星载非耗散型锂离子电池管理技术研究与实践

针对空间长寿命、大容量锂离子电池管理,文章提出了双向DC/AC变换的非耗散型均衡拓扑,计算了均衡电流与压差的关系,设计电池均衡管理电路和工作模式,完成非耗散型锂离子电池管理研制,并随某大容量通信卫星平台实现了在轨飞行验证。相对于传统的电池管理技术,该技术的效率、均衡精度和自主管理能力等指标均得到提升。在轨试验数据表明：东、西锂离子电池组的均衡精度分别达到6.3 mV、7.8 mV,满足了空间锂离子电池组对管理的需求。     

一种深空探测器高比能智能电源系统设计

提出一种深空探测器电源系统设计方案,采用高转换效率三结砷化镓太阳电池、半刚性基板轻量化技术及高比能锂离子蓄电池组;提出并采用一种基于顺序开关分流(S3R)结构的扰动交错法最大功率点跟踪(MPPT)技术,提高了太阳能源利用率;提出并采用一种适应空间电源的机内测试技术(BIT),以提升电源自主管理能力。32%效率三结砷化镓太阳电池及其半刚性基板,已经通过鉴定试验验证。能量密度195W·h/kg的钴酸锂离子蓄电池组及MPPT和BIT技术,已经应用到国内航天器正样产品;经过验证,MPPT追踪速度为毫秒级,追踪精度可达98%。文章提出的设计可为深空探测器电源系统轻量化和电源能量自主管理需求提供解决途径。     

带辅助支撑式太阳翼设计与验证

针对特定小卫星对太阳翼高展开刚度的需求,设计了一种带单根辅助支撑臂的太阳翼。支撑臂中部采用带簧铰链实现弯折收拢,两端采用球关节铰链分别与太阳电池板、星体侧壁相连接。在太阳电池板与卫星侧壁连接处,采用自适应锁定式铰链,实现了带辅助支撑式太阳翼根部铰链的可靠锁定功能。开展了太阳翼基板承载能力分析、模态分析和展开动力学分析等。结果表明：太阳翼结构强度裕度满足使用要求,展开状态基频高达8 Hz以上,展开过程顺畅。模拟卫星发射过程及空间使用环境开展了太阳翼力学试验、展开试验、光照试验等,验证了太阳翼与飞行任务的匹配性。在轨飞行验证表明,该带辅助支撑式太阳翼功能、性能良好,满足高展开刚度的特殊任务需求。     

航空蓄电池能量均衡技术研究

航空电池组中单体电池之间会逐渐出现不一致性,会降低电池组性能和使用寿命,甚至引发安全事故。本文提出了一种基于主动均衡的航空蓄电池组能量均衡系统结构,提出了一种能量集中式双向传递的Cúk型均衡电路,设计了顶部均衡和底部均衡的均衡控制策略。开发了航空镍镉蓄电池能量均衡系统,进行了镍镉电池组能量均衡实验分析,实验结果表明新型能量均衡器具有均衡速度快、均衡电池单体可任意选择、能量双向传递的优点,通过电池组能量均衡控制能明显改善电池组内单体之间的不一致性,提高电池组容量利用率和使用寿命。     

一种空间锂离子电池非耗散型均衡方法

针对空间锂离子电池串联使用的单体电压均衡问题,文章提出一种应用双向反激DC/AC变换器的非能量耗散型均衡控制方法。串联锂离子电池中容量较高的单体能量可以通过DC/AC变换器,在时序脉冲的控制下,经过公用母线进入容量较低的单体,从而实现单体之间电压的均衡。通过对变压器副边电压的分时采集可提供单体电压遥测,避免了高共模电压条件对测量带来的影响。文章利用Multisim软件对所提出的方法的功能和性能进行了仿真分析,结果证明了其有效性。     

基于Mn3+浓度和形貌控制的高性能LiNi0.5Mn1.5O4正极材料

为了改善高电压镍锰酸锂(LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4)材料的电化学性能,提出利用退火热处理过程调控Mn~(3+)含量和材料形貌来制备LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4正极材料。LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4材料的电性能是材料结构、形貌等多因素影响的结果。退火热处理有助于Mn~(3+)氧化成Mn~(4+),实现Mn~(3+)含量调控。退火后材料的空间结构由Fd3m向P4_332转变,且具有微米级多面体形貌,有效提高了循环稳定性和放电平台。研究表明:700℃退火保温15 h合成的材料在20 C下具有118 mAh·g~(-1)放电比容量,循环100次容量保持率提高到92.8%。因此,通过优化Mn~(3+)含量、控制材料形貌可以实现高性能LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4材料制备。     

高轨道长寿命锂离子蓄电池在轨管理策略研究

锂离子蓄电池相对于氢镍蓄电池,有更高的单体电压、更高的能量质量比、热效应小、自放电小、无记忆性、模块化的优点;同时,锂离子蓄电池严禁过充放电,对电池一致性要求高;锂离子蓄电池应用于高轨道长寿命卫星上,还需满足高轨道长寿命卫星的轨道环境和寿命要求,电池的充放电管理也更为复杂。     

东方红四号卫星平台锂离子蓄电池在轨应用分析

在东方红四号卫星平台上应用锂离子电池替代传统氢镍电池,能显著减小供配电分系统的质量和体积,提高卫星平台能力。锂离子电池工作特性与氢镍电池差异较大,针对锂离子电池在东方红四号平台某卫星上首次应用,为降低应用风险,满足在轨使用要求,文章对电池热控设计、电源在轨充放电管理和均衡策略进行分析,利用SLIM(SAFT Li-ion Model)软件对锂离子电池在轨电压输出特性进行仿真,提出适应锂离子电池应用的热控措施、充放电管理方式和线性均衡管理策略,并利用某卫星在轨数据进行验证,满足了在轨使用要求,证明该锂离子电池应用方案可以在后续东方红四号卫星平台推广应用。     

小型SAR卫星用双高特性锂离子电池技术

小型合成孔径雷达(SAR)卫星对储能电池系统提出了轻量化、大功率的要求,现有的SAR卫星用电池难以满足需求,急需开发高能量高功率的锂离子电池。采用兼具容量和功率性能的镍钴铝酸锂(LiNixCoyMnzO2, NCA)作为正极活性材料,高容量中间相炭微球(MCMB)作为负极活性材料,显著提升了电池体系的容量和比能量。通过设计极片的活性物质载量和电解液用量,保证了电池功率性能(≥10 C)的发挥;通过加大电极片面积和极柱尺寸,控制了大倍率放电时电池温升。研制了兼顾高比能和高功率的锂离子电池单体,额定容量20 Ah,1 C放电比能量达到180 Wh.kg^-1,且10 C放电容量相较1 C保持率96.24%,15 C下持续放电比功率超过2 000 W.kg^-1,可以满足下一代轻小型SAR卫星能源供电需求。