CN103682508B - 一种航天器锂离子蓄电池组荷电状态确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航天器锂离子蓄电池组荷电状态确定方法，包括以下步骤：通过地面试验获得蓄电池组电流系数和温度系数表、电压与容量的对应关系表；在蓄电池组充满电时，通过电压与容量的对应关系表获得蓄电池组当前容量，蓄电池组放电时根据电流系数和温度系数采用积分获得蓄电池组放电电量；最后计算蓄电池组荷电状态。本发明针对航天器锂离子蓄电池组的特殊需求，设计了蓄电池组荷电状态的确定方法，能够实时确定蓄电池组的荷电状态，准确提供可用的工作时间预测，为制定锂离子蓄电池组充放电控制策略提供了有效的依据。

Description

一种航天器锂离子蓄电池组荷电状态确定方法

技术领域

本发明涉及一种蓄电池组荷电状态确定方法，尤其涉及一种太空环境下基于安时积分法的航天器锂离子蓄电池组荷电状态确定方法，属于航天器蓄电池领域。

背景技术

随着航天器任务环境的日益复杂，作为关键贮能、供能设备的蓄电池组的设计、验证与测试工作都面临着众多挑战。相比于传统的镉镍蓄电池和氢镍蓄电池，锂离子蓄电池组作为电源系统的贮能、供能电源拥有更出色的性能，如：更低的贮能电源重量、更小的体积、更大的电源系统有效载荷，同时降低了发射成本等。但是同时锂离子蓄电池组又具有一定缺点，其不耐压、应串联使用等特性使得对充放电管理的精确要求成为制约其发展的重要因素。

蓄电池组荷电状态定义为蓄电池组电池剩余容量与额定容量之比，是进行充放电管理的基础。精确的荷电状态确定可以确保蓄电池组电池工作在设计范围，提供可用工作时间预测，保证电池放电容量的可预期性，避免电池过放电；蓄电池组荷电状态还是制定充电控制策略的依据，根据电池荷电状态确定合适的充电电流，避免电池过充电。只有在准确估计蓄电池组荷电状态基础上，才能降低电池设计裕度，减轻电源系统重量，延长电池的使用寿命。

目前常用的锂离子蓄电池组荷电状态确定方法，诸如非线性动态模型法、神经网络和模糊控制建模法、多种检测手段联合法等，具有很大的局限性，对剩余容量的检测效果不够好。此类方法大多停留在实验室验证阶段，很少直接服务于生产实际。因此，在航天领域急需一种方便、精确、适用性强且有效的锂离子蓄电池组荷电状态确定方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种航天器锂离子蓄电池组荷电状态确定方法，能够依据蓄电池组的工作环境与状态，，实时确定蓄电池组的荷电状态，为制定锂离子蓄电池组充放电控制策略提供有效的依据。

本发明的技术方案是：一种航天器锂离子蓄电池组荷电状态确定方法，包括如下步骤：

（1）通过蓄电池组地面试验，获得蓄电池组电流系数和温度系数表，以及电压与容量的对应关系表；

（2）获得航天器在轨状态下，蓄电池组充满电时的电压数据，根据步骤（1）得到的蓄电池组电压与容量的对应关系表，确定蓄电池组的当前容量；

（3）实时获得航天器在轨状态下，当前时刻蓄电池组的电流与温度数据，根据步骤（1）得到的蓄电池组电流系数和温度系数表获得当前时刻电流系数和温度系数，采用安时积分法计算当前时刻蓄电池组的放电电量；

（4）根据蓄电池组当前容量、放电电量和额定容量，利用公式确定蓄电池组的荷电状态。

所述步骤（1）中通过蓄电池组地面试验，获得蓄电池组电流系数和温度系数表的实现方法如下：

（2.1）确定航天器正常工作时蓄电池组的电流范围[Imin,Imax]和温度范围[Tmin,Tmax]；

（2.2）根据蓄电池组电流范围和温度范围，设电流测试值个数为n，温度测试值个数为m，其取值分别为：

电流测试值：Imax、（n-2）×（Imax-Imin）/（n-1）、（n-3）×（Imax-Imin）/（n-1）、…、（Imax-Imin）/（n-1）、Imin；

温度测试值：Tmax、（m-2）×（Tmax-Tmin）/（m-1）、（m-3）×（Tmax-Tmin）/（m-1）、…、（Tmax-Tmin）/（m-1）、Tmin；

其中n为大于等于2的自然数，m为大于等于2的自然数，n个电流测试值和m个温度测试值共组成n×m组电流和温度测试数据；

（2.3）对n×m组电流和温度测试数据依次进行蓄电池组放电试验，得到每一组电流和温度数据对应的电流系数和温度系数；

（2.4）根据每一组电流和温度数据对应的电流系数和温度系数形成蓄电池组电流系数和温度系数表。

所述步骤（1）中通过蓄电池组地面试验，获得电压与容量的对应关系表的实现方法如下：

（3.1）获得蓄电池组充满电时的电压；

（3.2）从蓄电池组电流系数和温度系数表中按顺序选择一组电流和温度，在该组电流和温度下进行蓄电池组放电，直至放到蓄电池组容量底限；

（3.3）根据该组电流和温度在蓄电池组电流系数和温度系数表中对应的电流系数和温度系数，通过安时积分法获得蓄电池组放电电量；

（3.4）对蓄电池组电流系数和温度系数表中的其它组电流和温度数据，依次执行步骤（3.2）和（3.3），得到每一组电流和温度下蓄电池组电压与容量的对应关系；

（3.5）根据每一组电流和温度下蓄电池组电压与容量的对应关系形成蓄电池组电压与容量的对应关系表。

所述步骤（3）中采用安时积分法计算当前时刻蓄电池组的放电电量的方法为：

$Q^{\′}={\∫}_0^{T}K\left(T\right)\mathrm{\α}\left(i\right)i\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中，Q'为当前时刻蓄电池组的放电电量，T为当前放电时刻，α(i)为当前时刻电流系数，K(T)为当前时刻温度系数，i(t)为t时刻放电电流，t∈(0,T]；规定电流充电为正，放电为负。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明针对航天器锂离子蓄电池组的特殊需求，设计蓄电池组荷电状态的确定方法，能够实时确定蓄电池组的荷电状态，准确提供可用的工作时间预测，为制定锂离子蓄电池组充放电控制策略提供有效的依据。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为地面试验获得蓄电池组蓄电池组电流系数和温度系数表的流程示意图；

图3为地面试验获得蓄电池组电压与容量的对应关系表的流程图；

图4为航天器运行过程中蓄电池组荷电状态确定流程图；

图5为本发明航天器锂离子蓄电池组荷电状态确定装置组成图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种航天器锂离子蓄电池组荷电状态确定方法，该方法分为地面试验和在轨运行航天器蓄电池组荷电状态确定两部分。

地面试验：根据蓄电池组工作环境，确定与放电状态相关的主要因素为温度和电流；在设定的条件下，通过多次地面试验，获得蓄电池组放电过程中，蓄电池组电流系数与温度系数，以及电压与容量的对应关系，形成可查询的蓄电池组电流系数与温度系数表，以及电压与容量的对应关系表；

在轨荷电状态确定：在光照期，当蓄电池组处于涓流充电时，认为蓄电池已充满电，根据遥测数据中的蓄电池组电压，确定蓄电池组充满电时的容量，即当前容量；然后在蓄电池放电过程中，根据当前时刻电流和温度，通过查询电流系数与温度系数表获得蓄电池放电过程中电流系数和温度系数，采用安时积分方法，计算蓄电池组放电电量；最后基于蓄电池组放电电量、当前容量和蓄电池组额定容量，确定蓄电池组荷电状态。

如图2所示是地面试验部分得到蓄电池组电流系数和温度系数表的流程图。

基于航天器正常在轨情况，获得蓄电池组正常工作时的电流范围[Imin,Imax]和温度范围[Tmin,Tmax]。在设计地面试验时设定温度测试值个数和电流测试值个数。设电流测试值个数为n，温度测试值个数为m，得出电流测试值序列和温度测试值序列，其取值分别为：

电流测试值：Imax、（n-2）×（Imax-Imin）/（n-1）、（n-3）×（Imax-Imin）/（n-1）、…、（Imax-Imin）/（n-1）、Imin；

温度测试值：Tmax、（m-2）×（Tmax-Tmin）/（m-1）、（m-3）×（Tmax-Tmin）/（m-1）、…、（Tmax-Tmin）/（m-1）、Tmin。

其中n为大于等于2的自然数，m为大于等于2的自然数，n个电流测试值和m个温度测试值共组成n×m组电流和温度测试数据，试验中n和m应该取得尽量大，以保证获得细化到满足实用条件的、完备的电流系数和温度系数。

试验时，依次完成全部n个电流测试值与m个温度测试值的组合试验，即对n×m组电流和温度测试数据依次进行蓄电池组放电试验，得到每一组电流和温度数据对应的电流系数和温度系数，根据每一组电流和温度数据对应的电流系数和温度系数形成蓄电池组电流系数和温度系数表。

如图3所示是地面试验部分得到蓄电池组电压与容量的对应关系表的流程图。

首先，将蓄电池组充满电，并测量蓄电池组电压；然后，从蓄电池组电流系数和温度系数表中按顺序（由上至下）选择一组电流和温度，在该组电流和温度下进行蓄电池组放电，判断是否放到蓄电池组容量底限，若是，根据该组电流和温度在蓄电池组电流系数和温度系数表中对应的电流系数和温度系数，积分获得蓄电池组放电电量；若否，继续对蓄电池组进行放电，直至放到蓄电池组容量底限，再计算放电电量；对蓄电池组电流系数和温度系数表中的其它组电流和温度，依次进行试验，得到每一组电流和温度下蓄电池组电压与容量的对应关系，根据每一组电流和温度下蓄电池组电压与容量的对应关系形成蓄电池组电压与容量的对应关系表。

如图4所示是航天器运行过程中，锂离子蓄电池组荷电状态确定流程图。

首先，读入航天器运行时状态，在蓄电池组处于充电完全的情况下，此时荷电状态为1，该时刻可为安时积分法提供起点，并消除累计误差；通过遥测参数，获得蓄电池组温度、电流和电压数据；

然后判断电压范围，当蓄电池组电压<V_min时，则表明蓄电池组处于欠压状态，必须即刻停止放电，转为充电状态，充满电后再重新读取蓄电池组温度、电流和电压数据，再判断电压范围，直到电压处于正常的范围[V_min,V_max]内；当蓄电池组电压>V_max时，则表明蓄电池组处于过压状态，必须即刻停止充电，转为放电状态，再重新读取蓄电池组温度、电流和电压数据，再判断电压范围，，直到电压处于正常的范围[V_min,V_max]内。欠压与过压两种状态，都会对锂离子蓄电池组造成严重危害，必须避免发生。当蓄电池组电压处于正常的范围[V_min,V_max]内时，根据蓄电池组电压，查询蓄电池组电压与容量的对应关系表得到蓄电池组当前容量；根据蓄电池组放电电流，查询电流系数和温度系数表得到其电流系数α(i);根据蓄电池组温度，查询电流系数和温度系数表得到其温度系数K(T)；

最终，在锂离子蓄电池组放电时，通过安时积分法计算蓄电池组放电电量；根据蓄电池组的额定容量、当前容量和放电电量确定蓄电池组荷电状态（SOC）。

安时积分法应用的关键是确定蓄电池剩余电量。在确定计算起点后，计算蓄电池组放电放出的容量，剩余容量为当前容量与已放出容量之差。已放出容量计算采用的方法是将电流对时间进行累计。计算时要考虑到温度和电流对容量的影响，蓄电池组以任意放电电流所放出的电量为：

$Q^{\&prime;}={\&Integral;}_0^{T}K\left(T\right)\mathrm{\&alpha;}\left(i\right)i\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中，Q'为当前时刻蓄电池组的放电电量，T为当前放电时刻，α(i)为当前时刻电流系数，K(T)为当前时刻温度系数，i(t)为t时刻放电电流，t∈(0,T]；规定电流充电为正，放电为负。

蓄电池组的荷电状态S表示为：

$S=\frac{Q-Q^{\&prime;}}{Q_{\mathrm{ref}}}\&times;100\%$

其中，Q为蓄电池组当前容量，Q_ref为蓄电池组额定容量。

如图5所示，本发明提供了一种航天器锂离子蓄电池组荷电状态确定装置，包括地面试验单元、荷电状态确定单元和显示单元。

地面试验单元，用于获得蓄电池组放电过程中的电流系数、温度系数，确定蓄电池组电压与容量的对应关系；具体用于，设定试验时不同的温度、电流，通过多次试验获得蓄电池组的电流系数和温度系数；基于多次设定条件下的充放电过程，得出蓄电池组电压与容量的对应关系。

荷电状态确定单元，用于接收航天器在轨运行数据，根据地面试验单元获得的电流系数和温度系数表，以及蓄电池组电压与容量的对应关系表通过安时积分计算锂离子蓄电池组容量及放电电量，从而确定蓄电池组的荷电状态。

显示单元，用于显示蓄电池组地面试验数据和在轨数据，具体包括工作状态、荷电状态、蓄电池组温度与放电电量，以及蓄电池组容量。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (2)

1.一种航天器锂离子蓄电池组荷电状态确定方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)通过蓄电池组地面试验，获得蓄电池组电流系数和温度系数表，以及电压与容量的对应关系表；

(2)获得航天器在轨状态下，蓄电池组充满电时的电压数据，根据步骤(1)得到的蓄电池组电压与容量的对应关系表，确定蓄电池组的当前容量；

(3)实时获得航天器在轨状态下，当前时刻蓄电池组的电流与温度数据，根据步骤(1)得到的蓄电池组电流系数和温度系数表获得当前时刻电流系数和温度系数，采用安时积分法计算当前时刻蓄电池组的放电电量；

(4)根据蓄电池组当前容量、放电电量和额定容量，利用公式确定蓄电池组的荷电状态；

所述步骤(1)中通过蓄电池组地面试验，获得蓄电池组电流系数和温度系数表的实现方法如下：

(2.1)确定航天器正常工作时蓄电池组的电流范围[Imin,Imax]和温度范围[Tmin,Tmax]；

(2.2)根据蓄电池组电流范围和温度范围，设电流测试值个数为n，温度测试值个数为m，其取值分别为：

电流测试值：Imax、(n-2)×(Imax-Imin)/(n-1)、(n-3)×(Imax-Imin)/(n-1)、…、(Imax-Imin)/(n-1)、Imin；

温度测试值：Tmax、(m-2)×(Tmax-Tmin)/(m-1)、(m-3)×(Tmax-Tmin)/(m-1)、…、(Tmax-Tmin)/(m-1)、Tmin；

其中n为大于2的自然数，m为大于2的自然数，n个电流测试值和m个温度测试值共组成n×m组电流和温度测试数据，n和m取值尽量大；

(2.3)对n×m组电流和温度测试数据依次进行蓄电池组放电试验，得到每一组电流和温度数据对应的电流系数和温度系数；

(2.4)根据每一组电流和温度数据对应的电流系数和温度系数形成蓄电池组电流系数和温度系数表；

所述步骤(1)中通过蓄电池组地面试验，获得电压与容量的对应关系表的实现方法如下：

(3.1)获得蓄电池组充满电时的电压；

(3.2)从蓄电池组电流系数和温度系数表中按顺序选择一组电流和温度，在该组电流和温度下进行蓄电池组放电，直至放到蓄电池组容量底限；

(3.3)根据该组电流和温度在蓄电池组电流系数和温度系数表中对应的电流系数和温度系数，通过安时积分法获得蓄电池组放电电量；

(3.4)对蓄电池组电流系数和温度系数表中的其它组电流和温度数据，依次执行步骤(3.2)和(3.3)，得到每一组电流和温度下蓄电池组电压与容量的对应关系；

(3.5)根据每一组电流和温度下蓄电池组电压与容量的对应关系形成蓄电池组电压与容量的对应关系表。

2.根据权利要求1所述的一种航天器锂离子蓄电池组荷电状态确定方法，其特征在于：所述步骤(3)中采用安时积分法计算当前时刻蓄电池组的放电电量的方法为：

$Q^{\&prime;}={\&Integral;}_0^{T}K\left(T\right)\mathrm{\&alpha;}\left(i\right)i\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中，Q'为当前时刻蓄电池组的放电电量，T为当前放电时刻，α(i)为当前时刻电流系数，K(T)为当前时刻温度系数，i(t)为t时刻放电电流，t∈(0,T]；规定电流充电为正，放电为负。