張 強，孔陳杰，習成獻，劉恩權，何 盼，陳天明，李 銳

（中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院,上海 201210)

MEO軌道衛(wèi)星同地球同步軌道衛(wèi)星一樣，每年經(jīng)歷兩個地影季，且地影季持續(xù)時間長，受測控站地域限制，很多情況下地面站不可能對衛(wèi)星實現(xiàn)全程實時跟蹤，不可測弧段內一旦發(fā)生電源故障，若不采取糾正措施，極有可能錯過故障最佳處理時機，導致故障蔓延，損失加劇，甚至危及衛(wèi)星安全。因此，對業(yè)務星的在軌健康性、連續(xù)性、自主運行能力提出較高的要求。

能源分系統(tǒng)作為星上產(chǎn)生、存儲、變換、調節(jié)和分配電能的分系統(tǒng)，是保證航天器其他子系統(tǒng)正常工作的基礎。一個合適可靠的電源系統(tǒng)對提高衛(wèi)星的性能，延長衛(wèi)星的工作壽命起著決定性的作用[1]。

經(jīng)對近50年來國內外公開發(fā)布的航天器在軌運行的故障進行統(tǒng)計和分析，發(fā)現(xiàn)能源分系統(tǒng)故障約占航天器在軌故障21%，是航天器故障發(fā)生率較高的分系統(tǒng)之一[2]。根據(jù)統(tǒng)計可知，其故障模式主要有空間高低溫沖擊、靜電釋放以及帶電粒子造成的太陽電池陣電路故障與性能衰減，蓄電池不均引起的蓄電池單體過放和過充，其中蓄電池等屬于壽命有限的元部件，是航天器在軌失效率較高的產(chǎn)品。因此，在航天器全壽命周期對蓄電池健康狀態(tài)管理和自主運行能力的提升，有助于提高航天器的可靠性和安全性。

本文充分考慮了鋰離子蓄電池的特性和衛(wèi)星軌道特點，針對業(yè)務星在無地面支持的情況下可自主運行能力的要求，提出了一種基于軌道太陽光照角自主判斷衛(wèi)星進出地影時間，自主對蓄電池組進行控溫切換、充放電管理、長光照期擱置管理等內容的鋰離子蓄電池組在軌自主健康管理系統(tǒng)設計，并通過在軌數(shù)據(jù)分析對自主健康管理系統(tǒng)的驗證情況進行總結。

1 蓄電池組自主管理系統(tǒng)的設計

衛(wèi)星供電采用的是太陽電池陣-鋰離子蓄電池聯(lián)合供電的電源系統(tǒng)，其中電源控制器提供一條全調節(jié)、高精度單母線，能夠保證母線電壓始終穩(wěn)定在恒定值。蓄電池采用了高比能量的鈷酸鋰體系鋰離子雙蓄電池組，每組蓄電池組由20 A?h單體電池3并9串構成。

能源系統(tǒng)自主健康管理系統(tǒng)主要要求當衛(wèi)星能源供應出現(xiàn)異常時，能在脫離地面運控系統(tǒng)支持的條件下，自主完成故障診斷處理，并保證衛(wèi)星的能源平衡，衛(wèi)星正常運行時由地面支持的工作變成星上自主控制，且保證精度和可靠性，提高衛(wèi)星的自主運行能力。

根據(jù)需求鋰離子蓄電池在軌自主健康管理系統(tǒng)主要包括鋰離子在軌自主運行管理策略、故障安全管理兩方面內容。

1.1 鋰離子蓄電池組在軌自主運行管理策略

鋰離子蓄電池壽命主要由存儲壽命和循環(huán)壽命兩部分組成。根據(jù)MEO衛(wèi)星鋰離子蓄電池的使用特性，采用了軌道光照角控制、定壓差均衡為主，電子電量計為輔的蓄電池組長壽命管理控制手段，制定了鋰離子蓄電池組的在軌管理策略。通過星務計算機裝載能源管理軟件、電源控制器下位軟件以及均衡下位機軟件協(xié)同合作，來實現(xiàn)蓄電池在軌自主管理、均衡管理 、防過充過放等功能，其在軌管理策略主要如下文所述。

（1）充電管理

鋰電池組的充電采用先恒流后限壓的控制方式，控制單體電池電壓不超過設定值。為同時滿足壽命初期、末期及蓄電池組單體失效模式下的不同充電需求[3]，設計了一種充電電壓以0.5 V為步長在30～38 V之間由指令進行選擇，充電電流以0.5 A為步長在0～8 A之間由指令進行選擇具有16個恒壓電壓擋位和16個恒流電流充電擋位的充電調節(jié)器。

（2）定壓差均衡管理

鋰離子單體電池在制造過程中由于原材料和生產(chǎn)工藝水平的限制，使得鋰離子單體電池性能參數(shù)如電池內阻、自放電率、容量衰減等不能完全一致，隨著長期的充放電循環(huán)，會導致各單體間的性能差異越來越大，以致整體電池組性能下降，使用壽命縮短，甚至某些單體失效，對系統(tǒng)運行造成不利影響。為確保鋰離子電池組在軌安全可靠地運行，需對各單體電池進行均衡處理。兼顧在軌均衡技術代價以及考慮到中高軌衛(wèi)星具有較長時間的充電時間，且對均衡操作時間限制并不嚴格，本系統(tǒng)采用獨立的均衡管理器，其內部采用能量耗散型的均衡電路即電池兩端并聯(lián)分流電阻，將多余的能量以熱能的方式消耗掉，以此使電池組所有的單體電壓趨于等同來達到均衡目的。此工作電路簡單、可靠，易于實現(xiàn)，因電池的單體電壓較小，耗散電流可以設計較小，使相應的設備質量和熱耗得以控制。對于電池均衡管理器來說，單體電池采樣精度越高越好，但受限于電阻精度和溫漂、數(shù)模轉換芯片精度等，精度不可能無限制提高。本系統(tǒng)單體電池壓電模擬量采集主要經(jīng)過電阻分壓網(wǎng)路、高精度的儀表放大器以及12位的AD574模數(shù)轉換，使其誤差范圍控制在5 mV以內。均衡管理策略由電源控制器下位機軟件來實現(xiàn)鋰電池充電、放電、擱置等不同狀態(tài)下的均衡調節(jié)。均衡方式分為下位機軟件均衡、硬件均衡和指令均衡方式。星上默認自主軟件均衡，采用定電壓差均衡方式，即通過均衡算法找出9節(jié)電池中的最大和最小的單體電池并進行標記，若最小單體電壓低于3.3 V，則認為該單體電池已經(jīng)故障，在判斷離散度時不考慮該單體，選取次小單體電壓作為參考，若最小單體電壓大于3.3 V，且兩者壓差大于60 mV，其余單體電壓與最小電壓逐一進行比較，當差值大于20 mV時，接通對應單體電池的分流開關，對其進行分流，當最大單體電壓和最小單體電池電壓之間的差值小于10 mV時則停止均衡，蓄電池定壓差均衡流程圖如圖1所示。

（3）長光照存儲期管理

衛(wèi)星在長光照期一般不需要蓄電池組參與供電，蓄電池組無功率輸出，處于開路擱置狀態(tài)，電池組處于近似半荷電態(tài)，有利于電池的壽命。在能夠滿足衛(wèi)星負載功率要求的前提下，結合衛(wèi)星用電安全性考慮，在軌初期將擱置時蓄電池的荷電態(tài)調高至72.5%～80%左右，對應單體電池電壓保持在3.9～3.95 V之間。

（4）地影期管理

圖1 蓄電池定壓差均衡流程Fig.1 Flow chart of storage batteries equalization with a constant voltage difference

電池進入地影期的前3天，通過星務能源管理軟件自主控制，使得蓄電池組工作在更高的溫度并對電池進行滿充電和均衡管理，電池組充電終止電壓為36.45 V（初期）。隨著壽命的進行可通過地面指令來調整充電終止電壓延長蓄電池組的壽命。

（5）熱管理控制

電池的熱管理主要是針對蓄電池組的各種工作模式下溫度實時監(jiān)控和針對性的控制，以確保蓄電池工作在最優(yōu)、安全的溫度范圍內，延長電池的使用壽命[4]。根據(jù)MEO軌道特點和蓄電池工作溫度范圍?。?～30 ℃），放電時熱耗較大，充電時幾乎不發(fā)熱，蓄電池長期處于在軌存儲及充電狀態(tài)，因此蓄電池組的熱設計應保證地影期15～25 ℃，光照期-5～15 ℃。為減少蓄電池組及單體的溫差，在熱設計上采用了主動熱控和被動熱控相結合的方式，具體如下：套筒式模塊單元結構的表面進行黑色陽極氧化處理，強化蓄電池組與周圍環(huán)境的輻射換熱。在安裝蜂窩板內預埋兩根U形雙孔熱管，蓄電池組安裝面內填充導熱硅脂，在安裝板外表面區(qū)域設置散熱面，進行輻射散熱。蓄電池組A、B內設計主備4路加熱器，每路加熱功率40 W加熱片粘貼在卡套上。在每個蓄電池組內設置3個溫度測量點，根據(jù)測量溫度對電池組實施主動控溫，以保證蓄電池組溫度滿足熱設計要求。

1.1.1 電量計控制

由于鋰電子蓄電池組在發(fā)生過放電時，會使電池產(chǎn)生不可恢復的短路失效。因此設計電子電量計輔助預測電池組的放電深度和電池性能衰減情況。電量計由星務能源管理軟件實現(xiàn)，通過對充放電電流積分來獲得累計的當前電量、充電電量、放電電量，同時電子電量計實現(xiàn)當圈清零，并根據(jù)檢測電量發(fā)出電量過充和電量過放報警信號，作為蓄電池組電壓過充和過放報警的備份手段。

1.1.2 蓄電池組的自主進出影

星載計算機裝載能源管理軟件依據(jù)軌道太陽角自主判斷衛(wèi)星進出影時間，通過總線給PCU發(fā)送工況標識（初始、半充、擱置、滿充），并進行相應的溫度管理設置，來實現(xiàn)衛(wèi)星自主進出影、電量計、蓄電池熱控管理等自主健康管理功能，避免了蓄電池組在光照期和地影期頻繁來回切換過程中地面系統(tǒng)發(fā)送遙控指令的操作，實現(xiàn)了能源系統(tǒng)進出影操作的自主化管理要求。圖2為蓄電池自主進出影管理流程，表1為進出影各工作模式定義。

圖2 蓄電池組自主進出影管理流程Fig.2 Management flow chart of automatically entering/leaving Earth's shadow of storage batteries

表1 進出影工作模式定義Table 1 Definition of working pattern of entering/leaving Earth's shadow

軌道太陽角根據(jù)太陽位置和衛(wèi)星位置計算得到，地影期間的β角范圍為：-12°～12°，β角每天變化約為1°，提前3天進行設置，開始進行地影期管理。當|β|連續(xù)小于15°時衛(wèi)星進入地影季。衛(wèi)星進地影前3天，蓄電池組加熱器按進影閾值進行加熱，將蓄電池溫度控制在15～25 ℃，以利于蓄電池組的充放電。6 h升溫完成后，PCU設置滿充模式，將蓄電池組充至滿荷狀態(tài)，確保在地影季蓄電池組有充足的能量保證衛(wèi)星工作。衛(wèi)星進入長光照期前3天，蓄電池組加熱器按出影閾值進行設置，將蓄電池溫度控制在-5～15 ℃，PCU設置為擱置狀態(tài)，調整蓄電池組以80%荷電態(tài)出影（對應蓄電池組電壓35.55 V）。衛(wèi)星進入長光照擱置期間，當PCU檢測到蓄電池組電壓低于35.1 V（單體3.9 V）時，需要對蓄電池進行補充充電（補充電電流1 A），整組電壓達到35.55 V（3.95 V）時停止充電。

1.2 鋰離子故障管理自主安全設計

MEO軌道衛(wèi)星地影季持續(xù)時間長，不可測控弧段時間較長，因此開展系統(tǒng)級的能源自主安全設計是確保衛(wèi)星全壽命周期在軌健康、可靠運行的關鍵。安全模式是衛(wèi)星姿態(tài)最穩(wěn)定、消耗能源最少、維持衛(wèi)星運行功耗最低的工作模式。

自主安全管理系統(tǒng)設計是衛(wèi)星在發(fā)生影響系統(tǒng)安全的重大故障時進行自主檢測、判斷和處理。根據(jù)故障模式影響閾分析，能源系統(tǒng)的主要故障包括蓄電池組過放電、母線電壓過低、母線電流過大以及太陽帆板驅動機構故障引起的供電不平衡問題。

當能源系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重故障，影響整星能源供應時，整星進入安全模式，衛(wèi)星依靠自身自主安全設計功能對在軌產(chǎn)生的故障自主進行快速診斷和處理[5]，以消除故障或降低故障影響，為后續(xù)地面排故和實施操作搶救爭取更多時間。

在本系統(tǒng)的設計中，采用表征衛(wèi)星各分系統(tǒng)關鍵功能的重要參數(shù)作為判決依據(jù)，設定合理的判決門限、采樣時間和次數(shù)，使用1553B總線統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)采集、指令分發(fā)的工作。主要采用電源控制器下位軟件、均衡下位機軟件以及星務能源管理軟件協(xié)同合作。均衡器軟件主要完成蓄電池遙測參數(shù)的采集處理、均衡指令的執(zhí)行和軟件自主均衡等功能，并通過RS422總線實現(xiàn)與電源控制器之間的信息交換。電源控制器下位機軟件通過1553B總線與星務計算機通信，完成遙測數(shù)據(jù)的打包發(fā)送和間接指令的接收解析，通過RS422接口與均衡器通信，獲取單體電池參數(shù)并將其轉發(fā)給星務計算機。星載計算機通過總線采集分系統(tǒng)單機參數(shù)并觸發(fā)報警時，通過1553B總線發(fā)送程序預先設定的指令，并在最短的時間內按照既定的單機關機順序，將相應的設備關機，降低整星負載。地面系統(tǒng)根據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)狀態(tài)，進行影響閾分析并開展后續(xù)處置，如圖3所示。

為避免由過放電造成電池的永久性損壞。能源系統(tǒng)根據(jù)電池電壓值設計了具有電池過放電報警管理功能的鋰離子故障管理自主安全控制模塊[6]。通過電源控制器、蓄電池均衡器和地面運控監(jiān)測共同實現(xiàn)蓄電池組的過放電管理功能，其主要管理方式包括兩個方面：整組電池電壓報警、單體電池電壓報警。為避免毛刺、脈沖干擾誤觸發(fā)安全模式，衛(wèi)星會設置連續(xù)多次電池電壓閾值報警信號。超限時，星載計算機和地面系統(tǒng)會根據(jù)星務電源管理軟件提供的報警信號或參數(shù)值進行干預，按照能源等級發(fā)送遙控指令，對各個分系統(tǒng)進行斷電操作等。

圖3 能源故障自主控制原理Fig.3 Schematic diagram of autonomous control of energy failure

當星載能源管理軟件監(jiān)測到連續(xù)3次上傳的任一蓄電池單體電壓小于VCOD時，產(chǎn)生“單體過放電”報警信號，由地面系統(tǒng)進行影響閾分析，星上不做自主處理。

當監(jiān)測到連續(xù)3次上傳整組電池電壓Vbat1、Vbat2和Vbat3中有兩個超過閾值，產(chǎn)生過放電報警信號，其中Vbat1、Vbat2和Vbat3分別來自電源控制器的總線數(shù)據(jù)，星載計算機直接模擬量測量值以及均衡器采集的單體電池電壓的累加值。過放電報警閥值初期取值見表2。按如下要求采取措施：①蓄電池組電壓小于VBOD1時，產(chǎn)生“整組過放電1”報警信號。該報警信號持續(xù)時間約5 min時，則認為蓄電池過放，需對載荷設備關機，星載計算機按照一定的順序自動關閉各載荷單機。②蓄電池組電壓小于VBOD2時，產(chǎn)生“整組過放電2”報警信號。該報警信號產(chǎn)生后，衛(wèi)星進入整星安全模式，蓄電池按進影模式滿充設置，衛(wèi)星轉對日，星上各分系統(tǒng)按照星務安全模式管理軟件自主控制，降低整星負載。③蓄電池組電壓小于VBOD3時，產(chǎn)生“整組過放電3”報警信號。該報警信號產(chǎn)生后，電源系統(tǒng)進入危險模式，由地面發(fā)送直接指令斷開該蓄電池組繼電器盒的蓄電池接入開關，蓄電池無直接功率輸出，以避免加劇蓄電池的過放電，但太陽電池陣可以通過蓄電池組接入繼電器并聯(lián)的功率二級管充電回路對蓄電池組進行充電。通過地面進行相關處理，對衛(wèi)星實施搶救。隨著電池壽命的衰降，過放電報警閾值可通過軟件上注進行調整。

表2 過放電保護電壓閥值設置Table 2 Voltage threshold settings of over-discharge protection

圖4 光照期和地影期蓄電池組電壓變化曲線Fig.4 Voltage curve of storage batteries during photoperiodic and eclipse seasons

2 在軌驗證情況

對某MEO衛(wèi)星蓄電池在軌半年遙測數(shù)據(jù)分析，長光照期A蓄電池組電壓穩(wěn)定在35.10～35.54 V，B蓄電池組電壓穩(wěn)定在35.21～35.59 V之間，如圖4所示，蓄電池組在長光照期存儲，由于蓄電池自放電和低壓線路耗電等原因，蓄電池組需要間歇補充充電，每229.85 h需進行一次補充充電，并于2018年10月26日進入地影期，在整個地影期A、B蓄電組放電終壓分別為33.71 V、33.79 V，單體平均放電終止電壓約為3.75 V，A、B蓄電池組放電容量最大分別為22.99 A?h、23.01 A?h，放電深度分別為38.3%、38.4%，滿足放電深度不大于65%的設計要求。

圖5、圖6是鋰離子蓄電池組均衡過程中，蓄電池A、B單體電壓隨時間變化曲線，表3是軟件均衡啟動前后單體電壓均衡數(shù)據(jù)。由圖5、圖6和表3數(shù)據(jù)可見，2018年8月28日14時55分A、B蓄電池異常分流導致各單體電池離散性越來越大，均衡前A單體電池差為65 mV，B單體電池差為63 mV，經(jīng)過蓄電池組擱置期的補充充電和均衡分流，A、B蓄電池組分別于2018年8月30日4時39分和2018年8月30日6時50分，單體電池的電壓差小于15 mV，達到均衡效果，有效抑制了電池組電壓離散性的擴大。鋰離子蓄電池組在軌光照期和地影期溫度變化曲線如圖7所示，長光照期蓄電池組溫度在3.6～9.9 ℃，電池組在均衡過程中存在溫升，溫升未超過3 ℃，均衡分流熱耗較小，未對電池組溫度產(chǎn)生顯著影響。進入地影季前3天，蓄電池組按進影閾值操作，經(jīng)過6 h升溫，蓄電池組溫度短時升至19.74 ℃，地影季溫度保持在15.9～20.6 ℃，蓄電池組同一模塊3個測溫點的單體電池溫差不超過3 ℃，A、B蓄電池組模塊之間的溫差不超過5 ℃，溫度梯度小，滿足蓄電池組在軌存儲要求，有利于蓄電池長壽命穩(wěn)定工作[7]。綜上所述，蓄電池組工作狀態(tài)良好，鋰離子蓄電池組自主進出影管理系統(tǒng)控制效果符合預期，實現(xiàn)了蓄電池組在光照季和地影季的自主控溫切換、充放電管理、均衡管理等。

圖5 蓄電池A單體電壓隨時間變化曲線Fig.5 Time-dependent voltage curve of single cell battery A

表3 定壓差均衡實驗結果Table 3 The observations of constant voltage difference balancing of storage batteries

圖6 蓄電池B單體電壓隨時間變化曲線Fig.6 Time-dependent voltage curve of single cell battery B

圖7 光照期和地影期蓄電池組溫度變化曲線Fig.7 Temperature curve of storage batteries during photoperiodic and eclipse seasons

3 結 論

針對鋰離子蓄電池組在中高軌業(yè)務星上將地面支持任務設計為星上自主，且衛(wèi)星自主運行期間具備故障診斷和恢復能力的應用需求，通過提高蓄電池組進出影自主管理能力和多模式的適應能力，完成了能源系統(tǒng)中鋰離子蓄電池組自主健康管理系統(tǒng)的設計，有效解決了鋰離子蓄電池組在軌自主進出影、長光照期擱置管理、均衡管理、能源故障安全管理等問題，為后續(xù)衛(wèi)星的蓄電池在軌管理提供參考。