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1、!“#$ % s p a c e e l e c t r i c a l p o w e r s u b s y s t e m ; m u l t i - l o o p c o n t r o l ; e q u i l i b r i u mc h a r g e锂离子蓄电池的质量比能量大约是氢镍蓄电池的 2 倍，是镉镍蓄电池的 3 倍，体积比能量是氢 - 镍电池组的 4 倍以上且无记忆效应。输出同样的功率， 采用锂离子蓄电池， 可显著地减轻电池组的质量和电源系统占整星的质量份额。尤其是它不含磁性材料， 具有较高的能量转换效率和较长的搁置寿命， 对空间电源系统具有极大的吸引力。自从 1
2、9 9 4 年法国S A F T公司首先开始空间用锂离子蓄电池的研究以来，至今已发射十多颗不同轨道的航天器 ( G E O 、 G T O 、 L E O 、星际探测) 电源系统采用了锂离子蓄电池。可以预计， 在未来的十几年或更长一些时间，锂离子蓄电池将逐渐取代氢镍蓄电池，成为第三代空间用储能电池。某些应用锂离子蓄电池的航天器如表 1 所示。收稿日期： 2 0 0 4 - 1 2 - 2 6作者简介： 孙德全( 1 9 4 5 ) ， 男， 辽宁省人， 教授， 主要研究方向为空间电源系统。S U ND e - q u a n ( 1 9 4 5 ) , m a l e , p r o f e
3、s s o r .虽然这些锂离子蓄电池都表现了很好的性能， 但与镉镍蓄电池和氢镍蓄电池相比， 锂离子蓄电池空间飞行的历史还很短， 积累的数据还不够充分， 有许多技术问题还需我们从以后大量应用中去认识， 去解决。另外， 锂离子蓄电池与镉镍蓄电池和氢镍蓄电池在电池形成机理上的差异使其在电池组的构成、 电池充电控制及其在轨管理都与传统设计有很多不同。因此， 采用锂离子蓄电池设计空间电源系统时， 必须针对锂离子蓄电池的特点从提高电池性能和强化在轨管理两个方面进行深入的研究和试验验证，以确保可靠稳定地工作， 满足空间电源系统的需要。 1 采用锂离子蓄电池空间电源系统的 特点与现行空间电源系统相比， 采用
4、锂离子蓄电池空间电源系统有以下显著特点：( 1 ) 减小质量和体积电源系统一直是航天器最重的分系统， 约占整个航天器质量的 2 5 !“ 3 5 !以上。 电池组的质量在电源系统中又占有支配地位， 约占电源系统质量的 5 0 ! “ 6 5 ! 左右( 不包括太6 8 7!“#$ %&电 源 技 术!“#$%&% ()*$+, (- .(/%* 0()*1%& 综述()*$%+ ,)$-&阳电池阵的展开机构) 。因此，提高电池组的质量比能量( Wh / k g ) 对减轻电源系统的质量至关重要。 锂离子蓄电池组的质量比能量大约是氢镍蓄电池组的 2 倍， 体积比能量大约是氢镍蓄电池的 4 倍左右
5、。输出同样的功率， 采用锂离子蓄电池组的质量为氢镍蓄电池组的 4 0 !， 体积可减少到氢镍蓄电池组的 3 0 !左右。这样一来， 电源系统占整星的质量份额可从目前的 2 5 ! “ 3 5 ! 减少到 1 5 ! “ 2 0 ! ，大大增加有效载荷的质量份额并降低发射成本。( 2 ) 节省 1 0 !“ 1 5 !太阳电池阵输出功率设计太阳电池阵的充电功率时， 必须考虑电池组的能量效率( 电池组放出的能量与需补充的能量之比) 。氢镍和镉镍蓄电池的能量效率一般为 8 0 !左右，而锂离子蓄电池的能量效率可达 9 0 !“ 9 5 !。 由此可见， 采用锂离子蓄电池可以节省1 0 !“ 1 5
6、!太阳电池阵输出功率。这不仅可以减少太阳电池阵的面积， 而且可以减轻展开机构和姿态控制系统的负担。( 3 ) 不含磁性材料， 满足磁净化要求很高的科学探测卫星需要某些科学探测卫星， 尤其是磁探测卫星对卫星本身的磁净化要求很高。由于氢镍和镉镍蓄电池都含有磁性元素镍，而不得不采用 A g - C d电池。例如 E S A2 0 0 0年发射的 4颗C l u s t e r 地球磁探测卫星都采用了 A g - C d 电池。 A g - C d 电池虽然有较高的比能量( 在电池组一级大约为 7 0Wh / k g ) ， 但存储寿命和循环寿命却相当短。另外， 与其它碱性蓄电池相比，A g - C
7、d 电池对单体电池之间的性能不匹配性十分敏感， 对电池组的充放电管理要求较高。例如上面提到的 C l u s t e r 卫星， 采用 5 组电池轮流工作。即 2 组电池处于全充电状态并工作； 2 组电池处于完全放电状态； 1 组电池处于过渡状态( 或处于充电态或处于放电态) ， 并定期对电池组进行再调节。锂离子蓄电池不含有磁性材料， 具有较长的循环寿命和使用寿命， 电池性能远远优于 A g - C d 电池， 是科学探测和实验卫星理想的储能电池。( 4 ) 具有良好的储存寿命， 是深空和星际探测卫星最理想的储能电池深空和星际探测卫星巡航的时间比较长， 一般要经过几个月甚至几年的飞行才会到达预
8、定轨道。例如， 火星探测器要飞行 9 个多月的时间才能到达火星轨道， 而要到达彗星则需要 8 年多的巡航时间。蓄电池经过这么长时间的旅途搁置， 性能严重衰降。到达目的地时， 储存的能量已消耗殆尽，不能正常工作。 A g - Z n 电池干储存的寿命很长， 但一旦注入电解质后其储存寿命受到了严格的限制。锂离子蓄电池具有良好的搁置性能和低温工作性能， 有试验数据表明， 只要选择合适的搁置条件和搁置方式， 1 0年搁置时间的能量损失小于1 0 !， 是外层空间探测卫星最理想的储能电池。因此， E S A和N A S A深空和星际探测卫星似乎 1 0 0 !的选用锂离子蓄电池。 2 与现行电源系统的不
9、同从电源系统拓扑结构选择的角度， 采用锂离子蓄电池与采用氢镍和镉镍蓄电池没有本质的不同。然而， 由于锂离子蓄电池与镉镍蓄电池、 氢镍蓄电池在电池形成机理和性能上的差异使其在电池组的构成、 电池充电方式、 充电控制和在轨管理都与传统设计有很多不同。因此， 在设计空间电源系统时，不能简单地沿袭现行电源系统的设计方法和理念， 必须认真了解和掌握采用锂离子蓄电池与采用镉镍蓄电池和氢镍蓄电池的差异， 这些不同点主要有：( 1 ) 锂离子蓄电池单体电池可以并联对氢镍和镉镍蓄电池来说： 把两个单体电池( 或两组电池组) 不加保护( 例如阻塞二极管) 就简单的并联在一起是十分危险的。这是因为电池电压严重地受到
10、电池温度的影响， 而电池电压又主要取决于电池的荷电状态( S O C ) 。两个电池( 或电池组) 间的任何热不平衡都会产生一个电池( 或电池组) 向另一个电池( 或电池组) 电流的倒灌， 导致电池工作的不稳定性。而锂离子蓄电池却完全不同， 其 S O C与电池开路电压具有较好的线性关系， 温度对开路电压的影响非常小。所以， 可以把两个或多个锂离子蓄电池像图 1那样并联起来组成电池模块以满足容量的需要， 再将一定数量的电池模块串联以满足电源系统对电池组电压的要求。模块内的各单体电池将保持相同的荷电状态而不管其温度差别如何。锂离子蓄电池的这一特性给电池的研制和电池组的构成带来了极大的灵活性。只需
11、研制少数几种容量规格的电池， 再将不同数量的单体电池并联就可满足不同卫星功率的需求， 有利于电池组的模块化。( 2 ) 没有耐过充机理， 单体电池需均衡充电在电源系统的设计中， 为了使电池组可靠的工作， 通常当最好的电池达到上限电压时， 停止充电； 当最差的电池达到下限电压时停止放电。这样一来， 电池组的可用容量就要减少。为了最大限度地利用电池组的容量， 延长电池组的使用寿命， 电池组中单体电池的性能应尽量保持一致。氢镍和镉镍蓄电池一般被设计成正限制， 有一定的耐过充能力。而且， 当电池充满电之后， 电池的库伦充电效率开始降低， 大部分充进的电能都转化为热耗散掉。因此， 电池组内单体电池间荷电
12、状态的任何不平衡通过适当的过充最终都会趋于一致。锂离子蓄电池的库伦效率非常高， 大约为 0 . 9 9 。如果由于自放电或其它外部泄漏电流的原因使一个单体电池的性能比其它电池稍有下降， 那么， 经过多次充放循环后， 这个电池的荷电状态就与其它电池严重不平衡， 表现为单体电池之间的电压发散越来越大。锂离子蓄电池没有像氢镍和镉镍蓄电池那样的耐过充机理。 当电池电压超过 4 . 5 V时， 所有的锂离子都将从正极传输到负极。电解质和阴极材料开始分解， 并在负极上产生金图 1 单体锂离子蓄电池的并联 F i g . 1 P a r a l l e l o f l i t h i u m - i o n
13、 c e l l s6 8 8!“#$ %&电 源 技 术!“#$%&% ()*$+, (- .(/%* 0()*1%& 综述()*$%+ ,)$-&属锂沉积。而且这一过程是不可逆的。产生的二氧化碳、 乙烯、 氧气和其它易挥发产物使电池温度和内部气体压力累计增加， 造成电池永久性的损坏。所以不能用适当过充的方法达到单体电池间的性能一致， 只能采用附加均衡充电控制电路来保证单体电池间的性能平衡。因此， 对长寿命的卫星来说，应当把均衡充电控制看作是电池组不可分割的一部分。当然， 对于工作寿命较短， 且电池性能均匀性又较好可考虑不用均衡充电控制。( 3 ) 不能采用多阶段充电( 涓流) ， 需采用多
14、环路充电( 恒流 - 限压)当氢镍蓄电池和镉镍蓄电池处于满荷电状态后， 如果继续充电， 电池的温度上升， 电池的端电压下降。锂离子蓄电池的充电效率非常高。 在这一点上， 类似一个电容器。 两种电池充电性能比较如图 2 所示。对氢镍蓄电池和镉镍蓄电池普遍采用多阶段充电控制方式， 即先以高倍率(C/ 2 !C/ 1 0 ) 充电至 8 0 “ 左右的容量， 然后转为中倍率或低倍率(C/ 4 0 !C/ 6 0 ) 充电， 达到充电保护条件后转为涓流充电(C/ 8 0 !C/ 1 0 0 ) 。这样， 通过小电流的适当补充充电， 保证电池组处于满荷电状态。涓流充电方法不适用于锂离子蓄电池。从图 2可
15、以看出： 当电池处于 1 0 0 “ S O C后， 如果继续充电， 电池电压仍继续上升，当单体电池电压超过 4 . 5 V时就有可能造成电池永久性损坏。针对锂离子蓄电池这一特点， 一种有效充电方式是采用多环路充电控制 1 5 ， 即先以恒定电流或最大允许限制电流充电， 达到限制电压时转为恒定电压充电， 这时充电电流自动呈指数形式衰减， 保证电池安全可靠地充满电。可以像氢镍蓄电池和镉镍蓄电池那样，设置多种充电率。根据电池组在轨的实际情况， 地面指令选取合适的充电电流。但充电终止控制却比氢镍蓄电池和镉镍蓄电池简单多了。不必采用电压温度补偿、 电量或压力等控制方法， 只需设置几个限制电压， 由地面
16、指令选取即可。( 4 ) 不能采用二极管网络进行防开路保护虽然空间使用的镉镍和氢镍蓄电池至今还没有出现过单体电池开路故障，但单体电池开路属于单点失效模式， 在电源系统的设计中必须加以避免， 所以对单体电池仍需采取防开路保护措施。对镉镍和氢镍蓄电池采用的如图 3 所示的二极管网络的保护方法不适用于锂离子蓄电池。这是因为锂离子蓄电池充电电压比较高( 4 . 2 V ) ， 如果延用二极管网络方法， 则需要 7 ! 8 个二极管串联。 这不仅增加了体积和质量， 而且热功耗非常大， 需采用机电触点开关。 一种采用保险丝驱动方法实现锂离子蓄电池开路保护的原理如图 4 所示。它实质上是由单体电池开路检测、 驱动、 弹簧和插杆组成的压力释放装置。当电池开路时， 就有电流流过保险丝， 引起保险丝的温度上升并熔断， 带动压力释放执行机构将电池旁路。3 常用的几种锂离子蓄电池组的拓扑 结构根据锂离子蓄电池的特点和空间电源系统的具体要求，可以有以下几种方法组成电池组：( 1 ) 用空间电池加均衡和开路保护装置这种方法是将空间用锂离子蓄电池按图 1的串并联方式组成电池组， 再加上均
