3. 蓄电池组储能状态与健康管理
蓄电池组是航天器在阴影区、峰值负载和故障工况下的核心能量缓冲。与地面储能不同，航天器电池长期处于高可靠、宽温度、浅充浅放或深度循环交替的复杂工况，因此“还剩多少电”（SOC）、“还能用多久”（SOH）、“现在能不能大电流充放”（约束）和“会不会热失控”（安全）必须被统一建模。本节围绕锂离子电池的等效电路、SOC/SOH估计、充放电约束、热安全与寿命衰减五个相互耦合的环节展开。
一、锂离子电池等效电路：从物理量到可计算模型
工程上最常用的是一阶RC等效电路模型。它把电池端电压分解为开路电压、欧姆压降和极化压降三部分：
U(t) = OCV(SOC,T) − I(t)·R0 − U_RC(t)
dU_RC/dt = −U_RC/(R1·C1) + I(t)/C1其中 OCV(SOC,T) 是随SOC和温度变化的开路电压，R0 为欧姆内阻，R1、C1 描述电荷转移与扩散引起的极化。充电时电流 I 取正，放电取负，端电压随之在OCV上下偏移。OCV-SOC曲线通常通过小电流充放电或脉冲静置实验获得，是SOC估计的“标尺”。
参数并非恒定：R0 随温度降低而显著增大，随SOH下降而增大；R1、C1 也随SOC和温度变化。因此实际BMS中常建立二维参数表（SOC×温度），运行时插值调用。若只做趋势分析，可先用25℃下的标称参数，再叠加温度修正因子。
二、SOC估计：安时积分与模型校正的融合
SOC定义为剩余可用容量与当前最大可用容量之比。最直接的方法是安时积分：
SOC(k) = SOC(k−1) − η·I(k)·Δt / Q_rated其中 η 为库仑效率（充电约0.99，放电约1.0），Q_rated 为额定容量。安时积分短期平滑，但会因电流采样偏差和容量衰减产生累积误差。工程上采用扩展卡尔曼滤波（EKF）：以SOC和 U_RC 为状态量，用端电压作为观测量，通过等效电路预测电压并与实测电压比较，持续修正SOC。EKF能在动态工况下把SOC误差控制在3%以内，但依赖OCV曲线和参数准确性。
对于航天器常见的“长时间恒流放电+短时脉冲负载”，可先用安时积分给出初值，再在静置或小电流段用OCV查表校正，兼顾实时性与长期精度。
三、SOH估计：容量衰减与内阻增长
SOH通常用两个指标表征：容量保持率（当前最大可用容量/额定容量）和内阻增长率（当前R0/初始R0）。容量保持率低于80%一般视为寿命终止。SOH估计的难点在于航天器很少做满充满放，难以直接测容量。可行方法包括：
- 充电电量法：在已知SOC区间内积分充电电量，结合SOC变化反推当前容量；
- 内阻跟踪法：用脉冲负载下的电压跌落除以电流变化估算R0，长期趋势反映老化；
- 模型参数辨识：用递推最小二乘在线辨识R0、R1，与初始值比较得到SOH。
实际中常将容量保持率与内阻增长率加权融合，形成综合SOH，用于剩余循环寿命预测和充放电限流策略调整。
四、充放电约束：电压、电流与温度的三重边界
锂离子电池的安全与寿命高度依赖约束边界。充电通常采用恒流-恒压（CC-CV）：先以不超过 0.5C~1C 的电流充电至单体电压上限（如4.2V），再恒压充电至电流降至 0.05C。放电截止电压一般不低于2.8V~3.0V。温度方面，充电允许范围约0℃~45℃，放电约−20℃~60℃，低温下需降流，高温下需限功率。
BMS需实时计算当前允许的最大充电电流和最大放电电流，取电压、电流、温度、SOC四者约束的交集。例如某18650单体在0℃时最大充电电流仅为0.1C，而在25℃可达1C。若忽略温度约束，低温大电流充电会引发锂枝晶，造成永久容量损失甚至内短路。
五、热安全与寿命衰减建模
锂离子电池的产热主要来自欧姆热 I²R0、极化热和熵变热。在真空环境中，散热主要靠传导和辐射，因此电池组的热设计必须保证单体间温差小于3℃~5℃。热模型常用集总参数法：
C_th·dT/dt = I²·R0 + I·U_RC − (T − T_amb)/R_th其中 C_th 为热容，R_th 为热阻。当温度超过安全阈值（如60℃）时，BMS应降功率或切断充放电。热失控的诱因包括内短路、过充、外部高温和机械损伤，其链式反应为：温度升高→SEI膜分解→负极与电解液反应→隔膜熔融→正极分解→大量产热产气。因此热安全策略必须包含多级阈值：预警（45℃降流）、保护（55℃限功率）、切断（60℃断开继电器）。
寿命衰减通常用Arrhenius温度加速模型与循环次数累积模型叠加：
Q_loss = A·exp(−Ea/(R·T))·(C_rate)^n·t^z + B·N_cycle其中 Ea 为活化能，C_rate 为充放电倍率，N_cycle 为等效循环次数。高温、大倍率、深放电都会加速衰减。工程上常把不同SOC区间和温度下的循环折算为“等效全循环”，用于剩余寿命预测。
六、工程落地要点
把上述模型落到航天器BMS中，需要关注三点：第一，参数标定——OCV-SOC曲线、R0/R1温度表、热阻热容必须通过地面试验获取，并在飞行中定期用遥测数据修正；第二，计算资源分配——EKF和参数辨识不宜全部实时运行，可按“安时积分实时、EKF周期校正、SOH离线辨识”分层调度；第三，安全优先级——任何估计结果都不能覆盖硬阈值保护，电压、温度、电流的硬件比较器应独立于软件逻辑。
综上，蓄电池组的状态管理不是单一算法，而是“等效电路—SOC/SOH—约束—热—寿命”的闭环。等效电路提供电压预测，SOC/SOH给出当前状态，约束决定可用功率，热与寿命模型反过来修正参数和限值。只有把这条链路打通，才能在航天器长寿命、高可靠的约束下，既用足电池能力，又守住安全边界。