。同時(shí)，空間環(huán)境下的磁層等離子體還可造成太陽(yáng)電池表面電荷的積累，發(fā)生電弧放電現(xiàn)象，導(dǎo)致太陽(yáng)電池失效?？臻g碎片的撞擊也會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)電池內(nèi)部受損而失效。

目前太陽(yáng)電池的防護(hù)方法主要是在外部加裝玻璃蓋片，一方面防止空間碎片帶來(lái)的影響，另一方面屏蔽了大量的低能粒子。盡管如此，一定能量的高能粒子仍可以穿透防護(hù)蓋片，造成太陽(yáng)電池的性能下降。

3.2 影響蓄電池壽命的主要因素

蓄電池經(jīng)過(guò)多次使用或循環(huán)充放電后，會(huì)出現(xiàn)正、負(fù)極阻抗升高，額定容量衰減。造成上述結(jié)果的主要原因如下：一方面由于充放電過(guò)程中電解液的分解或還原導(dǎo)致電極上產(chǎn)生鈍化膜，電阻增大導(dǎo)致放電能力減弱，同時(shí)導(dǎo)致正負(fù)極材料結(jié)構(gòu)變化也會(huì)導(dǎo)致容量直接衰減；另一方面則是由于外部環(huán)境導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部參數(shù)發(fā)生變化從而導(dǎo)致可用容量降低。蓄電池一般用SOH(state of health，為當(dāng)前電池可放出容量與額定容量的比值)來(lái)評(píng)估其健康程度，它能夠反映蓄電池使用過(guò)程中不可逆的容量衰減和電池的退化程度。

影響SOH的主要因素有放電深度、充放電倍率、溫度等[4]。放電深度越大，電極反應(yīng)越劇烈，會(huì)導(dǎo)致活性結(jié)構(gòu)材料惡化，縮短循環(huán)壽命；充放電倍率越大，電池內(nèi)阻增加越明顯，容量損失越嚴(yán)重；溫度過(guò)高，會(huì)破壞蓄電池內(nèi)部的化學(xué)平衡，加速蓄電池老化，溫度過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致充電過(guò)程中電池負(fù)極表面容易發(fā)生電鍍，降低蓄電池循環(huán)壽命。

4 電源系統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)展

4.1 太陽(yáng)電池壽命預(yù)測(cè)技術(shù)

根據(jù)前述分析，目前影響太陽(yáng)電池在軌性能的主要因素為高能質(zhì)子和電子輻射，因此要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池壽命的預(yù)測(cè)，就要分析高能質(zhì)子和電子輻射對(duì)太陽(yáng)電池性能的影響機(jī)理，并據(jù)此建立相應(yīng)的模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)電池性能評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)。

目前對(duì)太陽(yáng)電池壽命預(yù)測(cè)的研究主要集中在電池性能參數(shù)變化規(guī)律和輻照造成的微觀缺陷研究?jī)蓚€(gè)方面。參數(shù)性能變化主要對(duì)比輻照前后短路電流、開(kāi)路電壓等參數(shù)的變化，微觀缺陷主要研究入射帶電粒子對(duì)電池材料造成的損傷。美國(guó)噴氣動(dòng)力試驗(yàn)室、海軍試驗(yàn)室等針對(duì)太陽(yáng)電池在軌性能預(yù)測(cè)都開(kāi)展了大量的工作，采用的方法主要有等效注量法、位移損傷劑量法和勞申巴赫方法等，各種方法的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。其中等效注量法已經(jīng)成為國(guó)際上預(yù)測(cè)空間GaAs單結(jié)電池在軌行為的通用方法，在實(shí)際工程應(yīng)用中起到了重要作用。

表1 太陽(yáng)電池壽命預(yù)測(cè)方法比較分析Tab.1 Comparison of different life prediction method of solar cell

4.2 蓄電池組壽命預(yù)測(cè)技術(shù)

隨著蓄電池組使用次數(shù)的增加，受放電深度、充放電倍率及溫度等參數(shù)影響，蓄電池組內(nèi)阻會(huì)逐漸增加，性能退化。要進(jìn)行蓄電池組壽命預(yù)測(cè)，就首先要分析蓄電池組受各類(lèi)因素影響的規(guī)律，進(jìn)而建立蓄電池組退化模型，同時(shí)利用相關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組剩余壽命進(jìn)行預(yù)估。

蓄電池組壽命預(yù)測(cè)方法主要包括基于經(jīng)驗(yàn)的預(yù)測(cè)方法和基于性能的預(yù)測(cè)方法[5]?；诮?jīng)驗(yàn)的預(yù)測(cè)方法主要是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)電池使用過(guò)程中的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行分析，從而獲得蓄電池組壽命的變化規(guī)律。該方法的優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，但是由于其是基于對(duì)已有數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)的分析，因此對(duì)于不同類(lèi)型單體電池的適應(yīng)性差，難以描述多因素導(dǎo)致的容量衰減情況。基于性能的預(yù)測(cè)方法則主要包括退化狀態(tài)識(shí)別和性能預(yù)測(cè)兩個(gè)過(guò)程，其中退化狀態(tài)識(shí)別是利用容量、電壓、阻抗等參數(shù)的狀態(tài)信息對(duì)蓄電池組性能退化狀況進(jìn)行估計(jì)；性能預(yù)測(cè)則是在蓄電池性能退化規(guī)律的基礎(chǔ)上，利用算法對(duì)其后續(xù)的性能變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式不同可分為基于模型的預(yù)測(cè)方法、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)方法和融合型方法，各類(lèi)方法的對(duì)比分析見(jiàn)表2。

表2 蓄電池組壽命預(yù)測(cè)方法比較分析Tab.2 Comparison of different life prediction method of storage battery

5 電源系統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)難點(diǎn)及途徑

雖然國(guó)內(nèi)在電源系統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)方面開(kāi)展了大量工作，但受試驗(yàn)手段、數(shù)據(jù)獲取、算法研究等方面的限制，在某些方面還不成熟，存在很多挑戰(zhàn)，具體如下：

(1)壽命預(yù)測(cè)建模的全面性和適用性

無(wú)論太陽(yáng)電池還是蓄電池組，其性能退化均同時(shí)受到多個(gè)因素的共同影響，其退化結(jié)果是不同應(yīng)力共同耦合作用的結(jié)果，而各種應(yīng)力引起的失效機(jī)理不一致，因此構(gòu)建一個(gè)包含各個(gè)因素共同作用的全面預(yù)估模型存在很大挑戰(zhàn)；且隨著技術(shù)不斷發(fā)展，太陽(yáng)電池及蓄電池組在材料屬性及組成上也有較大變化，給建立模型的適用性上造成了很大困難。

太陽(yáng)電池之前的研究大多集中于單結(jié)電池，而隨著航天技術(shù)的發(fā)展，效率更高的多結(jié)電池成為應(yīng)用主流，多結(jié)電池和單結(jié)電池在退化機(jī)理上存在較大不同，使得原有針對(duì)單結(jié)電池建立的模型不再適用于多結(jié)電池；且之前大量的研究工作主要集中在能夠穿透電池的MeV量級(jí)的高能粒子作用下的太陽(yáng)電池輻照損傷，而對(duì)于小于200keV的低能質(zhì)子對(duì)電池造成不均勻損傷研究較少，給電池在軌性能退化預(yù)測(cè)造成困難，目前低能質(zhì)子輻照下空間太陽(yáng)電池的輻照損傷效應(yīng)和機(jī)理研究尚處于探索階段。蓄電池組則經(jīng)歷了鉛酸電池、鎘鎳電池到鋰離子電池的發(fā)展過(guò)程，各類(lèi)電池工作特性及性能均存在較大不同，且作為目前應(yīng)用方向的鋰離子電池在壽命預(yù)測(cè)的研究方法和預(yù)測(cè)方法上尚不完善，距離實(shí)際應(yīng)用還有差距。

提升壽命預(yù)測(cè)模型的全面性和使用性，一方面要繼續(xù)深入開(kāi)展綜合因素作用下太陽(yáng)電池及蓄電池組本身退化機(jī)理研究，包括全量級(jí)輻照下對(duì)多結(jié)電池的影響機(jī)理研究、深化混合預(yù)測(cè)技術(shù)研究提升鋰離子蓄電池組多因素作用下壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度等；另一方面可利用以往航天器的在軌數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)有預(yù)測(cè)模型進(jìn)行修正，進(jìn)一步提升模型的準(zhǔn)確性和適用性。

(2)壽命預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證和評(píng)估

壽命預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證和評(píng)估主要是驗(yàn)證模型的正確性，模型驗(yàn)證的有效性受到天地環(huán)境不一致、試驗(yàn)周期、數(shù)據(jù)有效性等因素限制，是電源系統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)技術(shù)面臨的主要難點(diǎn)之一。目前太陽(yáng)電池及蓄電池組模型的驗(yàn)證均通過(guò)地面試驗(yàn)的方式實(shí)現(xiàn)，地面環(huán)境與空間環(huán)境的差異，單個(gè)應(yīng)力與綜合應(yīng)力的差異均會(huì)導(dǎo)致模型驗(yàn)證的真實(shí)性；同時(shí)太陽(yáng)電池與蓄電池組壽命均以數(shù)年計(jì)，如按正常規(guī)律驗(yàn)證模型會(huì)造成試驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng)，且一旦出現(xiàn)反復(fù)，時(shí)間成本巨大；最后受不同太陽(yáng)電池及蓄電池組在自身組成及外部環(huán)境等方面的差異，獲取到的數(shù)據(jù)是否對(duì)所有的工況均適用需要進(jìn)行細(xì)致有效的分析。

目前壽命預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證大多采用加速壽命試驗(yàn)的方式，但同時(shí)又帶來(lái)了加速壽命模型正確性和合理性的驗(yàn)證及評(píng)估問(wèn)題，對(duì)此要針對(duì)導(dǎo)致電源系統(tǒng)的退化因素進(jìn)行全面識(shí)別，將各類(lèi)因素對(duì)電源加速影響的機(jī)理進(jìn)行分析，識(shí)別其中的決定性參數(shù)；依據(jù)決定性參數(shù)提出加速試驗(yàn)驗(yàn)證模型，提出加速試驗(yàn)方法；將加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)與正常工作下的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)加速模型進(jìn)行修正和完善，提升加速壽命試驗(yàn)驗(yàn)證的準(zhǔn)確性。

(3)壽命預(yù)測(cè)模型的在軌應(yīng)用與管理

電源系統(tǒng)的壽命關(guān)系到整個(gè)航天器的壽命，目前主要研究多針對(duì)于壽命本身的預(yù)測(cè)，而對(duì)于在某些因素導(dǎo)致電源系統(tǒng)性能退化情況下如何實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)壽命的最大化研究較少。壽命預(yù)測(cè)的最終目的不僅僅是獲取剩余壽命數(shù)據(jù)，而是根據(jù)壽命預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展航天器的在軌任務(wù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)能源利用的最大化和壽命最長(zhǎng)化。

根據(jù)航天器現(xiàn)有軌道和工作環(huán)境，對(duì)電源系統(tǒng)的發(fā)電量和剩余壽命進(jìn)行提前預(yù)測(cè)，并據(jù)此進(jìn)行航天器在軌管理策略研究，根據(jù)不同壽命狀態(tài)進(jìn)行負(fù)載的優(yōu)化管理，控制蓄電池組放電深度、充放電倍率和外部溫度，使電源始終工作在最優(yōu)狀態(tài)，在最大化利用能源同時(shí)，延長(zhǎng)航天器的工作壽命。

6 結(jié)束語(yǔ)

作為一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)在航天器上的有效應(yīng)用還面臨諸多難點(diǎn)，無(wú)論在退化機(jī)理、模型建立還是在模型驗(yàn)證等方面還需繼續(xù)開(kāi)展深入研究。但隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，上述難點(diǎn)終將被一一克服，電源系統(tǒng)壽命的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)也將為航天器任務(wù)規(guī)劃、壽命延長(zhǎng)提供良好的支撐。