簡述新型空間鋰電池快速充電方法

為克服傳統(tǒng)大功率微波遙感類衛(wèi)星“恒流轉(zhuǎn)恒壓”策略單一、充電時間漫長等缺點，文章基于馬斯三定律提出了一種旨在去極化、加快充電進程的新型空間鋰電池快速充電策略，即在一個充電周期內(nèi)，采用多階分段恒流充電并加入固定門限的短時放電，該方法可提高鋰電池可允許充電電流并且不降低電池循環(huán)壽命。在MATLAB／SIMULINK軟件中搭建基于太陽電池陣順序開關(guān)分流的一次母線電壓不調(diào)節(jié)電源系統(tǒng)仿真模型，并進行了實例仿真與對比分析。結(jié)果表明，采用快速充電策略可節(jié)省充電時間56以上，并且可有效消除充電極化。文章的研究結(jié)果可為未來在軌對鋰電池進行多模式充電控制提供新的思路。

鋰電池因具備比能量高、熱效應(yīng)小、無記憶效應(yīng)等特點，逐步成為繼鎘鎳電池、氫鎳電池之后的第三代空間儲能電源。鋰電池的循環(huán)壽命是影響航天器在軌使用壽命的重要因素，其性能及使用壽命與充電方法有密切關(guān)系。傳統(tǒng)觀點認為，大電流充電會對蓄電池正極活性物質(zhì)造成不可修復(fù)的損害，還會導(dǎo)致板柵腐蝕、析氣等，使電池過早失效，因此，目前通常采用保守方法，在選擇充電曲線時以較小固定值進行恒流充電，以小倍率充電換取較長的循環(huán)壽命。然而在實際衛(wèi)星有效載荷使用中，以微波類載荷為例，經(jīng)常面臨功耗大、工作時間長導(dǎo)致一個“地影一光照”軌道周期內(nèi)蓄電池充放電不平衡，或者衛(wèi)星在經(jīng)歷一次緊急任務(wù)、蓄電池深度放電后需快速充滿電等情況，迫切需要尋找一種充電效率高、充電時間短并對蓄電池使用壽命影響小的快速充電方法。目前，鋰電池快速充電在地面電動汽車等新能源領(lǐng)域研究較多，文獻對車載蓄電池快速充電方法及地面快速充電站設(shè)計等進行了研究，其成果可予以借鑒。

本文首先對鋰電池快速充電基本理論進行介紹，結(jié)合較為成熟的空間順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)器(Se—quentialSwitchingShuntRegulator，S3R)型不調(diào)節(jié)母線電源系統(tǒng)拓撲，對鋰電池的快速充電方法進行研究，最后給出了仿真與驗證結(jié)果。

本文將地面電動汽車的鋰電池快速充電策略引入航天領(lǐng)域，基于馬斯三定律，提出了一種新型空間鋰電池快速充電方法，即在一個充電周期內(nèi)采用多階分段“恒流”充電并加入固定電流門限的短暫放電。在MATLAB/SIMULINK中搭建S3R型不調(diào)節(jié)母線電源系統(tǒng)仿真模型，分別對傳統(tǒng)鋰電池“恒流轉(zhuǎn)恒壓”充電策略及本文所提出的快速充電策略進行了實例仿真與對比分析。仿真結(jié)果表明，采用快速充電策略可節(jié)省充電時間56以上，可大大縮短充電進程，從而驗證了該快速充電策略的正確性。需要特別指出的是，目前多數(shù)航天器負載比較穩(wěn)定，在軌一般不需要采用快速充電策略。但是，對于具有短期大功率負載應(yīng)用需求的航天器，如配備合成孔徑特種(SAR)載荷的衛(wèi)星等，采用快速充電策略可同比增加SAR載荷開機次數(shù)、延長其工作時問，從而具備更好的為用戶提供服務(wù)的能力。未來衛(wèi)星載荷正朝著大功率、多樣化方向發(fā)展，本文所提出的快速充電方法，可為航天器在軌對鋰電池進行多模式充電控制提供新的思路。