專利名稱：一種適用于蓄電池充電的v/t曲線控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種蓄電池的充電控制方法。
背景技術(shù)：
蓄電池組是衛(wèi)星電源系統(tǒng)的重要組成部分之一，負責在地影區(qū)或光照區(qū)太陽電池陣發(fā)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，在軌蓄電池處于周期性的充放電循環(huán)過程中，長期的充放電循環(huán)后，蓄電池的性能會逐漸下降，直至不能放電，導(dǎo)致衛(wèi)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(tài)，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(shù)是目前星上鎘鎳或氫鎳蓄電池普遍采用的充電控制方法，具有成熟可靠、性能穩(wěn)定的優(yōu)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志，但由于蓄電池電壓與溫度相關(guān)，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(shù)關(guān)系曲線，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(tài)下以及有個別單體失效情況下的使用要求，通常不只設(shè)立一條V/T曲線而是采用多條V/T曲線可供選擇。溫度越高，所對應(yīng)的充電終止電壓越低。目前在軌衛(wèi)星的電源系統(tǒng)，所采用的V/T曲線控制方法均是由硬件實現(xiàn)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，通常采用3套V/T曲線模擬電路，結(jié)果通過3比2表決電路后，輸出最終的控制信號終止蓄電池組的充電。由于V/T曲線控制采用的是模擬電路技術(shù)，因此器件多、調(diào)試點多、準確度差、不能在軌修改，并且增加了電源控制器的體積、重量，若實現(xiàn)V/T曲線的在軌選擇還需要增加相應(yīng)的遙測參數(shù)和遙控指令需求。另外，雖然采取了 3比2表決的可靠性設(shè)計，但若采集到的3路鉬電阻中有2路以上出現(xiàn)開路，將出現(xiàn)不能正常充電的現(xiàn)象，仍會影響電源系統(tǒng)的可靠性和壽命。另外，地面試驗數(shù)據(jù)表明，蓄電池V/T曲線在全溫度范圍內(nèi)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范圍內(nèi)V/T曲線的準確性，因此，在蓄電池溫度超出正常范圍時，用硬件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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種可在蓄電池在軌工作的全溫度范圍內(nèi)靈活、準確控制蓄電池充電的V/T曲線控制方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種適用于蓄電池充電的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范圍進行區(qū)間劃分，每一個溫度區(qū)間內(nèi)的蓄電池組V/T曲線均采用一次函數(shù)擬合，由此形成蓄電池組的電壓V和溫度T的映射關(guān)系，其中在發(fā)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(fā)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(shù),當蓄電池組的溫度采集失效時，a = O、b = I. 5m, m為組成蓄電池組的串聯(lián)單體電池數(shù)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(shè)置用于作為充電調(diào)節(jié)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(tài)為最高值，所述的MEA電平由實時采樣的衛(wèi)星母線電壓轉(zhuǎn)換得到；設(shè)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個標志，2個標志的初始值均為0 ;設(shè)置蓄電池過溫保護門限值； (3)實時采集蓄電池組的溫度、放電電流和電壓，當采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(zhí)行蓄電池充電終止，同時設(shè)置DA電平為OV ;當采集到的蓄電池組溫度未超過蓄電池過溫保護門限值時，若采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 ;若采集到的蓄電池組放電電流< 0. 5A時，開始對蓄電池組充電；(4)開始充電后，設(shè)置DA電平為一檔值，根據(jù)實際工作溫度所在的溫度區(qū)間，首先按照I階段大電流一次函數(shù)關(guān)系式計算得到蓄電池組的I階段充電終止電壓Vl_，當實時采集的蓄電池組電壓大于Vl_，將I階段大電流充電終止電平置為1，同時設(shè)置DA電平為二檔值，然后按照2階段小電流一次函數(shù)關(guān)系式計算得到蓄電池組的2階段充電終止電壓V2_，當實時采集的蓄電池組電壓大于V2_，將2階段小電流充電終止電平置為1，同時設(shè)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(diào)節(jié)電路的基準電平，如果DA電平較低，則按DA電平的設(shè)定值輸出相應(yīng)的恒流充電電流，如果MEA電平較低，則根據(jù)太陽電池陣的輸出功率能力來輸出相應(yīng)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采集，取四個溫度值中中間的兩個溫度值的算術(shù)平均值作為蓄電池組的工作溫度值。所述的a和b的值在地面確定后，通過數(shù)據(jù)上注的方式傳遞給星載計算機進行計
笪
o所述的a和b的值、蓄電池單體的開路或短路失效只數(shù)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(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于本發(fā)明首次提出一種用于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(xiàn)的開路或短路失效模式，建立了 V/T曲線的數(shù)學模型，根據(jù)蓄電池在軌的實際使用情況設(shè)計了控制方法，驅(qū)動電源下位機DA輸出作為充電電流調(diào)節(jié)電路的基準信號，實現(xiàn)了充電電流控制的目的。該方法由于使用計算機控制，V/T曲線的模型參數(shù)可在軌上注調(diào)整，實現(xiàn)了在蓄電池的不同溫度區(qū)間或性能變化時精確的充電控制，比傳統(tǒng)的硬件V/T曲線控制方式具有更靈活、更準確、占用資源更少的優(yōu)點，在蓄電池在軌可能的全溫度范圍內(nèi)均具有良好的應(yīng)用價值，對延長蓄電池的使用壽命乃至衛(wèi)星的壽命具有重要意義。


圖I為本發(fā)明保護二極管與單體電池并聯(lián)電路圖；圖2為本發(fā)明V/T曲線控制流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步說明
一、蓄電池組充電電壓模型根據(jù)實測數(shù)據(jù)擬合，V/T曲線的數(shù)學模型為一次函數(shù)數(shù)學模型，即V = a * T+b，a和b為實數(shù)，V和T分別為電壓和溫度。近似情況下，將(a，b)作為一個數(shù)組，在不同的溫度區(qū)間，(a，b)的取值不同，該種情況是假設(shè)在某一小段溫度區(qū)間內(nèi)V/T曲線呈線性關(guān)系。如圖I所示，蓄電池組由多只單體電池(m只)串聯(lián)組成，為防止單體電池開路失效引起的整組電池斷電，每只單體電池均并聯(lián)一個保護二級管組件。一旦其中一只單體電池發(fā)生開路失效時，它可以提供旁路，保證電池組繼續(xù)為整星供電和充電。該旁路二極管組件在蓄電池的充電回路上為3只二極管串聯(lián)，3只二極管串聯(lián)的壓降和為2. 3V，大于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(jīng)旁路二極管；在蓄電池的放電回路上，為單只二極管。故在發(fā)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為充電回路上3只二極管的壓降和；在發(fā)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)。在溫度采樣失效情況下，(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(shù)數(shù)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(yīng)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采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(jù)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(jù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)為小電流或由小電流轉(zhuǎn)為停止是靠改變電源下位機的DA輸出電平來實現(xiàn)的，DA輸出電平作為硬件充電電流調(diào)節(jié)電路的基準信號，通過閉環(huán)反饋電路的調(diào)節(jié)，使充電電流達到設(shè)定的基準值，實現(xiàn)2階段恒流充電。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采集，算法采用對四個溫度值取中間兩值進行算術(shù)平均，若溫度已經(jīng)高于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(fā)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(shè)置二個用于V/T曲線控制的狀態(tài)標志位，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(tài)標志為0時，表示可以進行I階段或2階段充電；這兩個狀態(tài)標志為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(tài)標志位置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于0. 5A時，也將兩個狀態(tài)標志位置0，表示充電解鎖，可以充電；在滿足充電轉(zhuǎn)階段條件和充電終止條件時，先后將兩個狀態(tài)標志位置1，表示I階段和2階段充電終止，且鎖定終止狀態(tài)。在放電電流小于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(yù)置DA輸出(充電電流設(shè)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采樣蓄電池溫度和蓄電池電壓，每隔一定時間(如2秒鐘)根據(jù)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，然后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(yù)置DA輸出(充電電流設(shè)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(yù)置DA輸出(充電電流設(shè)定電平)為0，停止充電。三、兩階段恒流充電方式蓄電池充電電流由掛接在母線上的充電調(diào)節(jié)器BCR提供，BCR為一個利用脈寬調(diào)制信號控制的降壓型開關(guān)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余，除滿足負載和蓄電池充電功率需求外仍有多余的功率需要被分流時，母線電壓較高，MEA電壓也相應(yīng)較高，此時DA電平起控制作用，即充電電流調(diào)節(jié)的基準為DA電平。采樣充電電流，通過信號處理后，與作為基準的DA電平比較，若低于DA電平，表明充電電流過小，輸出控制信號增加功率調(diào)整管的導(dǎo)通時間，充電電流增加；若高于DA電平，表明充電電流過大，輸出控制信號減小功率調(diào)整管的導(dǎo)通時間，充電電流減小，最終使充電電流達到DA電平設(shè)定值，因此，通過改變DA的設(shè)定值，即可改變充電電流，實現(xiàn)兩階段恒流充電。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(yīng)降低，在低于DA電平時，表明太陽電池陣沒有足夠的功率按設(shè)定的DA電平提供充電電流，充電電流調(diào)節(jié)的基準為MEA電平，調(diào)節(jié)方式與上述相同，最終使充電電流大小達到MEA電平設(shè)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(xù)降低，MEA電壓也繼續(xù)降低，自動啟動放電調(diào)節(jié)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(shù)上注兩階段V/T曲線的不同溫度區(qū)間的模型參數(shù)(a，b)、蓄電池單體的開路或短路失效只數(shù)以及蓄電池過溫保護門限均可以在軌上注?？梢愿鶕?jù)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(shù)，以提高控制的精度。(a, b)分別為雙字節(jié)變量，蓄電池單體的開路或短路失效只數(shù)和蓄電池過溫保護門限為單字節(jié)變量，以此確保V/T曲線的控制精度不低于電壓采樣的精度。五、可靠性設(shè)計對于不能被經(jīng)常刷新的重要控制參數(shù)，如不同溫度區(qū)間的曲線參數(shù)(a，b)、蓄電池單體的開路或短路失效只數(shù)、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；對實時采集的蓄電池組放電電流、蓄電池組電壓和溫度均進行算術(shù)濾波處理來提高控制的可靠性和準確性。另外，計算機設(shè)計為雙機冷備份，并具有自主切機功能，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(xù)性和有效性。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種適用于蓄電池充電的v/τ曲線控制方法，其特征在于步驟如下 (1)將蓄電池組的在軌工作溫度范圍進行區(qū)間劃分，每一個溫度區(qū)間內(nèi)的蓄電池組V/T曲線均采用一次函數(shù)擬合，由此形成蓄電池組的電壓V和溫度T的映射關(guān)系，其中在發(fā)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(fā)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(shù)，當蓄電池組的溫度采集失效時，a = O、b = I. 5m，m為組成蓄電池組的串聯(lián)單體電池數(shù)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(shè)置用于作為充電調(diào)節(jié)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(tài)為最高值，所述的MEA電平由實時采樣的衛(wèi)星母線電壓轉(zhuǎn)換得到；設(shè)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個標志，2個標志的初始值均為O ;設(shè)置蓄電池過溫保護門限值； (3)實時采集蓄電池組的溫度、放電電流和電壓，當采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(zhí)行蓄電池充電終止，同時設(shè)置DA電平為OV ;當采集到的蓄電池組溫度未超過蓄電池過溫保護門限值時，若采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 ;若采集到的蓄電池組放電電流< O. 5A時，開始對蓄電池組充電； (4)開始充電后，設(shè)置DA電平為一檔值，根據(jù)實際工作溫度所在的溫度區(qū)間，首先按照I階段大電流一次函數(shù)關(guān)系式計算得到蓄電池組的I階段充電終止電壓Vimax,當實時采集的蓄電池組電壓大于Vlmax，將I階段大電流充電終止電平置為1，同時設(shè)置DA電平為二檔值，然后按照2階段小電流一次函數(shù)關(guān)系式計算得到蓄電池組的2階段充電終止電壓V2max，當實時采集的蓄電池組電壓大于V2max，將2階段小電流充電終止電平置為I，同時設(shè)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(diào)節(jié)電路的基準電平，如果DA電平較低，則按DA電平的設(shè)定值輸出相應(yīng)的恒流充電電流，如果MEA電平較低，則根據(jù)太陽電池陣的輸出功率能力來輸出相應(yīng)的電流為蓄電池組充電。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種適用于蓄電池充電的V/T曲線控制方法，其特征在于所述的蓄電池組的工作溫度通過四個熱敏電阻進行采集，取四個溫度值中中間的兩個溫度值的算術(shù)平均值作為蓄電池組的工作溫度值。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種適用于蓄電池充電的V/T曲線控制方法，其特征在于所述的a和b的值在地面確定后，通過數(shù)據(jù)上注的方式傳遞給星載計算機進行計算。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種適用于蓄電池充電的V/T曲線控制方法，其特征在于所述的a和b的值、蓄電池單體的開路或短路失效只數(shù)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
一種適用于蓄電池充電的V/T曲線控制方法，針對蓄電池可能出現(xiàn)的開路或短路失效模式，建立了V/T曲線的一次函數(shù)數(shù)學模型，根據(jù)蓄電池在軌的實際使用情況設(shè)計了兩階段充電控制方法，驅(qū)動電源下位機DA輸出作為充電電流調(diào)節(jié)電路的基準信號，實現(xiàn)了充電轉(zhuǎn)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(shù)可在軌上注調(diào)整，實現(xiàn)了在蓄電池的不同溫度區(qū)間或性能變化時精確的充電控制，比傳統(tǒng)的基于硬件模擬電路實現(xiàn)的V/T曲線控制方式更靈活、更準確、占用資源更少，在蓄電池在軌可能的全溫度范圍內(nèi)均具有良好的應(yīng)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(yōu)先權(quán)日2011年7月12日
發(fā)明者侯偉, 劉元默, 李志壯, 鄢婉娟 申請人:航天東方紅衛(wèi)星有限公司