一種適用於蓄電池充電的v/t曲線控制方法
2023-04-23 16:16:21 2
專利名稱：一種適用於蓄電池充電的v/t曲線控制方法
技術領域：
本發明屬於航天技術領域，涉及一種蓄電池的充電控制方法。
背景技術：
蓄電池組是衛星電源系統的重要組成部分之一，負責在地影區或光照區太陽電池陣發電不足時為整星供電，而在太陽電池陣功率富裕時被充電，為下次放電做好準備。因此，在軌蓄電池處於周期性的充放電循環過程中，長期的充放電循環後，蓄電池的性能會逐漸下降，直至不能放電，導致衛星壽命終止，因此某種意義上蓄電池的使用壽命制約著整星壽命。地面研究試驗表明，為蓄電池選擇合適的充電方式和充電控制手段，確保蓄電池組在軌良好的工作狀態，能有效延緩蓄電池性能的衰降速度，延長蓄電池的使用壽命。V/T曲線充電控制技術是目前星上鎘鎳或氫鎳蓄電池普遍採用的充電控制方法，具有成熟可靠、性能穩定的優點。它是在一定的蓄電池溫度和充電電流下，將蓄電池的充電電壓作為蓄電池是否充滿的標誌，但由於蓄電池電壓與溫度相關，所以作為控制充電終止的電壓不是一個固定值，而是一條電壓對溫度的函數關係曲線，即V/T曲線。為了保證整個壽命期間蓄電池組在不同性能狀態下以及有個別單體失效情況下的使用要求，通常不只設立一條V/T曲線而是採用多條V/T曲線可供選擇。溫度越高，所對應的充電終止電壓越低。目前在軌衛星的電源系統，所採用的V/T曲線控制方法均是由硬體實現的，用模擬電路按照蓄電池地面試驗標定的V/T曲線進行模擬，為了滿足可靠性要求，通常採用3套V/T曲線模擬電路，結果通過3比2表決電路後，輸出最終的控制信號終止蓄電池組的充電。由於V/T曲線控制採用的是模擬電路技術，因此器件多、調試點多、準確度差、不能在軌修改，並且增加了電源控制器的體積、重量，若實現V/T曲線的在軌選擇還需要增加相應的遙測參數和遙控指令需求。另外，雖然採取了 3比2表決的可靠性設計，但若採集到的3路鉬電阻中有2路以上出現開路，將出現不能正常充電的現象，仍會影響電源系統的可靠性和壽命。另外，地面試驗數據表明，蓄電池V/T曲線在全溫度範圍內不是標準的直線，在蓄電池溫度的低端和高端，曲線斜率有明顯不同。而用模擬電路只能模擬出近似的直線，不能兼顧蓄電池全溫度範圍內V/T曲線的準確性，因此，在蓄電池溫度超出正常範圍時，用硬體V/T曲線控制就不夠準確，容易造成蓄電池欠充或過充，過充電嚴重時會引起蓄電池熱失控，影響蓄電池組的使用壽命。
發明內容
本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供了一種可在蓄電池在軌工作的全溫度範圍內靈活、準確控制蓄電池充電的V/T曲線控制方法。本發明的技術解決方案是一種適用於蓄電池充電的V/T曲線控制方法，步驟如下(1)將蓄電池組的在軌工作溫度範圍進行區間劃分，每一個溫度區間內的蓄電池組V/T曲線均採用一次函數擬合，由此形成蓄電池組的電壓V和溫度T的映射關係，其中在發生n只單體電池開路失效時,將蓄電池組的電壓擬合為V = (a * T+b) (1-n/m) +2. 3n,在發生n只單體電池短路失效時,將蓄電池組的電壓擬合為V = (a -k T+b) -k (1-n/m), a和b為實數,當蓄電池組的溫度採集失效時，a = O、b = I. 5m, m為組成蓄電池組的串聯單體電池數量；所述的蓄電池組V/T曲線包括I階段大電流曲線和2階段小電流曲線；(2)設置用於作為充電調節電路的DA電平和MEA電平，所述的DA電平包括O、二檔值、一檔值和最高值四種電壓值，初始狀態為最高值，所述的MEA電平由實時採樣的衛星母線電壓轉換得到；設置I階段大電流充電終止電平和2階段小電流充電終止電平2個標誌，2個標誌的初始值均為0 ;設置蓄電池過溫保護門限值； (3)實時採集蓄電池組的溫度、放電電流和電壓，當採集到的蓄電池組溫度超過蓄電池過溫保護門限值時，強制執行蓄電池充電終止，同時設置DA電平為OV ;當採集到的蓄電池組溫度未超過蓄電池過溫保護門限值時，若採集到的蓄電池組放電電流> 0. 5A時，將I階段大電流充電終止電平和2階段小電流充電終止電平均置為0 ;若採集到的蓄電池組放電電流< 0. 5A時，開始對蓄電池組充電；(4)開始充電後，設置DA電平為一檔值，根據實際工作溫度所在的溫度區間，首先按照I階段大電流一次函數關係式計算得到蓄電池組的I階段充電終止電壓Vl_，當實時採集的蓄電池組電壓大於Vl_，將I階段大電流充電終止電平置為1，同時設置DA電平為二檔值，然後按照2階段小電流一次函數關係式計算得到蓄電池組的2階段充電終止電壓V2_，當實時採集的蓄電池組電壓大於V2_，將2階段小電流充電終止電平置為1，同時設置DA電平為0 ;(5)在蓄電池組的充電過程中，將MEA電平和DA電平中較低的電平作為充電調節電路的基準電平，如果DA電平較低，則按DA電平的設定值輸出相應的恆流充電電流，如果MEA電平較低，則根據太陽電池陣的輸出功率能力來輸出相應的電流為蓄電池組充電。所述的蓄電池組的工作溫度通過四個熱敏電阻進行採集，取四個溫度值中中間的兩個溫度值的算術平均值作為蓄電池組的工作溫度值。所述的a和b的值在地面確定後，通過數據上注的方式傳遞給星載計算機進行計
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o所述的a和b的值、蓄電池單體的開路或短路失效只數n、蓄電池過溫保護門限值均分三處進行存儲，在使用時進行三取二比對確定。本發明與現有技術相比的優點在於本發明首次提出一種用於蓄電池充電控制的精確、智能化的V/T曲線控制方法，針對蓄電池可能出現的開路或短路失效模式，建立了 V/T曲線的數學模型，根據蓄電池在軌的實際使用情況設計了控制方法，驅動電源下位機DA輸出作為充電電流調節電路的基準信號，實現了充電電流控制的目的。該方法由於使用計算機控制，V/T曲線的模型參數可在軌上注調整，實現了在蓄電池的不同溫度區間或性能變化時精確的充電控制，比傳統的硬體V/T曲線控制方式具有更靈活、更準確、佔用資源更少的優點，在蓄電池在軌可能的全溫度範圍內均具有良好的應用價值，對延長蓄電池的使用壽命乃至衛星的壽命具有重要意義。
圖I為本發明保護二極體與單體電池並聯電路圖；圖2為本發明V/T曲線控制流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行進一步說明
一、蓄電池組充電電壓模型根據實測數據擬合，V/T曲線的數學模型為一次函數數學模型，即V = a * T+b，a和b為實數，V和T分別為電壓和溫度。近似情況下，將(a，b)作為一個數組，在不同的溫度區間，(a，b)的取值不同，該種情況是假設在某一小段溫度區間內V/T曲線呈線性關係。如圖I所示，蓄電池組由多隻單體電池(m只)串聯組成，為防止單體電池開路失效引起的整組電池斷電，每隻單體電池均並聯一個保護二級管組件。一旦其中一隻單體電池發生開路失效時，它可以提供旁路，保證電池組繼續為整星供電和充電。該旁路二極體組件在蓄電池的充電迴路上為3隻二極體串聯，3隻二極體串聯的壓降和為2. 3V，大於單只電池的最高充電電壓I. 6V，確保在電池無開路時，充電電流不經旁路二極體；在蓄電池的放電迴路上，為單只二極體。故在發生n只單體電池開路失效時，蓄電池組的充電電壓模型為
V= (a * T+b) * (l-n/m)+2. 3n，其中2. 3為充電迴路上3隻二極體的壓降和；在發生n只單體電池短路失效時，蓄電池組的充電電壓模型為V = (a ~k T+b) ~k (1-n/m)。在溫度採樣失效情況下，(a、b)取值為(0，I. 5m)，按單體充電終壓為I. 5V控制充電。通過上述的V/T曲線一次函數數學模型，即可計算出在不同的溫度下，蓄電池的充電終止電壓。二、V/T曲線控制為了提高蓄電池的充電效率，蓄電池V/T曲線充電一般為兩階段充電，對應的V/T曲線有二組，即I階段大電流曲線和2階段小電流曲線。電源下位機以固定時間間隔採樣蓄電池組放電電流、蓄電池組電壓和蓄電池組溫度，每隔一定時間(如2秒鐘)根據蓄電池組的放電電流判斷是否允許充電，若允許充電，則根據電池當前的溫度進行公式計算，得到I階段充電終止電壓或2階段充電終止電壓，當實測的蓄電池組電壓超過I階段充電終止電壓時，將蓄電池充電由大電流轉為小電流；當實測的蓄電池組電壓超過2階段充電終止電壓時，停止充電。蓄電池充電由大電流轉為小電流或由小電流轉為停止是靠改變電源下位機的DA輸出電平來實現的，DA輸出電平作為硬體充電電流調節電路的基準信號，通過閉環反饋電路的調節，使充電電流達到設定的基準值，實現2階段恆流充電。V/T曲線控制使用蓄電池控溫用的四個熱敏電阻進行溫度採集，算法採用對四個溫度值取中間兩值進行算術平均，若溫度已經高於蓄電池溫度允許的上限時，進入蓄電池過溫保護，停止充電。如圖2所示，為本發明V/T曲線控制方法的流程圖，典型的V/T曲線控制過程如下電源下位機中設置二個用於V/T曲線控制的狀態標誌位，即I階段充電終止電平和2階段充電終止電平，這兩個狀態標誌為0時，表示可以進行I階段或2階段充電；這兩個狀態標誌為I時，表示I階段或2階段充電終止。在初始化時，將兩個狀態標誌位置0，DA輸出置為高電平5V，不進行充電電流控制；在檢測到放電電流大於0. 5A時，也將兩個狀態標誌位置0，表示充電解鎖，可以充電；在滿足充電轉階段條件和充電終止條件時，先後將兩個狀態標誌位置1，表示I階段和2階段充電終止，且鎖定終止狀態。在放電電流小於0. 5A且2階段充電終止電平為0時，即可進行V/T曲線充電，預置DA輸出(充電電流設定電平)為一檔(如2. 38V)，即以大電流充電。充電時以固定時間間隔採樣蓄電池溫度和蓄電池電壓，每隔一定時間(如2秒鐘)根據電池當前的溫度進行公式計算，得到I階段充電終止電壓或2階段充電終止電壓，然後進行充電終止條件判斷
當實測的蓄電池組電壓超過I階段充電終止電壓時，進行以下操作將I階段充電終止電平置為I ;預置DA輸出(充電電流設定電平)為二檔(如2. 2V)，即以小電流充電。當實測的蓄電池組電壓超過2階段充電終止電壓時，進行以下操作將2階段充電終止電平置為I ;預置DA輸出(充電電流設定電平)為0，停止充電。三、兩階段恆流充電方式蓄電池充電電流由掛接在母線上的充電調節器BCR提供，BCR為一個利用脈寬調製信號控制的降壓型開關電源，其充電電流基準為電源下位機DA輸出電平和主誤差放大信號MEA，MEA電平是母線電壓與基準電壓的差值，反映母線電壓的高低。在這2個基準電平中，較低的電平起控制作用。在太陽電池陣輸出功率較富餘，除滿足負載和蓄電池充電功率需求外仍有多餘的功率需要被分流時，母線電壓較高，MEA電壓也相應較高，此時DA電平起控制作用，即充電電流調節的基準為DA電平。採樣充電電流，通過信號處理後，與作為基準的DA電平比較，若低於DA電平，表明充電電流過小，輸出控制信號增加功率調整管的導通時間，充電電流增加；若高於DA電平，表明充電電流過大，輸出控制信號減小功率調整管的導通時間，充電電流減小，最終使充電電流達到DA電平設定值，因此，通過改變DA的設定值，即可改變充電電流，實現兩階段恆流充電。在太陽電池陣輸出功率不能完全滿足負載和蓄電池充電的功率需求時，母線電壓降低，MEA電壓也相應降低，在低於DA電平時，表明太陽電池陣沒有足夠的功率按設定的DA電平提供充電電流，充電電流調節的基準為MEA電平，調節方式與上述相同，最終使充電電流大小達到MEA電平設定值；在太陽電池陣輸出功率不能滿足負載需求時，母線電壓繼續降低，MEA電壓也繼續降低，自動啟動放電調節器，由蓄電池放電補充不足的功率，此時蓄電池充電電流降為O。四、參數上注兩階段V/T曲線的不同溫度區間的模型參數(a，b)、蓄電池單體的開路或短路失效只數以及蓄電池過溫保護門限均可以在軌上注。可以根據電池組在軌的實際情況如蓄電池性能的衰降情況或單體電池開路或短路失效情況等修正模型參數，以提高控制的精度。(a, b)分別為雙字節變量，蓄電池單體的開路或短路失效只數和蓄電池過溫保護門限為單字節變量，以此確保V/T曲線的控制精度不低於電壓採樣的精度。五、可靠性設計對於不能被經常刷新的重要控制參數，如不同溫度區間的曲線參數(a，b)、蓄電池單體的開路或短路失效只數、蓄電池過溫保護門限值等均分3處存儲，使用時進行3取2比對；對實時採集的蓄電池組放電電流、蓄電池組電壓和溫度均進行算術濾波處理來提高控制的可靠性和準確性。另外，計算機設計為雙機冷備份，並具有自主切機功能，在主份計算機不能正常運行時可自主切至備 份計算機，確保V/T曲線控制的連續性和有效性。本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
權利要求
1.一種適用於蓄電池充電的v/τ曲線控制方法，其特徵在於步驟如下 (1)將蓄電池組的在軌工作溫度範圍進行區間劃分，每一個溫度區間內的蓄電池組V/T曲線均採用一次函數擬合，由此形成蓄電池組的電壓V和溫度T的映射關係，其中在發生η只單體電池開路失效時,將蓄電池組的電壓擬合為V = (a * T+b) (l_n/m)+2. 3n,在發生n只單體電池短路失效時,將蓄電池組的電壓擬合為V = (a * T+b) * (1-n/m), a和b為實數，當蓄電池組的溫度採集失效時，a = O、b = I. 5m，m為組成蓄電池組的串聯單體電池數量；所述的蓄電池組V/T曲線包括I階段大電流曲線和2階段小電流曲線； (2)設置用於作為充電調節電路的DA電平和MEA電平，所述的DA電平包括O、二檔值、一檔值和最高值四種電壓值，初始狀態為最高值，所述的MEA電平由實時採樣的衛星母線電壓轉換得到；設置I階段大電流充電終止電平和2階段小電流充電終止電平2個標誌，2個標誌的初始值均為O ;設置蓄電池過溫保護門限值； (3)實時採集蓄電池組的溫度、放電電流和電壓，當採集到的蓄電池組溫度超過蓄電池過溫保護門限值時，強制執行蓄電池充電終止，同時設置DA電平為OV ;當採集到的蓄電池組溫度未超過蓄電池過溫保護門限值時，若採集到的蓄電池組放電電流> O. 5A時，將I階段大電流充電終止電平和2階段小電流充電終止電平均置為O ;若採集到的蓄電池組放電電流< O. 5A時，開始對蓄電池組充電； (4)開始充電後，設置DA電平為一檔值，根據實際工作溫度所在的溫度區間，首先按照I階段大電流一次函數關係式計算得到蓄電池組的I階段充電終止電壓Vimax,當實時採集的蓄電池組電壓大於Vlmax，將I階段大電流充電終止電平置為1，同時設置DA電平為二檔值，然後按照2階段小電流一次函數關係式計算得到蓄電池組的2階段充電終止電壓V2max，當實時採集的蓄電池組電壓大於V2max，將2階段小電流充電終止電平置為I，同時設置DA電平為O ; (5)在蓄電池組的充電過程中，將MEA電平和DA電平中較低的電平作為充電調節電路的基準電平，如果DA電平較低，則按DA電平的設定值輸出相應的恆流充電電流，如果MEA電平較低，則根據太陽電池陣的輸出功率能力來輸出相應的電流為蓄電池組充電。
2.根據權利要求I所述的一種適用於蓄電池充電的V/T曲線控制方法，其特徵在於所述的蓄電池組的工作溫度通過四個熱敏電阻進行採集，取四個溫度值中中間的兩個溫度值的算術平均值作為蓄電池組的工作溫度值。
3.根據權利要求I所述的一種適用於蓄電池充電的V/T曲線控制方法，其特徵在於所述的a和b的值在地面確定後，通過數據上注的方式傳遞給星載計算機進行計算。
4.根據權利要求I所述的一種適用於蓄電池充電的V/T曲線控制方法，其特徵在於所述的a和b的值、蓄電池單體的開路或短路失效只數η、蓄電池過溫保護門限值均分三處進行存儲，在使用時進行三取二比對確定。
全文摘要
一種適用於蓄電池充電的V/T曲線控制方法，針對蓄電池可能出現的開路或短路失效模式，建立了V/T曲線的一次函數數學模型，根據蓄電池在軌的實際使用情況設計了兩階段充電控制方法，驅動電源下位機DA輸出作為充電電流調節電路的基準信號，實現了充電轉階段控制和充電終止控制的目的。通過計算機控制，V/T曲線的模型參數可在軌上注調整，實現了在蓄電池的不同溫度區間或性能變化時精確的充電控制，比傳統的基於硬體模擬電路實現的V/T曲線控制方式更靈活、更準確、佔用資源更少，在蓄電池在軌可能的全溫度範圍內均具有良好的應用價值。
文檔編號H02J7/00GK102624039SQ20111019479
公開日2012年8月1日 申請日期2011年7月12日 優先權日2011年7月12日
發明者侯偉, 劉元默, 李志壯, 鄢婉娟 申請人:航天東方紅衛星有限公司