卫星锂离子CAT蓄电池卡特电瓶组过放电及保护

摘要：空间用镉镍电池和氢镍电池过放电后仍可康复正常运用，但锂离子电池过放电时，就会形成电池不行康复的容量丢失，一般来说，卫星因在轨故障形成锂离子电池异常严峻过放电时，电池组将不能康复作业，加强在轨锂离子蓄电池组运用办理，采取过放维护措施是锂离子蓄电池组在轨运用的必要手法。

关键词：蓄电池组；容量丢失；过放维护

引言

卫星电源体系负责为卫星供给电力动力，关系到卫星的功能和作业寿数，对卫星使命能否顺利完成有严峻影响[1]。蓄电池组是卫星电源体系中的储能体系，首要负责在地影期、大功率峰值负载和火工品点火等时刻的供电。锂电池以其比能量高、单体电压高、自放电小等优点，成为卫星用蓄电池的首选储能设备[2]。

一、锂离子蓄电池组的优势

卫星电源的储能设备经过了绵长的探索与实践，现在国内外运用最多的储能设备锂离子电池，锂离子蓄电池在航天范畴的运用具有众多显着的优势[3]。

锂电池组有较高的输出电压：一个锂离子蓄电池相当于三个镉镍蓄电池或氢镍蓄电池；锂离子蓄电池组比能量高：锂离子蓄电池的体积很小，在空间环境下运用，能够大大节约空间；锂离子电池的能质很高，到达了150 W.h.kg-1，选用锂离子蓄电池，卫星电源体系占整星的质量从现在的25%～35%减小到15%～20%，大大添加卫星载重比，下降卫星发射成本。

自放电率低，无回忆效应，储存寿数长。锂离子蓄电池自放电率很小，它的每月自放电不超越10%，不到镉镍和氢镍电池的一半；并且锂离子蓄电池没有镉镍电池的回忆效应。锂离子蓄电池组具有良好的放置功能，10年放置时刻的能量丢失小于10%，是深空勘探器最理想的储能电池，因而ESA和NASA深空勘探卫星均优先选用锂离子蓄电池。

二、锂离子蓄电池组的特性

（1）过放电特性：在正常的放电倍率下,锂离子电池的均匀放电电压一般为3.4-4.1V,一般状况放电中止电压一般为2.7-3.0V。锂离子电池在深度过放电会改变电池正极资料的晶格结构，一起还会使负极铜集流体氧化，导致锂离子电池导电功能下降，功能严峻衰减，严峻时锂离子电池会产生失效。

（2）温度特性：锂离子电池的高温功能较好。能够在10-30℃的环境下正常运用，但是锂离子电池不宜在较高的温度下长时刻运用，高温会对电池中SEI膜有较大的破坏作用，使锂离子电池的容量下降，寿数减少，有实验证明锂离子电池在+55℃高温时的放电容量相关于+25℃时的放电容量丢失了1.4%。

（3）自放电特性：因为电极活性物质的溶解或许掉落、电极的腐蚀等问题，蓄电池一般会产生自放电现象，在运用和储存过程中各种电池都会产生不同程度的自放电现象。在某锂离子蓄电池的自放电实验中，放置30天后的锂电池与初始状况比较自放电率超越了8％。

（4）储存特性：锂离子电池的储存温度一般为0-10℃，储存环境相对湿度小于55%，此环境下锂离子电池的年容量丢失一般≤20％。锂离子电池在储存时一般处于50~75%电荷状况下，关于长时刻储存的锂离子电池，为了保持锂离子电池的功能一般每半年对锂离子电池进行一次活化。

三、锂离子蓄电池组的过放电

（1）过放电实验：以某7串20Ah电池进行过放电实验，实验以0.4C放电，以0.4C充电，当满足单体限压条件后中止放电，如此重复循环，实验数据如下：

表1   锂离子电池单体限压过放电实验

单体限压值（V）	3.0	2.5	2.0	1.5	1.0	0.5	0.1
电池组中止电压（V）	21.9	20.1	19.5	17.5	14.8	11.1	9.4
放电容量（Ah）	22.2	22.1	22.3	22.3	22.6	22.9	22.9
过放后充电容量（Ah）	22.2	22.4	22.2	22.5	22.7	23.1	23.0
放电末期输出功率（W）	175.4	161.0	155.6	139.6	118.2	88.8	75.3

从表1能够看出：跟着单体过放电限压值的下降，电池组放电时刻、放电容量、放电后的充电容量都有所添加，但电池组的电压和输出功率逐步递减。单体电池的限压值从3.0V降至0.05V，放电时刻的距离为5min，放电容量的距离为0.7Ah，电池组的电压值从21.9V降至9.4V，输出功率从175.4W降至75.3W。

实验标明，单体过放电的限压值下降，虽然能够延长电池组的作业时刻，但延长时刻有限，并且输出功率大幅度下降。一起一旦经过过放电后，电池组中单体电池间的差异显着添加，跟着循环次数的添加，电池组的放电容量依次下降，在上述实验基础上，继续放电，发现放电至-1.5V时呈现拐点，此刻电池失效。

（2）锂离子蓄电池过放电丢失原理剖析：锂离子蓄电池过放电按损伤程度能够分过放电、反极、 短路三个步骤，示意图见图1。

图1 锂离子蓄电池过放电过程示意图

当蓄电池的放电电压低于2.5V时，锂离子蓄电池处于过放电状况。放电容量小于实践容量的115%时，基本不产生不行逆反应，蓄电池开路电压短时刻内能够康复到2.4V以上，蓄电池仍能正常作业，但是寿数缩短。当蓄电池放电容量超越实践容量的115%时，蓄电池将产生不行逆反应，蓄电池电压无法康复到2.4V以上，蓄电池部分失效或彻底失效。蓄电池组放电电压能够到达约0V～-1.5V。反极时，会引发负极集流体铜的氧化反应，在反极基础上继续过放电，正极和负极上产生铜的氧化反应和复原反应继续进行，跟着过放电程度的加深，正极电极产生铜的不断电沉积和铜枝晶的不断生长，最终导致蓄电池短路，蓄电池彻底失效。当产生内部短路时，此刻电池类似于一个电阻。

四、在轨维护措施剖析

从实验数据能够得出结论：当某单体电池产生过放电，会导致电池组的放电容量衰降;单体限压值下降，放电时刻延长有限，电池组输出功率会大大下降;当电池组产生过放电未呈现拐点时，电池的电压、容量仍可康复，电功能会显着下降;当电池过放电电压呈现拐点时，电池会失效，电池单体等同于串联电阻。

综上所述，我们对我所卫星用锂离子电池的过放电约束有以下建议：

锂离子电池组的充放电办理中可选用软件和硬件两种维护措施，软件维护单体电池电压，硬件维护电池组电压；考虑到放电时单体电池的差异性，当电池放电截止电压不低于3V时，电池间差异较小，有利于电池组长时刻循环运用的可靠性，关于长寿数卫星，单体电压应控制在不低于3V；放电截止电压低于2.5V时，放电时刻延长有限，形成电池组的输出功率大幅度下降，加速电池组的寿数衰减。