楊友超 李海偉

(中國運載火箭技術研究院，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，負責為航天器所有設備提供穩(wěn)定、可靠的能源，對航天器的性能、可靠性和壽命起著決定性作用。雖然衛(wèi)星電源系統(tǒng)種類繁多，但空間在軌衛(wèi)星90%以上均采用“太陽電池陣-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，壽命會隨部件失效或性能衰減逐步降低，進而影響航天器的壽命。從美國針對GPS衛(wèi)星開展的限壽產(chǎn)品專項研究的結果來看，影響衛(wèi)星壽命的主要因素包括太陽電池陣退化、蓄電池放電容量退化和在軌環(huán)境導致的原子鐘晶體管退化，其中最可能的限壽產(chǎn)品是太陽電池陣和蓄電池[1]。因此，確定影響空間電源系統(tǒng)性能的主要因素，建立模型開展壽命預測，并提出針對性的解決措施，成為航天器實現(xiàn)長壽命工作的關鍵。

本文從空間電源系統(tǒng)的工作原理出發(fā)，結合電源系統(tǒng)的工作環(huán)境，分析了影響電源系統(tǒng)壽命的主要因素，結合目前國內在電源壽命預測技術方面的進展，提出了目前所面臨的難點及后續(xù)的主要攻關方向，為其后續(xù)工程化應用和實施提供解決途徑。

2 空間電源系統(tǒng)工作原理

基于太陽電池陣-蓄電池組聯(lián)合供電的空間電源系統(tǒng)一般由太陽電池陣、蓄電池組和電源控制裝置組成。其中太陽電池陣主要利用光伏效應將太陽能轉換為電能，在光照區(qū)為負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責能量的控制、調節(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，受工作環(huán)境影響較??；并且從美國導航衛(wèi)星實際數(shù)據(jù)分析來看，其工作壽命不是影響航天器壽命的主要方面，因此本文主要內容均圍繞太陽電池陣和蓄電池組進行探討。

太陽電池是把光能直接轉換為電能光電轉換器件，其核心是PN結。當太陽光照射太陽電池，太陽電池吸收光能并產(chǎn)生電子-空穴對，受內部電場的作用，電子流向N區(qū)，空穴流向P區(qū)，從而導致N區(qū)電子過剩，P區(qū)空穴過剩，N區(qū)和P區(qū)之間就產(chǎn)生了光生伏打電動勢，當接通外電路時便輸出了電能[2]。表征太陽電池性能的參數(shù)有開路電壓、短路電流、填充因子、轉換效率等，其中填充因子是衡量太陽電池性能優(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)參雜濃度和光照強度都會對填充因子產(chǎn)生重要影響。

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

3 影響電源系統(tǒng)壽命的主要因素

3.1 影響太陽電池壽命的主要因素

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

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

目前太陽電池的防護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蓋片，造成太陽電池的性能下降。

3.2 影響蓄電池壽命的主要因素

蓄電池經(jīng)過多次使用或循環(huán)充放電后，會出現(xiàn)正、負極阻抗升高，額定容量衰減。造成上述結果的主要原因如下：一方面由于充放電過程中電解液的分解或還原導致電極上產(chǎn)生鈍化膜，電阻增大導致放電能力減弱，同時導致正負極材料結構變化也會導致容量直接衰減；另一方面則是由于外部環(huán)境導致蓄電池內部參數(shù)發(fā)生變化從而導致可用容量降低。蓄電池一般用SOH(state of health，為當前電池可放出容量與額定容量的比值)來評估其健康程度，它能夠反映蓄電池使用過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，電極反應越劇烈，會導致活性結構材料惡化，縮短循環(huán)壽命；充放電倍率越大，電池內阻增加越明顯，容量損失越嚴重；溫度過高，會破壞蓄電池內部的化學平衡，加速蓄電池老化，溫度過低則會導致充電過程中電池負極表面容易發(fā)生電鍍，降低蓄電池循環(huán)壽命。

4 電源系統(tǒng)壽命預測技術進展

4.1 太陽電池壽命預測技術

根據(jù)前述分析，目前影響太陽電池在軌性能的主要因素為高能質子和電子輻射，因此要實現(xiàn)太陽電池壽命的預測，就要分析高能質子和電子輻射對太陽電池性能的影響機理，并據(jù)此建立相應的模型，實現(xiàn)對太陽電池性能評估及壽命預測。

目前對太陽電池壽命預測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兩個方面。參數(shù)性能變化主要對比輻照前后短路電流、開路電壓等參數(shù)的變化，微觀缺陷主要研究入射帶電粒子對電池材料造成的損傷。美國噴氣動力試驗室、海軍試驗室等針對太陽電池在軌性能預測都開展了大量的工作，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)缺點見表1。其中等效注量法已經(jīng)成為國際上預測空間GaAs單結電池在軌行為的通用方法，在實際工程應用中起到了重要作用。

表1 太陽電池壽命預測方法比較分析Tab.1 Comparison of different life prediction method of solar cell

4.2 蓄電池組壽命預測技術

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，蓄電池組內阻會逐漸增加，性能退化。要進行蓄電池組壽命預測，就首先要分析蓄電池組受各類因素影響的規(guī)律，進而建立蓄電池組退化模型，同時利用相關算法，實現(xiàn)對蓄電池組剩余壽命進行預估。

蓄電池組壽命預測方法主要包括基于經(jīng)驗的預測方法和基于性能的預測方法[5]。基于經(jīng)驗的預測方法主要是利用數(shù)理統(tǒng)計方法對電池使用過程中的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗知識進行分析，從而獲得蓄電池組壽命的變化規(guī)律。該方法的優(yōu)點是算法簡單，實現(xiàn)方便，但是由于其是基于對已有數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的分析，因此對于不同類型單體電池的適應性差，難以描述多因素導致的容量衰減情況?；谛阅艿念A測方法則主要包括退化狀態(tài)識別和性能預測兩個過程，其中退化狀態(tài)識別是利用容量、電壓、阻抗等參數(shù)的狀態(tài)信息對蓄電池組性能退化狀況進行估計；性能預測則是在蓄電池性能退化規(guī)律的基礎上，利用算法對其后續(xù)的性能變化趨勢進行預測。根據(jù)實現(xiàn)方式不同可分為基于模型的預測方法、基于數(shù)據(jù)驅動的預測方法和融合型方法，各類方法的對比分析見表2。

表2 蓄電池組壽命預測方法比較分析Tab.2 Comparison of different life prediction method of storage battery

5 電源系統(tǒng)壽命預測難點及途徑

雖然國內在電源系統(tǒng)壽命預測方面開展了大量工作，但受試驗手段、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)壽命預測建模的全面性和適用性

無論太陽電池還是蓄電池組，其性能退化均同時受到多個因素的共同影響，其退化結果是不同應力共同耦合作用的結果，而各種應力引起的失效機理不一致，因此構建一個包含各個因素共同作用的全面預估模型存在很大挑戰(zhàn)；且隨著技術不斷發(fā)展，太陽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。

太陽電池之前的研究大多集中于單結電池，而隨著航天技術的發(fā)展，效率更高的多結電池成為應用主流，多結電池和單結電池在退化機理上存在較大不同，使得原有針對單結電池建立的模型不再適用于多結電池；且之前大量的研究工作主要集中在能夠穿透電池的MeV量級的高能粒子作用下的太陽電池輻照損傷，而對于小于200keV的低能質子對電池造成不均勻損傷研究較少，給電池在軌性能退化預測造成困難，目前低能質子輻照下空間太陽電池的輻照損傷效應和機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)展過程，各類電池工作特性及性能均存在較大不同，且作為目前應用方向的鋰離子電池在壽命預測的研究方法和預測方法上尚不完善，距離實際應用還有差距。

提升壽命預測模型的全面性和使用性，一方面要繼續(xù)深入開展綜合因素作用下太陽電池及蓄電池組本身退化機理研究，包括全量級輻照下對多結電池的影響機理研究、深化混合預測技術研究提升鋰離子蓄電池組多因素作用下壽命預測的準確度等；另一方面可利用以往航天器的在軌數(shù)據(jù)，對現(xiàn)有預測模型進行修正，進一步提升模型的準確性和適用性。

(2)壽命預測模型的驗證和評估

壽命預測模型的驗證和評估主要是驗證模型的正確性，模型驗證的有效性受到天地環(huán)境不一致、試驗周期、數(shù)據(jù)有效性等因素限制，是電源系統(tǒng)壽命預測技術面臨的主要難點之一。目前太陽電池及蓄電池組模型的驗證均通過地面試驗的方式實現(xiàn)，地面環(huán)境與空間環(huán)境的差異，單個應力與綜合應力的差異均會導致模型驗證的真實性；同時太陽電池與蓄電池組壽命均以數(shù)年計，如按正常規(guī)律驗證模型會造成試驗周期過長，且一旦出現(xiàn)反復，時間成本巨大；最后受不同太陽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)是否對所有的工況均適用需要進行細致有效的分析。

目前壽命預測模型的驗證大多采用加速壽命試驗的方式，但同時又帶來了加速壽命模型正確性和合理性的驗證及評估問題，對此要針對導致電源系統(tǒng)的退化因素進行全面識別，將各類因素對電源加速影響的機理進行分析，識別其中的決定性參數(shù)；依據(jù)決定性參數(shù)提出加速試驗驗證模型，提出加速試驗方法；將加速試驗數(shù)據(jù)與正常工作下的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行比對，對加速模型進行修正和完善，提升加速壽命試驗驗證的準確性。

(3)壽命預測模型的在軌應用與管理

電源系統(tǒng)的壽命關系到整個航天器的壽命，目前主要研究多針對于壽命本身的預測，而對于在某些因素導致電源系統(tǒng)性能退化情況下如何實現(xiàn)電源系統(tǒng)壽命的最大化研究較少。壽命預測的最終目的不僅僅是獲取剩余壽命數(shù)據(jù)，而是根據(jù)壽命預測數(shù)據(jù)開展航天器的在軌任務優(yōu)化，實現(xiàn)能源利用的最大化和壽命最長化。

根據(jù)航天器現(xiàn)有軌道和工作環(huán)境，對電源系統(tǒng)的發(fā)電量和剩余壽命進行提前預測，并據(jù)此進行航天器在軌管理策略研究，根據(jù)不同壽命狀態(tài)進行負載的優(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，延長航天器的工作壽命。

6 結束語

作為一項復雜的系統(tǒng)工程，要實現(xiàn)電源系統(tǒng)壽命預測在航天器上的有效應用還面臨諸多難點，無論在退化機理、模型建立還是在模型驗證等方面還需繼續(xù)開展深入研究。但隨著航天技術的不斷發(fā)展，上述難點終將被一一克服，電源系統(tǒng)壽命的準確預測也將為航天器任務規(guī)劃、壽命延長提供良好的支撐。