CN102931706B - 一种蓄电池两阶段电流充电的星载软件限流控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蓄电池两阶段电流充电的星载软件限流控制方法,用于对卫星蓄电池的充电阵进行充放电管理,卫星蓄电池的充电阵包括8组充电阵,包括以下步骤:周期性监测卫星蓄电池组的当前电量,若卫星蓄电池组的当前电量小于转阶段门限时,则转入一阶段软件限流控制步骤;若卫星蓄电池组的当前电量大于转阶段门限时,则转入二阶段软件限流控制步骤;在一阶段软件限流控制步骤和二阶段软件限流控制步骤中分别对充电阵进行开启关闭控制。该方法解决了在实际充电控制中硬件限流控制与负载电流变化匹配性较差的问题,提高了卫星蓄电池充电控制的准确性和灵活性,改善了蓄电池的充电质量,延长了蓄电池的使用寿命。

Description

一种蓄电池两阶段电流充电的星载软件限流控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种蓄电池两阶段电流充电的星载软件限流控制方法。
背景技术
[0002] 卫星电源分系统包括太阳电池阵、蓄电池组和电源控制器三个部分,如图1所示。在阴影期蓄电池放电为整星供电,在光照期太阳电池阵除了满足负载优先供电外,剩余的能量为蓄电池组充电。电源分系统采用S4R拓扑结构,太阳电池阵采用大并联方式,其中1、2阵为负载供电,不参与蓄电池组充电,3〜8阵既可以给负载充电,又可以为蓄电池组充电,但是满足负载优先原则,3〜8的功率电路和控制拓扑结构见如图2所示。
[0003] 在蓄电池的充电阵中,第六到第八充电阵采用限流控制,可以调整第六到第八充电阵的导通和关断状态,使得蓄电池组充电电流在设定的电流门限范围内。当蓄电池充满时,触发充电终止信号,停止大电流充电。
[0004] 卫星电源分系统的充电终止控制是采用硬件V/T曲线控制和安时计控制互为热备份的方式来实现的。硬件V-T曲线充电控制是利用镉镍电池化学体系的充电终止电压与温度的关系,通过在不同温度下进行地面试验,根据试验数据拟合出电池温度与电压的关系曲线,用硬件模拟电路实现对蓄电池组的过充保护控制。安时计工作原理是对蓄电池组的充放电电流进行积分,累计蓄电池组的充放电的安时数,实时计算蓄电池的当前电量。当蓄电池的当前电量达到蓄电池的额定容量时,终止充电,安时计一般由电源下位机软件实现。
[0005] 硬件限流控制是由硬件模拟电路来实现,主要存在如下问题:
[0006] (I)如何简化硬件限流的控制及接口设计;(2)如何从卫星不可返修的特点出发,通过异构备份的方式提高限流的可靠性;(3)如何实现两阶段充电电流控制,提高蓄电池充电效率,减小负载变化对V/T曲线控制的影响;(4)如何系统地设计两阶段限流控制规律;(5)如何选取开关时序,保证充电电流控制与系统的匹配性;(6)如何选取充电电流的限流开启关闭门限,保证控制有效性;(7)如何保证数据采集的有效性和准确性,提高控制精度。
发明内容
[0007] 本发明的技术解决问题是:针对现有技术的不足,提供了一种蓄电池两阶段电流充电的软件限流控制方法,该方法解决了在实际充电控制中硬件限流控制与负载电流变化匹配性较差的问题,提高了卫星蓄电池充电控制的准确性和灵活性,改善了蓄电池的充电质量,延长了蓄电池的使用寿命。
[0008] 本发明的技术解决方案是:
[0009] 一种蓄电池两阶段电流充电的星载软件限流控制方法,用于对卫星蓄电池的充电阵进行充放电管理,卫星蓄电池的充电阵包括8组充电阵,包括以下步骤:
[0010] 周期性监测卫星蓄电池组的当前电量,若卫星蓄电池组的当前电量小于转阶段门限时,则转入一阶段软件限流控制步骤;若卫星蓄电池组的当前电量大于转阶段门限时,则转入二阶段软件限流控制步骤;所述转阶段门限用于标定卫星蓄电池的充电阶段;
[0011] 一阶段软件限流控制步骤中:
[0012] 若充电电流大于一阶段软件限流关闭门限,则关闭第八充电阵;若关闭第八充电阵后,充电电流仍大于一阶段软件限流关闭门限,则关闭第七充电阵;若关闭第八充电阵和第七充电阵后,充电电流仍大于一阶段软件限流关闭门限,则关闭第六充电阵;所述一阶段软件限流关闭门限为0.3C+1,C为卫星蓄电池电池额定容量;
[0013] 若充电电流小于一阶段软件限流开启门限,则开启第六充电阵;若开启第六充电阵后,充电电流仍小于一阶段软件限流开启门限,则开启第七充电阵;若开启第六充电阵和第七充电阵后,充电电流仍小于一阶段软件限流开启门限,则开启第八充电阵;所述一阶段软件限流开启门限为一阶段软件限流关闭门限值-单个充电阵最大输出电流值;
[0014] 二阶段软件限流控制步骤中:
[0015] 当充电电流大于二阶段软件限流关闭门限时,则关闭第八充电阵;若关闭第八充电阵后,充电电流仍大于二阶段软件限流关闭门限,则关闭第七充电阵;若关闭第八充电阵和第七充电阵后,充电电流仍大于二阶段软件限流关闭门限,则关闭第六充电阵;所述二阶段软件限流关闭门限为3 *单个充电阵最大输出电流
[0016] 若充电电流小于二阶段软件限流开启门限,则开启第六充电阵;若开启第六充电阵后,充电电流仍小于二阶段软件限流开启门限,则开启第七充电阵;若开启第六充电阵和第七充电阵后,充电电流仍小于二阶段软件限流开启门限,则开启第八充电阵;所述二阶段软件限流开启门限为0.1C。
[0017] 进一步的,所述卫星蓄电池组的当前电量和所述充电电流通过读取卫星的遥测参数获得。
[0018] 本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0019] (I)本发明由于在蓄电池充电控制回路中引入软件限流控制,并且在轨时可以通过数据上注的手段,根据蓄电池的充电状态,调整转阶段门限和充电电流限流开启、关闭门限,增加了充电控制的灵活性和安全性,提高了电源系统在不同的轨道和光照条件下的适应性,保证了蓄电池良好的工作状态;
[0020] (2)软件限流控制对第六到第八充电阵的通断时序可调,与硬件限流相比,提高了系统与负载变化的匹配性,提高了电源系统的稳定性;
[0021] (3)软件限流控制对第六到第八充电阵的开关顺序可调,由于软件编程的灵活性,特别是当第六到第八充电阵中某供电阵在轨输出电流异常,可通过上注软件的方式对第六到第八充电阵的开关顺序进行重新设置,排除其对系统的影响,提高了系统的安全性和稳定性;
[0022] (4)在蓄电池的充电过程中,按照软件限流控制的相关设计,蓄电池充电电流会分阶段减小,并可通过上注参数调整,提高了蓄电池组的充电效率,特别是蓄电池快充满的时候,减小了充电电流受负载变化而引起蓄电池电压波动,避免了 V-T曲线充电控制提前受控;
[0023] (5)软件限流控制与安时计配合实现充电电流控制,不需要增加额外的硬件,减少了硬件配置的复杂程度;
[0024] (6)在中位值滤波的基础上,采用算术平均滤波,既保证了数据采集的有效性,又提高了数据的准确性。
附图说明
[0025] 图1为卫星电源分系统原理图;
[0026] 图2为蓄电池充电阵的功率电路和控制拓扑结构图;
[0027] 图3为本发明流程图;
[0028] 图4为本发明系统示意图。
具体实施方式
[0029] 下面就结合附图对本发明做进一步介绍。
[0030] 在每次电源下位机加电或复位重新开始工作时,默认启动硬件限流控制,软件限流控制需要发送相关指令,使软件限流使能,软件限流控制才能启动。软件限流控制是通过软件不断计算蓄电池的当前电量、充电电量或放电电量,并实时比较蓄电池当前电量与转阶段门限的大小,控制蓄电池的充电电流在不同阶段时的充电电流门限之内。软件限流控制主要用以解决镉镍蓄电池大电流充电效果不佳的问题,可以有效地延长蓄电池的在轨使用寿命。具体流程如见图3所示。
[0031] 软件限流控制是和安时计配合使用对蓄电池充电电流进行控制,其目的是精确、灵活地对蓄电池进行充电。其特点在于:
[0032] 1.连续采集充电电流,根据充电电流大小以及所设定的开启关闭门限值,按次序关断第八、第七、第六充电阵,达到充电限流的目的;若负载变化引起充电电流减小,则按次序接通第六、第七、第八充电阵,使充电电流增大。总之,通过开启关闭第六、第七、第八充电阵,始终维持充电电流在预设范围之内;
[0033] 2.连续采集、计算当前电量,并按要求与充电转阶段门限进行比较,实现充电电流从大到小的值切换;
[0034] 3.根据在轨实测数据,蓄电池的使用状态,可设置不同的转阶段门限和充电电流开启、关闭门限,并且这些参数均可通过上注参数及时调整,实现蓄电池的两阶段充电电流优化控制。参数选取原则为:(I)转阶段门限的选取用于标定卫星蓄电池的充电阶段:由于其电化学体系的特性,在充电过程中,镉镍蓄电池的电池电压在充电初期增长较快,在充电末期变化较缓,趋于直线。转阶段门限的选取,由经验判断,尽量与蓄电池电压变化曲线的拐点值相匹配。(2) —阶段限流关闭门限和开启门限的选取:根据卫星实际在轨方阵电流的输出大小及负载电流最大值,负载优先满足外,其余电能为蓄电池组充电。为了保证充电效果,镉镍蓄电池充电电流应在0.2C〜0.3C之间,其余能量由分流电路分流掉。考虑到卫星在轨满足单圈能量平衡以及开启和关闭门限的选取应留有一定的裕量,一阶段充电电流关闭门限值选取(0.3C+1A),一阶段充电电流开启门限选取(关闭门限值-单阵最大输出电流值)。(3) 二阶段限流关闭门限和开启门限的选取:在蓄电池充电后期采用二阶段充电,可以避免V-T曲线控制提前充电受控,因此二阶段开启关闭门限值选取较小。在S4R型电源拓扑结构中,考虑到6〜8充电阵全部断开,只有3〜5充电阵充电,因此二阶段关闭门限值选取为(3 *单阵最大输出电流),二阶段开启门限值选为0.1C,C为卫星蓄电池额定容量。
[0035] 如图3所示,电源下位机软件限流控制流程为:
[0036] 电源下位机每隔2秒周期性监测遥测参数“蓄电池组当前电量”,当蓄电池组当前电量小于转阶段门限时,软件按一阶段软件限流控制门限控制,具体控制如下:
[0037] 电源下位机每隔2秒周期性监测遥测参数“充电电流”,当充电电流大于一阶段软件限流关闭门限时,发送“第八充电阵限流断”指令,关断第八充电阵,继续监测遥测参数“充电电流”;若下位机下次循环(间隔2秒)采集参数后,充电电流仍大于一阶段软件限流关闭门限时,发送“第七充电阵限流断”指令,关断第七充电阵,继续监测遥测参数“充电电流”;若下位机下次循环(间隔2秒)采集参数后,充电电流仍大于一阶段软件限流关闭门限时,发送“第六充电阵限流断”指令,关断第六充电阵。
[0038] 电源下位机每隔2秒周期性监测遥测参数“充电电流”,当充电电流小于一阶段软件限流开启门限时,发送“第六充电阵限流通”指令,接通第六充电阵,继续监测遥测参数“充电电流”;若下位机下次循环(间隔2秒)采集参数后,充电电流仍小于一阶段软件限流开启门限时,发送“第七充电阵限流通”指令,接通第七充电阵,继续监测遥测参数“充电电流”;若下位机下次循环(间隔2秒)采集参数后,充电电流仍小于一阶段软件限流开启门限时,发送“第八充电阵限流通”指令,接通第八充电阵。
[0039] 电源下位机每隔2秒周期性监测遥测参数“蓄电池组当前电量”,当蓄电池组当前电量大于等于转阶段门限时,软件按二阶段软件限流控制门限控制,具体控制如下:
[0040] 电源下位机每隔2秒周期性监测遥测参数“充电电流”,当充电电流大于二阶段软件限流关闭门限时,发送“第八充电阵限流断”指令,关断第八充电阵,继续监测遥测参数“充电电流”;若下位机下次循环(间隔2秒)采集参数后,充电电流仍大于二阶段软件限流关闭门限时,发送“第七充电阵限流断”指令,关断第七充电阵,继续监测遥测参数“充电电流”;若下位机下次循环(间隔2秒)采集参数后,充电电流仍大于二阶段软件限流关闭门限时,发送“第六充电阵限流断”指令,关断第六充电阵。
[0041] 电源下位机每隔2秒周期性监测遥测参数“充电电流”,当充电电流小于二阶段软件限流开启门限时,发送“第六充电阵限流通”指令,接通第六充电阵,继续监测遥测参数"充电电流";若下位机下次循环(间隔2秒)采集参数后,充电电流仍小于二阶段软件限流开启门限时,发送“第七充电阵限流通”指令,接通第七充电阵,继续监测遥测参数“充电电流”;若下位机下次循环(间隔2秒)采集参数后,充电电流仍小于二阶段软件限流开启门限时,发送“第八充电阵限流通”指令,接通第八充电阵。
[0042] 如图4所示,本发明所述系统包括初始化设置模块、启动限流控制模块、参数采集模块、电量累计计算模块、软件限流控制模块。
[0043] 如图4所示,本发明的控制过程:在每次下位机加电或复位重新开始工作时,首先启动初始化设置模块,软件先不进行安时计控制,等待启动安时计控制的条件被触发。所述初始化设置模块对转阶段门限、一阶段软件限流关闭门限、一阶段软件限流开启门限、二阶段软件限流关闭门限、二阶段软件限流开启门限进行设置。
[0044] 参数采集模块对充电电流进行周期性检测,其中,对于充电电流是通过对获得的遥测参数值在中位值滤波的基础上做算术平均滤波处理。
[0045] 电量累计计算模块主要进行电量计算。电量计算包括卫星蓄电池组的当前电量Q当前、充电电量Q充和放电电量Q放。三变量作为遥测参数传送时取最高2字节,每一位所代表的实际毫安时数遵从以下公式:
[0046] AO = INT(Q0/65536+1)
[0047] QO:所选蓄电池的额定容量,mAh
[0048] 当前电量、充电电量和放电电量之间始终符合以下公式:
[0049] Q 当前=Q0/A0+Q 充-Q 放 Q 当前彡 Q0/A0 (I)
[0050] 充电电量的计算方法为:
[0051] Q充=Q充+(充电电流(A) X时间间隔(h)/充电比)/A0 (2)
[0052] 放电电量的计算方法为:
[0053] Q放=Q放+ (放电电流⑷X时间间隔(h)) /AO (3)
[0054]其中:
[0055] Q充、Q放初始值为O。
[0056] 充电电流⑷:通过A/D变换实测的充电电流。
[0057] 时间间隔(h):充电电流或放电电流的采样周期,目前采样周期定为2秒,SP1/1800 小时。
[0058] 软件限流控制模块根据当前的充电阶段,结合充电电流和一阶段软件限流关闭、开启门限或二阶段软件限流关闭、开启门限对蓄电池的充电阵根据图3所示流程确定对第六到第八充电阵的关闭或开启策略,并将所述策略通知启动限流控制模块。
[0059]启动限流控制模块根据所述策略关闭或开启第六到第八充电阵。
[0060] 蓄电池不存在既充电又放电的工作模式,为剔除信号变换测量电路的误差并避免计算涓流电流,规定只有I充电的测量值大于0.5A时,可以计入相应Q充,I放电的测量值大于0.1A时,可以计入相应Q放。
[0061] 本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种蓄电池两阶段电流充电的星载软件限流控制方法,用于对卫星蓄电池的充电阵进行充放电管理,卫星蓄电池的充电阵包括8组充电阵,其特征在于包括以下步骤: 每次电源下位机加电或复位重新开始工作时,默认启动硬件限流控制,若接收到软件限流控制指令,则开启软件限流控制,所述软件限流控制的具体控制过程为: 周期性监测卫星蓄电池组的当前电量,若卫星蓄电池组的当前电量小于转阶段门限时,则转入一阶段软件限流控制步骤;若卫星蓄电池组的当前电量大于转阶段门限时,则转入二阶段软件限流控制步骤;所述转阶段门限用于标定卫星蓄电池的充电阶段; 一阶段软件限流控制步骤中: 若充电电流大于一阶段软件限流关闭门限,则关闭第八充电阵;若关闭第八充电阵后,充电电流仍大于一阶段软件限流关闭门限,则关闭第七充电阵;若关闭第八充电阵和第七充电阵后,充电电流仍大于一阶段软件限流关闭门限,则关闭第六充电阵;所述卫星蓄电池组的当前电量和所述充电电流通过读取卫星的遥测参数获得;所述一阶段软件限流关闭门限为:0.3C+1, C为卫星蓄电池电池额定容量; 若充电电流小于一阶段软件限流开启门限,则开启第六充电阵;若开启第六充电阵后,充电电流仍小于一阶段软件限流开启门限,则开启第七充电阵;若开启第六充电阵和第七充电阵后,充电电流仍小于一阶段软件限流开启门限,则开启第八充电阵;所述一阶段软件限流开启门限为:一阶段软件限流关闭门限值-单个充电阵最大输出电流值; 二阶段软件限流控制步骤中: 当充电电流大于二阶段软件限流关闭门限时,则关闭第八充电阵;若关闭第八充电阵后,充电电流仍大于二阶段软件限流关闭门限,则关闭第七充电阵;若关闭第八充电阵和第七充电阵后,充电电流仍大于二阶段软件限流关闭门限,则关闭第六充电阵;所述二阶段软件限流关闭门限为:3*单个充电阵最大输出电流; 若充电电流小于二阶段软件限流开启门限,则开启第六充电阵;若开启第六充电阵后,充电电流仍小于二阶段软件限流开启门限,则开启第七充电阵;若开启第六充电阵和第七充电阵后,充电电流仍小于二阶段软件限流开启门限,则开启第八充电阵;所述二阶段软件限流开启门限为:0.1C; 所述第六到第八充电阵的通断时序可调,当第六到第八充电阵中某充电阵在轨输出电流异常,通过上传软件的方式对第六到第八充电阵的开关顺序进行重新设置。
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