羅廣求，羅 萍

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

IGSO衛(wèi)星75 Ah鋰離子蓄電池應(yīng)用實(shí)踐

羅廣求，羅 萍

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

75 Ah鋰離子蓄電池作為IGSO衛(wèi)星儲(chǔ)能電池得到在軌應(yīng)用，數(shù)據(jù)表明兩組蓄電池在軌性能一致性高，單翼蓄電池組內(nèi)22串電池的電壓離散度小于20 mV，蓄電池溫度梯度小于3.5℃，一個(gè)長(zhǎng)光照期內(nèi)，蓄電池荷電態(tài)保持在70%～80%，進(jìn)行補(bǔ)充充電3次。蓄電池在軌實(shí)踐表明蓄電池設(shè)計(jì)合理，性能穩(wěn)定可靠，在軌管理方法合理有效。

IGSO衛(wèi)星；鋰離子蓄電池組；電池一致性

Abstract:The 75 Ah lithium ion batteries as the IGSO satellite storage battery were working on the orbit.The data indicates that the parameter of the batteries is conformal to each other.The difference of voltage between the 22 cell packs in one module was less than 18 mV.The temperature gradient in the battery was less than 3.5℃.The SoC of the battery during the solstice season was 70%～80%and the battery needed to be supplemental charged 3 times.The application of the battery on orbit indicates that the performance is stable and reliable,and the management method is convenient.

Key words:IGSO satellite;lithium ion battery;cell conformable

IGSO衛(wèi)星使用75 Ah鋰離子蓄電池組作為儲(chǔ)能電池。蓄電池采用－Y翼和+Y翼兩組鋰離子蓄電池并聯(lián)構(gòu)成，單翼蓄電池容量為75 Ah，由25 Ah單體經(jīng)3并22串組成，分為兩個(gè)模塊，鋰離子蓄電池產(chǎn)品如圖1所示。

圖1 IGSO衛(wèi)星75 Ah鋰離子蓄電池組(3P11S×4組)

1 IGSO衛(wèi)星蓄電池在軌工作情況分析

1.1 蓄電池在軌工作電壓、電流分析

IGSO衛(wèi)星于2015年9月發(fā)射，在軌工作1年半，鋰離子蓄電池工作電壓如圖2所示，蓄電池經(jīng)兩個(gè)陰影季工作，工作電壓不低于81.8 V。蓄電池在第一個(gè)陰影季中蓄電池的充電截止電壓為88 V，對(duì)應(yīng)單體電池充電截止電壓為4.0 V，放電截止電壓保持在81.8～88 V之間。第二個(gè)陰影季中，蓄電池的充電截止電壓進(jìn)行了在軌調(diào)節(jié)，由88 V提高至89.1 V，對(duì)應(yīng)單體電池充電截止電壓由4.0 V提高至4.05 V，放電截止電壓保持在82.3～89.1 V之間。蓄電池放電終壓保持穩(wěn)定，在軌調(diào)壓成功，驗(yàn)證了調(diào)壓管理措施的有效性。

蓄電池在軌1年半時(shí)間內(nèi)的放電電流曲線如圖3所示，蓄電池在陰影季中的放電電流均保持在0～27.2 A之間，兩個(gè)陰影季中蓄電池放電電流偏差小于1%。

圖2 IGSO衛(wèi)星鋰離子蓄電池在軌一年的工作電壓

1.2 蓄電池在軌溫度情況分析

根據(jù)鋰離子電池基本原理，電池工作的環(huán)境溫度對(duì)其性能有重要影響[1]。IGSO衛(wèi)星鋰離子蓄電池由4個(gè)蓄電池模塊組成，蓄分別安裝于衛(wèi)星艙體的－Y側(cè)和＋Y側(cè)。遙測(cè)參數(shù)表明＋Y翼75 Ah鋰離子電池的溫度如圖4所示。蓄電池A模塊靠邊緣溫度1采樣點(diǎn)，蓄電池陰影期工作溫度處于13.7～18.6℃之間，光照期擱置溫度保持在3.7～6.6℃之間。兩組電池的10個(gè)溫度采樣點(diǎn)的偏差如圖5所示。從數(shù)據(jù)可知單組電池溫度偏差小于2℃，兩組之間不大于3.5℃，單翼兩組蓄電池的溫度一致性保持良好。

圖3 IGSO衛(wèi)星鋰離子蓄電池在軌1年半過程中蓄電池放電電流情況

圖4 IGSO衛(wèi)星鋰離子蓄電池A組溫度采樣曲線

圖5 IGSO衛(wèi)星+Y翼鋰離子蓄電池組溫度偏差情況

遙測(cè)參數(shù)表明，－Y翼75 Ah鋰離子電池陰影期工作溫度處于13.5～18.5℃之間，光照期擱置溫度保持在3.5～6.5℃之間。兩組蓄電池10個(gè)溫度采樣點(diǎn)的最大溫差不超過3.5℃。

對(duì)比－Y翼和＋Y翼蓄電池的工作溫度可知，兩翼蓄電池的溫度差也不大于3.5℃，符合不大于5℃的要求，整星條件下蓄電池組的溫度梯度小，有利于其保持長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

1.3 蓄電池單體一致性

IGSO衛(wèi)星在軌1年半的遙測(cè)數(shù)據(jù)表明，鋰離子蓄電池組內(nèi)單體電池的一致性保持良好，如圖6～圖7所示。

11串單體電池電壓最大離散度不超過20 mV(含遙測(cè)精度誤差)。除光照期由于荷電態(tài)調(diào)節(jié)需要進(jìn)行順序分流造成蓄電池單體短期內(nèi)差異增大以外，4個(gè)蓄電池模塊單體單元之間的電壓離散度長(zhǎng)期保持在一個(gè)分層內(nèi)(小于20 mV)，單體電壓一致性良好。

圖6 IGSO衛(wèi)星鋰離子蓄電池組單體遙測(cè)電壓一致性情況

圖7 蓄電池組內(nèi)11串單體的電壓一致性情況

1.4 長(zhǎng)光照期補(bǔ)充充電情況分析

蓄電池在兩個(gè)陰影季之間，有大約145天的長(zhǎng)光照期，此過程中不需要蓄電池參與供電，蓄電池性能的變化主要決定于測(cè)控電路耗電和電池的自放電。長(zhǎng)光照其內(nèi)蓄電池的電壓變化曲線如圖8所示，擱置狀態(tài)下，蓄電池組電壓逐漸降低，當(dāng)降至83.6 V時(shí)(對(duì)應(yīng)單體電池3.80 V，相當(dāng)于70%SOC)，太陽電池對(duì)蓄電池進(jìn)行小電流4～6 A補(bǔ)充充電，當(dāng)充電電壓升高至86.9 V(對(duì)應(yīng)單體3.95 V，相當(dāng)于80%SOC)時(shí)，補(bǔ)充充電完成，一個(gè)光照期需要進(jìn)行3次補(bǔ)充充電，保持蓄電池荷電態(tài)滿足整星儲(chǔ)能要求。

圖8 IGSO衛(wèi)星鋰離子蓄電池光照期補(bǔ)充充電電壓曲線

1.5 蓄電池在軌分流調(diào)壓情況分析

蓄電池在出地影后，對(duì)其荷電態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這是在軌管理的重要內(nèi)容。為了降低蓄電池的衰降速度，保證工作壽命，需要將蓄電池的荷電態(tài)適當(dāng)降低。蓄電池出地影后處于充電態(tài)，電壓為89.1 V(相當(dāng)于95%荷電狀態(tài))，按工程要求可將荷電態(tài)降低至80%，對(duì)應(yīng)蓄電池電壓為86.9 V。IGSO衛(wèi)星蓄電池采取順序分流方法進(jìn)行處理，即通過均衡管理單元(BIMU)，依次對(duì)22串電池進(jìn)行主動(dòng)放電調(diào)壓，放電電流為均衡電流0.5 A，當(dāng)蓄電池電壓降至目標(biāo)電壓后停止分流。為了保證均衡器散熱的需要，每次分流串聯(lián)數(shù)設(shè)定為6串，當(dāng)單翼22串蓄電池中前6串的電壓從高壓降低至3.95 V時(shí)停止，轉(zhuǎn)入第7～12串分流，依次完成22串的光照期荷電態(tài)調(diào)節(jié)。＋Y翼蓄電池分流調(diào)壓過程如圖9～圖10所示。

圖9 蓄電池組A組分流調(diào)壓情況

圖10 蓄電池組B組分流調(diào)壓情況

蓄電池主動(dòng)放電調(diào)壓處理數(shù)據(jù)表明：蓄電池組內(nèi)單體電池經(jīng)0.5 A小電流放電調(diào)壓，光照期內(nèi)22串單體電池的電壓離散度小于20 mV，一致性保持良好，符合長(zhǎng)壽命管理需要。

2 結(jié)論

IGSO衛(wèi)星在軌工作一年半以來，鋰離子蓄電池組一系列在軌管理方法得到全面驗(yàn)證，包括蓄電充電電壓調(diào)節(jié)、長(zhǎng)光照期溫度管理、蓄電池荷電態(tài)調(diào)節(jié)、分流均衡處理等。在軌數(shù)據(jù)表明75 Ah鋰離子蓄電池在軌工作狀態(tài)良好，電壓穩(wěn)定，溫度梯度小，蓄電池狀態(tài)良好，工作穩(wěn)定可靠，為后續(xù)長(zhǎng)期在軌運(yùn)行期間的穩(wěn)定工作打下了良好的基礎(chǔ)。

[1]BORTHOMIEU Y，PRéVOT D.SAFT electrochemical lithiumion model(SLIM)[C]//Proc of the 8th European Space Power Conference.Constance：8th ESPC，2008：14-19.

Application of 75 Ah lithium ion battery for IGSO satellite on orbit

LUO Guang-qiu,LUO Ping
(Tianjin Institute of Power Source,Tianjin 300384,China)

TM 912.9

A

1002-087X(2017)09-1258-03

2017-02-12

羅廣求(1977—），男，湖南省人，碩士生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教靸?chǔ)能電池技術(shù)。