鄭 犁，李 康，章 玄，姜垚先，李 鍵

(中國空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094)

隨著發(fā)射航天器數(shù)量的不斷增長，空間碎片對在軌衛(wèi)星的威脅也引起了更多關(guān)注。盡管目前由于蓄電池組導(dǎo)致航天器爆炸的事故僅占比約4%[1]，且均不是鋰離子電池，但鋰離子電池在航天器離軌后的非受控狀態(tài)是導(dǎo)致航天器爆炸的重要潛在原因，因此在設(shè)計之初就要對其離軌后的安全性進(jìn)行充分考慮[2]。

目前，歐洲通信衛(wèi)星系統(tǒng)(European Communication Satellite System，ECSS)、歐洲空間局(European Space Agency，ESA)、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization，ISO)均出臺了航天器鈍化要求的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3-5]，其中包含了對能源系統(tǒng)鈍化的要求，如表1 所示。歐洲標(biāo)準(zhǔn)ECSS-U-AS-10C 中規(guī)定“在棄用處理階段，航天器或運(yùn)載火箭應(yīng)可控有序地永久耗盡載有的儲能設(shè)備，或使其安全”。歐洲標(biāo)準(zhǔn)ESSB-HB-U-002-ISS1(2015)提供了關(guān)于這些要求的解釋、執(zhí)行和合規(guī)性檢查的指導(dǎo)。例如，鈍化功能不要求備份。法國空間局(Loi Relative aux Operations Spatiales，LOS)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電池在壽命末期應(yīng)放電，且如果被隔離，則自放電耗盡時間應(yīng)小于1 年。

表1 國外標(biāo)準(zhǔn)對能源系統(tǒng)鈍化的要求

1 離軌后鋰電池安全性分析

1.1 離軌后溫度條件

2014 年ESA 通過內(nèi)部試驗研究分析了不同軌道下工作壽命(最長15 年)之后25 年后，鋰離子電池的工作溫度和輻照環(huán)境。其中，關(guān)于溫度考慮的因素如下：(1)不同軌道：低地球軌道(Low Earth Orbit,LEO) (600、800 km 的太陽同步軌道)、中地球軌道(Medium Earth Orbit,MEO)、地球同步軌道(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)；(2)電池大小和位置：包括星體內(nèi)部或外部；(3)衛(wèi)星的不同朝向：對日定向、地指或旋轉(zhuǎn)；(4)熱輻射器、艙板的熱特性和光學(xué)特性。

經(jīng)分析，不同軌道情況下鋰離子蓄電池的溫度范圍如圖1 所示。GEO 軌道至點，當(dāng)熱輻射器對日定向時，鋰離子電池的不同條件下高溫可達(dá)到89～204 ℃，GEO 軌道最低溫度出現(xiàn)在-167 ℃。LEO 軌道，蓄電池外置時不同條件下高溫達(dá)到54～142 ℃，蓄電池內(nèi)置時，最高溫度可達(dá)到82 ℃，表明蓄電池外置時溫度條件較為惡劣。此外，考慮到離軌后熱控設(shè)備已超過其設(shè)計壽命，且星上軟件故障檢測、隔離和恢復(fù)功能也會禁止，星上的溫度條件可能會超出上述分析范圍。

圖1 不同軌道情況下鋰離子蓄電池的溫度范圍[6]

在長光照季，典型情況下GEO 軌道鋰離子蓄電池組的溫度遠(yuǎn)高于地影季，如圖2 所示。對LEO 軌道，熱分析的結(jié)果表明，當(dāng)星體自旋后蓄電池溫度范圍會減小，如圖3 所示。基于此，在整星允許的情況下，可在離軌階段將衛(wèi)星自旋，以獲取更安全的整星溫度。

圖2 GEO 高溫——地影期影響[6]

圖3 LEO高溫——蓄電池位置和衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)的影響[6]

1.2 離軌后鋰電池安全性評估

通過ESA TRP 計劃，針對鋰離子電池的測試包括：外部短路、內(nèi)部短路、過充電、過放電以及過溫度等。試驗結(jié)果表明，熱失控是導(dǎo)致鋰離子電池爆炸的最可能原因，過充電也會導(dǎo)致鋰離子電池組溫度超過熱失控的臨界值。當(dāng)鋰電池的溫度超過一定限值時，蓄電池的溫度迅速上升，即發(fā)生熱失控。一旦熱失控開始，電池的正極開始泄漏，如果仍持續(xù)加熱，則這些快速產(chǎn)生的氣體會使電池爆炸產(chǎn)生碎片，導(dǎo)致電池甚至航天器損毀。

針對鋰電池?zé)崾Э赜绊懸蛩匮芯康脑囼灲Y(jié)果表明，熱失控臨界值與鋰電池荷電狀態(tài)相關(guān)，隨荷電狀態(tài)的增加，熱失控起始溫度降低。此外，當(dāng)鋰電池處于0 V 時，即使達(dá)到150 ℃，仍然不會發(fā)生熱失控，體現(xiàn)出比荷電狀態(tài)為0 時更優(yōu)越的安全性[7]。

1.3 鋰離子蓄電池鈍化需求分析

基于離軌后環(huán)境條件和離軌后鋰電池安全性評估，考慮到熱控失效等極端情況，高低軌鋰離子蓄電池組的高溫均可能超過熱失控的起始溫度，為最大限度保證鋰離子蓄電池的安全性，分析鋰離子蓄電池組的鈍化需求如下：(1)將鋰離子電池放電甚至過放至0 V；(2)將鋰離子電池的充電通路隔離，保證在離軌過程后難以實時受控的過程中不會被充電甚至過充電；(3)盡可能保證鋰離子蓄電池的熱控正常，降低蓄電池發(fā)生熱失控的概率。

此外，基于可靠性要求，鈍化功能不要求備份，但單重故障不能導(dǎo)致鈍化功能誤動作[8]。

2 鋰離子蓄電池鈍化方案

2.1 旁路鈍化

為了在離軌后將鋰電池放電至0 V，最直接的方式是采用如圖4 所示的旁路鈍化方案，衛(wèi)星離軌后，首先通過指令將蓄電池EOCV 置低，使得蓄電池的荷電狀態(tài)維持在較低水平；接著通過指令斷開旁路控制開關(guān)，將蓄電池組正端與主功率通路斷開，并將其接入旁路鈍化電阻通路，蓄電池組將通過旁路鈍化電阻放電至0 V，維持在安全水平。

圖4 旁路鈍化方案

兩串兩并的旁路鈍化電阻阻值設(shè)計需考慮到如果旁路鈍化開關(guān)誤動作，其放電電流是系統(tǒng)功率預(yù)算可接受的。此外，旁路控制開關(guān)并聯(lián)冗余設(shè)計，可避免指令誤觸發(fā)，同時在指令序列執(zhí)行完畢前可終止鈍化流程。

針對裝配鋰電池的GEO 衛(wèi)星，其單體(或并聯(lián)小組件)配置旁路開關(guān)，在蓄電池旁路功能使能情況下，當(dāng)蓄電池單體電壓低于2.7 V 或高于4.4 V 后可自主旁路，蓄電池單體通過旁路電阻緩慢放電至0 V。配置旁路開關(guān)的鋰電池組，在禁止能源管理軟件的故障檢測、隔離與恢復(fù)軟件并使能旁路開關(guān)控制后，設(shè)置蓄電池充電電流為0，使得蓄電池逐步放電至0 V。在此期間，為了加速蓄電池的放電，可使衛(wèi)星自旋或旋轉(zhuǎn)太陽翼非對日定向。此外，為了防止衛(wèi)星在太陽翼光照條件下重新加電導(dǎo)致蓄電池以默認(rèn)充電電流充電，需通過硬件設(shè)置在電源控制器的遙測遙控斷電時默認(rèn)充電電流為0，從而保證蓄電池可靠鈍化。在配置旁路開關(guān)的情況下，即使母線在太陽翼光照條件下恢復(fù)電壓，由于鋰電池放電過深低于2.7 V，會觸發(fā)旁路開關(guān)動作，將鋰電池與母線物理隔離。此時，旁路開關(guān)使能控制與旁路開關(guān)電壓檢測與隔離電路構(gòu)成冗余備份，單重故障不會導(dǎo)致其誤動作。

2.2 MEA 鈍化

PCU/PCDU 中的主誤差放大器MEA 為源側(cè)能量控制的核心。通過將MEA 拉低至SUN 域以下，可使太陽翼輸出功率一直為0，從而使得蓄電池放電至低荷電態(tài)，保證其安全。鈍化指令執(zhí)行后，MEA 常高，使得太陽電池調(diào)節(jié)器關(guān)斷，蓄電池通過蓄電池充放電調(diào)節(jié)器或開關(guān)放電，放電通路如圖5 中箭頭方向所示。

圖5 MEA鈍化方案

因為MEA 為表決設(shè)計，因此在每個MEA 分支上均通過1 個繼電器TL26p 實現(xiàn)高飽和與當(dāng)前MEA 輸出值取大，如圖5 所示。每個繼電器控制1 個MEA 分支，任何1 個繼電器發(fā)生故障僅會導(dǎo)致單個MEA 支路的錯誤輸出，這與單個MEA支路自身故障是等效的，且該故障不會影響最終MEA 信號的正確輸出。為進(jìn)一步提高可靠性，在MEA 鈍化的輸入端，增加1 個TL26p 繼電器作為鈍化使能信號，在鈍化未使能的情況下，消除由于母線暫態(tài)響應(yīng)可能導(dǎo)致多個MEA 支路共因故障。因此，鈍化使能繼電器必須最后閉合。

2.3 分流鈍化

通過集成在PCU/PCDU 中的鈍化控制開關(guān)實現(xiàn)，即通過指令閉合開關(guān)，使太陽翼電流被完全分流，蓄電池通過對母線放電完成鈍化，放電通路如圖6 中箭頭方向所示。鈍化控制開關(guān)串聯(lián)設(shè)計，同時鈍化指令分為使能和動作兩條指令，通過直接指令和總線指令兩種方式備份，指令的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為串聯(lián)的2 個繼電器，單重故障不會導(dǎo)致鈍化控制開關(guān)誤動作。當(dāng)蓄電池的能量足以保證執(zhí)行指令時，鈍化流程可通過指令復(fù)位。針對S3R/S4R 等分流體制的衛(wèi)星，可通過閉合所有分流電路的開關(guān)管實現(xiàn)。

圖6 分流鈍化方案

2.4 開路鈍化

在太陽電池分陣通路上串聯(lián)額外的繼電器，通過斷開這些繼電器將太陽翼電流完全隔離，蓄電池通過對母線放電完成鈍化，放電通路如圖7 中箭頭方向所示。鈍化指令分為使能和動作兩條指令，且通過直接指令和總線指令兩種方式備份，該備份方式與上述分流鈍化一致，單重故障不會導(dǎo)致鈍化控制開關(guān)誤動作。鈍化控制開關(guān)的電流選型需考慮到鈍化后流過的太陽電池陣分流電流。針對采用DC/DC 變換器作為太陽電池陣功率調(diào)節(jié)單元的衛(wèi)星，可通過斷開DC/DC 變換器使得太陽電池分陣處于開路狀態(tài)實現(xiàn)。

圖7 開路鈍化方案

2.5 鈍化方案對比

將旁路鈍化、MEA 鈍化、分流鈍化以及開路鈍化這4 種鈍化方案從對正常工作狀態(tài)的影響、受空間環(huán)境影響程度、額外增加元器件的情況以及鈍化后電路受電流應(yīng)力情況等方面進(jìn)行對比，如表2 所示。綜合下述因素：鈍化電路及其指令回路受空間環(huán)境影響??；實現(xiàn)方式代價?。烩g化后電路不會長時間受電流應(yīng)力。

表2 鈍化方案對比

含鋰電池的衛(wèi)星電源系統(tǒng)首選旁路鈍化方案；針對DC/DC 拓?fù)洌煽紤]采用MEA 鈍化方案；針對功率很小的衛(wèi)星如立方星等，可考慮采用繼電器實現(xiàn)分流鈍化和開路鈍化。

3 結(jié)論

本文分析了鋰離子電池離軌后的環(huán)境條件及在離軌期間電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險，為保證衛(wèi)星離軌安全，提出了旁路鈍化、MEA 鈍化、分流鈍化以及開路鈍化這4 種可行的鈍化解決方案，均可保證將蓄電池放電至0 V，且離軌后不會被充電。上述方案中，單重故障均不會導(dǎo)致鈍化功能誤動作?；诖耍疚膹氖芸臻g環(huán)境影響程度、額外增加元器件的情況以及鈍化后電路受電流應(yīng)力情況等方面進(jìn)行對比，分析結(jié)果表明，旁路鈍化方案鈍化電路及其指令回路受空間環(huán)境影響小、實現(xiàn)方式代價小、鈍化后電路不會長時間受電流應(yīng)力，是基于鋰離子電池的電源系統(tǒng)鈍化的首選方案。