1、2023.6Vol.47No.6研 究 与 设 计收稿日期：2022-11-10作者简介：李玲(1986)，女，山西省人，高级工程师，主要研究方向为空间设备能源管理。星用载荷蓄电池包一体化设计李玲，胡斌，王刚，蔡举(中电科能源有限公司，天津 300384)摘要：针对卫星用短时大功率载荷的应用需求，设计了一种轻量化、高可靠、一体式蓄电池包方案。除满足空间载荷长期稳定供能外，具备采集、自主均衡、充放电控制等功能。对载荷电池包的需求进行分析，提出了蓄电池组与管理单元一体化总体设计，对电池包内主要功能模块进行说明。通过实验，完成了电池放电容量、寿命、单体采样精度及充电效率等设计指标的验证。星用载荷电池
2、包的提出及应用有效地解决了卫星用短时大功率载荷应用的难题，具有较高的推广应用价值。关键词：载荷蓄电池包；一体化设计；管理；充电控制中图分类号：TM 912文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)06-0812-05DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.06.027Integrated design of load battery pack for satelliteLI Ling,HU Bin,WANG Gang,CAI Ju(CETC Energy Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China)Abstract:To satisfy
3、 the power demand of short-term high-power satellite load,a light,highly reliable and integratedbattery pack scheme was designed.In addition to meeting the long-term and stable power supply of space loads,it hasfunctions such as acquisition,autonomous balance,and charge and discharge control.The req
4、uirements for the loadbattery pack were analyzed,the overall design of the integration of the battery pack and management units was putforward,and the design of the main functional modules of the battery pack was described.The verification of designindicators,such as battery discharge capacity,life,
5、cell sampling accuracy,and charging efficiency was completed byexperiments.The proposal and application of the satellite load battery pack effectively solve the application problemof short-term and high-power load for satellites,having high promotion and application value.Key words:load battery pack
6、;integrated design;management;charge control卫星的有效载荷运行正常是卫星发射的主要目标，对载荷的供电成为重要的研究内容。卫星有效载荷是指航天器上装载的直接实现航天器在轨运行要完成的特定任务的仪器、设备、人员、实验生物及试件等。航天器有效载荷是航天器在轨发挥最终航天使用的最重要的一个分系统，有效载荷的工作情况将直接影响到最终特定航天任务实现的成败。目前，航天器有效载荷呈现载荷功率扩大化、种类多元化、配置分布化的应用特点。有效载荷的种类很多，包括多光谱扫描仪、红外扫描仪、合成孔径雷达、微波辐射计、协达高度计、超光谱成像仪、天线阵以及大幅面测量相机等。传统
7、卫星电源系统一般采用分离单机架构，包括太阳电池阵、蓄电池组和电源调控器，各单机间通过电缆实现能量流传输。电源系统结构分散，体积质量大，卫星空间利用率低。为适应轻小型卫星的整星设计，电源系统各单机都需在体积质量上进行严格的设计约束，因此需开展新型电源系统融合架构研究，从产能、传能、储能三个环节减轻卫星电源系统质量，缩小体积，提高卫星整体空间利用率。采用载荷蓄电池包的设计，将蓄电池组和管理单元一体化设计，可提高卫星整体空间利用率、能量利用率，实现体积小、质量轻的目标。载荷蓄电池包是一种专门为卫星有效载荷提供有效而又充足电能的设备，为载荷提供能源的质量是实现载荷运行成功与否的重要支撑。目前，载荷的供
8、电方式多种多样，较难实现的供电方式为大功率短时多次供电模式。为此，对于蓄电池组的承受能力以及蓄电池组的管理效果的考核，成为非常重要的课题。1 概述载荷蓄电池包包括蓄电池组本身及其管理单元。蓄电池的管理在传统意义上包括对单体电池的电压、温度和电池组电流等状态特性的监测，制定电池组均衡策略、充放电策略，从而保障电池组的可靠性和寿命。在蓄电池的实际应用中存在很多问题：电池组与管理设备电缆过长，导致采样精度偏差过大，从而使蓄电池管理不够准确；由于操作人员带电误连接，导致人身伤害、财产损失问题；充电设备与蓄电池组距离远，导致充电效率降低。2 载荷蓄电池包需求分析与设计2.1 需求分析本文所研究的蓄电池包
9、是某卫星用于载荷供电的重要组成部分，主要实现载荷用电的正常供给、对蓄电池组的维护和管理，其能够接收星务计算机发出的控制信号，实现对8122023.6Vol.47No.6研 究 与 设 计蓄电池组的电压监测、开关控制、充放电控制等智能管理功能。具体的功能需求可概括为：(1)蓄电池短期放电 2 800 W，寿命末期放电电流约为 70A，放电倍率不低于10 C；(2)蓄电池组充电控制功能；(3)蓄电池组自主控温功能；(4)方阵电流、充放电电流、蓄电池单体电压、整组电压遥测电压变换；(5)蓄电池均衡控制功能；(6)放电开关控制功能；(7)接收相关的遥控指令并执行；(8)通过CAN总线与星务进行通信；(
10、9)实现小型化、轻量化、模块化设计。从上述功能需求可知，载荷蓄电池组需满足短时高倍率放电的需求，因此，对于蓄电池组的管理显得尤为重要。2.2 总体设计本文提出了一种卫星用可充电载荷蓄电池包，通过采用管理单元与蓄电池组一体化设计，对蓄电池组进行精准管理，从而满足在轨寿命要求。为了使载荷用蓄电池组能够更好地服务于载荷，卫星配备了专用太阳电池阵，对蓄电池组进行充电，形成了一个小型电源系统，如图1所示。如图1所示，为了提高蓄电池充电来源的可靠性，采用两级方阵分别为蓄电池组充电。两级方阵为热备份状态，如果任何一级失效，不影响蓄电池包正常工作。载荷蓄电池包本身的供电由平台母线提供，通过 CAN 总线与供配
11、电单元连接，进而与星务进行通信。载荷蓄电池包包括蓄电池组(化学电源)和管理单元(电子单机)两部分，如图 2所示。蓄电池组包括单体电池、热敏电阻、加热带和组合结构件；管理单元包括均衡驱动电路、充电控制电路、下位机电路、二次电源电路、信号变换电路、蓄电池放电开关及控制等。2.3 主要模块功能设计2.3.1 蓄电池组设计由于载荷的用电需求具有短时功率大的特点，蓄电池组选用超高功率锂离子电池。超高功率锂离子电池标称容量较低，但可用于短时10 C高倍率放电，有效实现了体积小、质量低的目标。电池组设计有主动温控，当电池组温度低于设计温度时，启动加热片为电池组加热，加热片与测温电阻均粘贴在电池组套筒结构上。
12、蓄电池组设有 2个测温点，用于监控电池组的温度。蓄电池组上设计加热带，加热带粘贴在单体电池表面，用于对电池组实施主动温控。2.3.2 充电控制功能实现充电控制策略为：蓄电池组先进行恒流充电1，当充电至设定的恒压点电压时，通过两级分流电路顺序分流掉两级方阵产生的剩余功率。同时，由最大限流充电转为恒压充电。恒压充电时，充电电流逐渐减小。充电控制电路由两级方阵分流电路和母线电压误差放大(MEA)电路、方阵电流遥测电路组成，实现对蓄电池组的恒流恒压充电的控制功能。充电控制电路采用主误差放大器设计，从母线正线上进行电压采样，再经过放大电路生成MEA信号控制方阵分流电路。2.3.2.1 方阵分流电路设计原
13、理采用分流调节电路分流蓄电池组充满电后光照期太阳电池阵的剩余功率，实现蓄电池组恒压充电。分流调节模块采用限频 S3R 顺序开关分流技术2，单级限频 S3R 原理图如图3所示。限频S3R分流调节电路的特点是调节电路频率可变，与其它工作方式的分流调节电路相比，其电路简单，单级调节功率大，同等功率情况下调整管的热功耗低，可靠性高，瞬态特性好。2.3.2.2 MEA电路设计充电控制模块采用主误差放大器设计，从母线正线上进行电压采样，再经过 3路放大电路生成 MEA信号，控制 S3R分流电路，原理图如图 4所示。为了防止功能失效造成单点图1小型电源系统框图图2载荷蓄电池包组成示意图图3限频S3R原理图图
14、4主误差放大器原理框图8132023.6Vol.47No.6研 究 与 设 计故障，主误差放大器采用 3 2表决冗余并跟随表决电路的设计以提高电路的可靠性。2.3.3 蓄电池组电压遥测电路设计由于锂离子蓄电池组串联的单体电池多，顶端和底端的单体相对整星的参考地电压相差的范围大，为了保证每只单体电池电压的测量精度，采用的设计方案为由每只单体电池模块的根部引出采样线，经过高精度仪表放大器进行信号处理3，将变换好的信号经过多路模拟开关送至模数转换器。2.3.4 均衡驱动电路设计单体电池的分流主功率回路由三级管构成，如图5所示。采用两个三极管串联，以防止单个三极管损坏造成误动作，提高可靠性。根据锂离子
15、蓄电池组的容量和预计的均衡时间可以确定均衡电路的最大分流电流以及功率分流电阻的阻值。2.3.5 蓄电池包下位机设计电池包下位机的功能是完成电源系统工程参数的采集、遥控指令的执行，蓄电池的主动均衡控制等，同时，下位机作为网络通信从节点，还完成蓄电池管理单元与星务主机之间的信息交换。图 6所示为下位机组成框图，主要由多路模拟开关、总线驱动器、锁存器和中心处理单元组成。2.3.6 自主均衡软件设计蓄电池单体电压的一致性是保障蓄电池组寿命的关键要素。当星务发送自主均衡4-5允许指令时，蓄电池包下位机开始运行自主均衡程序，程序流程如图7所示。如图 7运行后，蓄电池组单体电压压差可保证在 60 mV以内，
16、保障了蓄电池组放电的一致性，保证了蓄电池组的在轨运行寿命。3 实验与测试3.1 放电容量及寿命实验情况根据电池包功率测试，2 960 W 功率放电，1 min 时放电深度(DOD)为15%，1.5 min时放电深度为22%，并对单体电池进行了加速寿命实验，1 C充电15 C放电，进行了100%DOD的寿命实验，循环1 871次后，容量保持率在80%左右，如图8所示。通过对比高比能长寿命单体电池以及循环次数与放电深度之间的关系，推断出可以满足电池包3年8 800次的寿命要求。3.2 采样精度验证将模拟器单体电池电压整体调节到3.04.3 V范围内进行单体电池电压测量，将实测数值与遥测数值进行比较
17、，结果如表1所示。图5均衡电路与电池接口图图6下位机组成框图图7自主均衡软件流程图图8100%DOD循环寿命曲线8142023.6Vol.47No.6研 究 与 设 计由表 1可知，单体电池采样精度误差可达到 4 mV以内，优于传统设计(蓄电池组与管理单元分散设计)中单体电池采样精度误差小于15 mV的指标，遥测效果优秀。3.3 充电基本功能验证充电控制采用2级热备份，由载荷方阵输入，向载荷蓄电池充电，连线图如图9所示。设置 SAS1(方阵模拟器 1)和 SAS2(方阵模拟器 2)均为SAS模式(Vmax=52 V,Voc=55 V,Imax=0.8 A,Isc=1 A)，电池电压为44.57
18、7、48.924、49.124 V 时，分别记录方阵输出电压波形、电池充电电流波形，如图1012所示。从图1012可看出，蓄电池在低电压、中电压、高电压时，方阵分别处于两个方阵均不分流、一个方阵分流、两个方阵均分流三种状态，实现了蓄电池从恒流到恒压的充电模式，功能性能表现优异。3.4 充电效率验证在不同蓄电池电压下，设置SAS1(方阵模拟器1)和SAS2(方阵模拟器2)均为曲线模式，记录方阵模拟器1电流I1、电压U1；方阵模拟器2电流I2、电压 U2；电池充电电流I3、电池电压U3，计算转换效率公式如下：=(U3I3)/(U2I2+U1I1)100%(1)表 2为转换效率记录表，充电转换效率在
19、各阶段均大于97%，满足大于90%的技术要求。与蓄电池组联试时，由于管理单元与蓄电池组间采用电缆长度比管理单元自测试时所用电缆长度短，所以充电转换效率更高。实际使用时充电转换效率大于97%。4 结束语针对目前卫星用载荷大功率供电需求，提出了一种蓄电池包的设计，采用管理单元与蓄电池组一体化设计。蓄电池选用高功率放电电池；管理单元中集合了蓄电池单体采样、总压采样、自主均衡管理、充电控制、远程通信、放电开关及控制等功能。蓄电池组与管理单元一体化设计使两者间电缆长度短，有效解决了采样精度问题，采样精度可达4 mV以内；充电效率提高，可达97%以上；一体化设计在管理单元内部加入充放电开关，保证用户在连接
20、电缆操作时，不带电操表 1 遥测误差列表 项目 设置电压/V 3.0 3.6 4.3 单体号 实测/V 遥测/V 误差/mV 实测/V 遥测/V 误差/mV 实测/V 遥测/V 误差/mV 1 3.000 3.000 0 3.600 3.600 0 4.300 4.299 1 2 3.000 2.998 2 3.600 3.596 4 4.300 4.297 3 3 3.000 2.999 1 3.600 3.599 1 4.300 4.298 2 4 3.000 2.999 1 3.600 3.597 3 4.300 4.300 0 5 3.000 3.000 0 3.600 3.598 2
21、 4.300 4.299 1 6 3.000 2.999 1 3.600 3.598 2 4.300 4.300 0 7 3.000 2.999 1 3.600 3.598 2 4.300 4.299 1 8 3.000 3.000 0 3.600 3.599 1 4.300 4.300 0 9 3.000 2.999 1 3.600 3.598 2 4.300 4.298 2 图9充电功能测试连线图图10电池电压44.577 V时输出电压和充电电流波形图11电池电压为48.924 V时输出电压和充电电流波形图12电池电压49.124 V时输出电压和充电电流波形表 2 转换效率记录表 序号 U
22、1/V I1/A U2/V I2/A U3/V I3/A 检查内容 检查结果/%1 44.668 0.930 45.068 0.926 44.577 1.82 效率90%97.425 2 44.765 0.928 45.165 0.926 44.794 1.82 97.793 3 45.131 0.927 45.527 0.924 45.012 1.82 97.638 4 46.919 0.916 47.260 0.912 46.968 1.79 97.669 8152023.6Vol.47No.6研 究 与 设 计作，避免误操作对电池的影响。目前上述设计已应用于工程型号，各项功能包括遥测、遥
23、控、通信性能均表现优异。星用载荷电池包的提出及应用有效地解决了卫星用短时大功率载荷应用的难题，具有较高的推广应用价值。参考文献：1徐颖晟.锂电池三闭环充电控制策略及充电控制器设计研究D.上海：上海交通大学，2012.2黄晓，陈杰，胡斌.基于微小卫星平台对锂离子电池的在轨管理J.电源技术，2016，40(9)：1881-1883.3祁娜，姚舜.单体电池电压采集系统设计与实现J.鱼雷技术，2008，16(2)：42-45.4刘涛，关振昆.一种高轨卫星锂电池管理设备的设计与实现J.电源技术，2016，40(9)：768-1770.5CHATZAKIS J,KALAITZAKIS K,VOULGARIS N C,et al.Designing a new generalized battery management systemJ.IEEETransactions in Industrial Electronics,2003,50:990-999.816
