CN104734295B - 一种锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法，该方法首先采集电压、电流和温度等工作参数，判断出电源系统是否处于为蓄电池组充电的工作状态。如果电源系统处于充电状态，则先判断蓄电组工作温度是否正常，若超限，将恒流段的充电电流上限修改为当前温度下的允许值；再根据电池组单体电压，判断出工作在恒流段还是恒压阶段：在恒流阶段，控制量按前面的恒流段的充电电流上限给出；在恒压阶段计算出当前需给定的控制量；在锂电池蓄电池组充满时，将充电电流置零，终止充电。该方法采用的恒流‑恒压控制方法比传统方法更灵活，并有利于延长蓄电池组的在轨寿命。

Description

一种锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法
技术领域
本发明涉及一种锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法，用于对锂离子蓄电池组进行充电。
背景技术
锂离子蓄电池组由于其自身特性要求，不能像镉镍、氢镍电池那样仅采用恒流充电控制，因其耐过充能力差，要求采用恒流-恒压充电控制方式。卫星上普遍采用硬件恒流-恒压充电控制方式。硬件恒流-恒压充电控制通常对电池组整组控制的方式，即通过测量蓄电池组的整组电压，判断是否达到恒压基准值，若未达到恒压基准，采用恒流方式对蓄电池组进行充电；当蓄电池组电压达到恒压基准值时，维持蓄电池组电压恒定不变，充电电流自动减小。采用硬件进行整组电压控制方法的优点是简单而有效。
卫星上应用的锂离子蓄电池组一般由多个单体电池串并联而成。因串联数较多，为避免硬件系统过于复杂，进行恒流恒压充电控制时，只采用整组电压作为判断依据。因各单体电池组合前经过匹配测试，寿命初期各单体电池经过匹配一致性较好。由于在卫星不同寿命阶段，电池性能会发生衰降，各单体的容量和充放电电压的一致性会变差。寿命末期，会有个别电池单体失效，锂离子蓄电池的失效模式有短路、开路、容量衰降等，失效过程较复杂。锂离子电池最佳工作温度为15～25℃，温度低于10℃时，对蓄电池组以较大电流进行充电将会严重影响蓄电池的寿命。硬件控制不便于充电参数在轨调整，若仅采用硬件固定充电控制，难以在不同阶段、不同使用条件下均达到最佳充电效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法，该方法相对于传统的恒流控制方法，在原有的电流反馈控制基础上增加了电压控制，即采用双闭环结构的恒流恒压控制方法实现对蓄电池组的充电控制，并且该方法在电压控制中充分考虑了各单体电池的电压情况，有利于延长蓄电池组的在轨寿命。。
本发明的上述目的通过如下的技术解决方案实现：
一种锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法，基于锂电池蓄电池组充电系统实现，所述系统包括供电电源系统、控制量计算模块和锂电池蓄电池组，所述供电电源系统包括太阳电池阵和电源控制器，且所述锂电池蓄电池组由N个单体电池组成，N为正整数；其中，控制量计算模块根据所述锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法计算得到充电控制量，并发送给电源控制器，电源控制器按照所述充电控制量对太阳电池阵提供的充电量进行控制，实现对锂电池蓄电池组的充电操作；其特征在于：所述控制量计算模块根据所述锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法计算得到充电控制量的具体步骤如下：
(1)、采集太阳电池阵电流IS、负载电流IR、锂电池蓄电池组的充电电流IC和放电电流IL、锂电池蓄电池组的整体温度值TL，以及N个单体电池的电压值，其中，第n个所述单体电池的电压值为Un，n＝1、2、…、N；
(2)、根据步骤(1)采集到的数据，判断供电电源系统的工作状态；具体判断方法如下：
如果太阳电池阵电流IS大于负载电流IR且放电电流IL＝0，则判断外部供电电源系统处于对锂电池蓄电池组进行充电的工作状态，进入步骤(3)；
如果放电电流IL>0，则判断供电电源系统不处于对锂电池蓄电池组进行供电的工作状态，将所述供电电源系统的供电电流置零，返回步骤(1)；
(3)、根据步骤(1)采集到的整体温度值TL，确定充电电流门限值Ith，具体确定方法如下：
如果Tth1≤TL≤Tth2，则设定充电电流门限值Ith＝Ith1；其中，Tth1为设定的低温门限值，Tth2为设定的高温门限值，Ith1为设定的常温时的充电电流最大值；
如果TL<Tth1，则根据设定的低温区间划分结果确定所述整体温度值TL处于的低温区间，并设定充电电流门限值Ith为所述低温区间内设定的充电电流最大值；
如果TL>Tth2，则根据设定的高温区间划分结果确定所述整体温度值TL处于的高温区间，并设定充电电流门限值Ith为所述高温区间内设定的充电电流最大值；
(4)、根据步骤(1)采集到的单体电池最大电压值Umax和设定的恒压门限值Uth，判断锂电池蓄电池组所处的充电阶段，其中，Umax＝max{Un},n＝1、2、…、N；具体判断方法如下：
如果Umax<Uth，则判断锂电池蓄电池组处于恒流充电阶段，进入步骤(5)；
如果Umax≥Uth，则判断锂电池蓄电池组处于恒压充电阶段，进入步骤(6)；
(5)、将步骤(3)确定的充电电流门限值Ith作为充电控制量，即当前时刻k的控制量u(k)＝Ith；然后进入步骤(9)；
(6)、根据PID算法计算得到当前时刻k的充电控制量u(k)；
(7)、将步骤(6)计算得到的当前时刻k的充电控制量u(k)与步骤(3)确定的充电电流门限值Ith进行比较，如果u(k)>Ith，则将当前时刻k的充电控制量u(k)修正为Ith，即u(k)＝Ith；
(8)、检测锂电池蓄电池组是否充满，如果所述锂电池蓄电池组已充满，则将充电控制量u(k)置零；
(9)、输出充电控制量u(k)到电源控制器。
上述的锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法，在步骤(6)中，根据PID算法计算得到当前时刻k的充电控制量u(k)，具体计算公式如下：
u(k)＝Δu(k)+u(k-1)；
Δu(k)＝KP[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+2e(k-2)]；
其中，u(k-1)为前一时刻的充电控制量；Δu(k)为充电控制增量；e(k-1)和e(k)分别为前一时刻和当前时刻的偏差量，其中，e(k)＝Uth-V(k)，V(k)为当前时刻测量得到的锂电池蓄电池组的电压；KP为设定的比例系数，Ki为设定的积分系数，Kd为设定的微分系数。
上述的锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法，在步骤(8)中，根据太阳电池阵电流IS、负载电流IR、电池组充电电流IC和电池组充电容量C，检测判断锂电池蓄电池组是否充满，具体检测判断方法如下：如果IS-IR≥A×C且IC≤B×C，且满足上述条件的状态保持时间tc≥T，则判断所述电池组已充满；其中，A和B分别为设定的第一比例系数和第二比例系数，且0<A<1、0<B<1；T为设定的保持时间门限值。其中，A＝0.06，B＝0.03，T＝60s。
上述的锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法，在步骤(1)中，在锂电池蓄电池组上设置M个温度检测点，并将得到的M个温度测量值的平均值作为整体温度值TL。
上述的锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法，在步骤(3)中，如果TL<Tth1，则根据设定的低温区间划分结果确定所述整体温度值TL处于的低温区间，并设定充电电流门限值Ith为所述低温区间内设定的充电电流最大值，具体实现方法如下：设定的低温区间划分结果包括M1个温度区间，且每个所述温度区间内设定了所述区间的充电电流最大值，即设定第m个所述温度区间的充电电流最大值为Im，其中，m＝1，2，…，M1，M1为正整数；如果所述整体温度值TL处于第m个所述温度区间，则设定充电电流门限值Ith＝Im。
上述的锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法，在步骤(3)中，如果TL>Tth2，则根据设定的高温区间划分结果确定所述整体温度值TL处于的高温区间，并设定充电电流门限值Ith为所述高温区间内设定的充电电流最大值，具体实现方法如下：设定的高温区间划分结果包括M2个温度区间，且每个所述温度区间内设定了所述区间的充电电流最大值，即设定第q个所述温度区间的充电电流最大值为Iq′，其中，q＝1，2，…，M2，M2为正整数；如果所述整体温度值TL处于第q个所述温度区间，则设定充电电流门限值Ith＝Iq′。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)、本发明在判断出蓄电池组处于充电状态时，首先对蓄电池组的工作温度进行判断，并根据该温度值设定恒流充电的电流值，这种处理方法可以避免在低温状态下采用较大电流充电造成的蓄电池寿命损耗，即本发明的充电控制方法有利于延长蓄电池组的在轨寿命；
(2)、本发明根据各单体电池的电压最大值判断蓄电池组工作在恒流还是恒压阶段，充分考虑了各单体电池的性能，可以避免因各单体之间一致性变差而造成的控制偏差问题，适用于在卫星不同的寿命阶段进行蓄电池组充电控制；
(3)、本发明的充电控制方法可以采用软件实现，并通过控制电路实现与传统的硬件恒流-恒压控制方法之间互为备份，既可以调整充电控制方法更为灵活，也可以在软件出现问题时切换到原有硬件充电控制，保持充电控制操作的可靠性。
附图说明
图1为本发明基于的锂电池蓄电池组充电系统的组成框图；
图2为本发明的锂电池蓄电池组恒流恒压充电控制方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
卫星上采用的锂电池蓄电池组充电系统的组成框图如图1所示，该系统包括供电电源系统、控制量计算模块和锂电池蓄电池组，所述供电电源系统包括太阳电池阵和电源控制器，且所述锂电池蓄电池组由N个单体电池组成，N为正整数；其中，控制量计算模块计算根据本发明提供的锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法计算得到充电控制量，并发送给电源控制器，电源控制器按照所述充电控制量对太阳电池阵提供的充电量进行控制，实现对锂电池蓄电池组的充电操作。
如图2所示的方法流程图，本发明的锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法，包括如下步骤：
(1)、采集太阳电池阵电流IS、负载电流IR、锂电池蓄电池组的充电电流IC和放电电流IL、锂电池蓄电池组的整体温度值TL，以及N个单体电池的电压值，其中，第n个所述单体电池的电压值为Un，n＝1、2、…、N。
其中，在进行锂电池蓄电池组的整体温度测量时，可以在锂电池蓄电池组上设置M个温度检测点，并将得到的M个温度测量值的平均值作为整体温度值TL。
(2)、根据步骤(1)采集到的数据，判断供电电源系统的工作状态；具体判断方法如下：
如果太阳电池阵电流IS大于负载电流IR且放电电流IL＝0，则判断外部供电电源系统处于对锂电池蓄电池组进行充电的工作状态，进入步骤(3)；
如果放电电流IL>0，则判断供电电源系统不处于对锂电池蓄电池组进行供电的工作状态，将所述供电电源系统的供电电流置零，返回步骤(1)；
(3)、根据步骤(1)采集到的整体温度值TL，确定充电电流门限值Ith，具体确定方法如下：
如果Tth1≤TL≤Tth2，则设定充电电流门限值Ith＝Ith1；其中，Tth1为设定的低温门限值，Tth2为设定的高温门限值，Ith1为设定的常温时的充电电流最大值；
如果TL<Tth1，则根据设定的低温区间划分结果确定所述整体温度值TL处于的低温区间，并设定充电电流门限值Ith为所述低温区间内设定的充电电流最大值。具体实现方法如下：设定的低温区间划分结果包括M1个温度区间，且每个所述温度区间内设定了所述区间的充电电流最大值，即设定第m个所述温度区间的充电电流最大值为Im，其中，m＝1，2，…，M1，M1为正整数；如果所述整体温度值TL处于第m个所述温度区间，则设定充电电流门限值Ith＝Im。
如果TL>Tth2，则根据设定的高温区间划分结果确定所述整体温度值TL处于的高温区间，并设定充电电流门限值Ith为所述高温区间内设定的充电电流最大值，具体实现方法如下：设定的高温区间划分结果包括M2个温度区间，且每个所述温度区间内设定了所述区间的充电电流最大值，即设定第q个所述温度区间的充电电流最大值为Iq′，其中，q＝1，2，…，M2，M2为正整数；如果所述整体温度值TL处于第q个所述温度区间，则设定充电电流门限值Ith＝Iq′。
(4)、根据步骤(1)采集到的单体电池最大电压值Umax和设定的恒压门限值Uth，判断锂电池蓄电池组所处的充电阶段，其中，Umax＝max{Un},n＝1、2、…、N；具体判断方法如下：
如果Umax<Uth，则判断锂电池蓄电池组处于恒流充电阶段，进入步骤(5)；
如果Umax≥Uth，则判断锂电池蓄电池组处于恒压充电阶段，进入步骤(6)；
(5)、将步骤(3)确定的充电电流门限值Ith作为充电控制量，即当前时刻k的控制量u(k)＝Ith；然后进入步骤(9)；
(6)、根据PID算法计算得到当前时刻k的充电控制量u(k)，具体计算公式如下：
u(k)＝Δu(k)+u(k-1)；
Δu(k)＝KP[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+2e(k-2)]；
其中，u(k-1)为前一时刻的充电控制量；Δu(k)为充电控制增量；e(k-1)和e(k)分别为前一时刻和当前时刻的偏差量，其中，e(k)＝Uth-V(k)，V(k)为当前时刻测量得到的锂电池蓄电池组的电压；KP为设定的比例系数，Ki为设定的积分系数，Kd为设定的微分系数。其中，KP、Ki、Kd这三个参数与采样周期有关，可以通过仿真来确定一组的参数，也可以通过试验的方法获得，一般可先设Kd为0，确定KP和Ki后，再根据控制效果确定Kd。
(7)、将步骤(6)计算得到的当前时刻k的充电控制量u(k)与步骤(3)确定的充电电流门限值Ith进行比较，如果u(k)>Ith，则将当前时刻k的充电控制量u(k)修正为Ith，即u(k)＝Ith；
(8)、检测锂电池蓄电池组是否充满，如果所述锂电池蓄电池组已充满，则将充电控制量u(k)置零。
其中，本发明根据太阳电池阵电流IS、负载电流IR、电池组充电电流IC和电池组充电容量C，检测判断锂电池蓄电池组是否充满，具体检测判断方法如下：如果IS-IR≥A×C且IC≤B×C，且满足上述条件的状态保持时间tc≥T，则判断所述电池组已充满；其中，A和B分别为设定的第一比例系数和第二比例系数，且0<A<1、0<B<1；T为设定的保持时间门限值。在本实施例中，设定A＝0.06，B＝0.03，T＝60s。
(9)、输出充电控制量u(k)到电源控制器。
本发明的锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法，可通过软件中实现，得到的控制参数可在轨上注调整。这种控制方法可以与原有的硬件恒流-恒压控制电路互为备份，也可以独立于硬件恒流-恒压控制电路单独工作。该方法比硬件控制更灵活，适应不同寿命阶段对充电的要求，有利于延长蓄电池组的在轨寿命。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法，基于锂电池蓄电池组充电系统实现，所述系统包括供电电源系统、控制量计算模块和锂电池蓄电池组，所述供电电源系统包括太阳电池阵和电源控制器，且所述锂电池蓄电池组由N个单体电池组成，N为正整数；其中，控制量计算模块根据所述锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法计算得到充电控制量，并发送给电源控制器，电源控制器按照所述充电控制量对太阳电池阵提供的充电量进行控制，实现对锂电池蓄电池组的充电操作；其特征在于：所述控制量计算模块根据所述锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法计算得到充电控制量的具体步骤如下：
(1)、采集太阳电池阵电流IS、负载电流IR、锂电池蓄电池组的充电电流IC和放电电流IL、锂电池蓄电池组的整体温度值TL，以及N个单体电池的电压值，其中，第n个所述单体电池的电压值为Un，n＝1、2、…、N；
(2)、根据步骤(1)采集到的数据，判断供电电源系统的工作状态；具体判断方法如下：
如果太阳电池阵电流IS大于负载电流IR且放电电流IL＝0，则判断外部供电电源系统处于对锂电池蓄电池组进行充电的工作状态，进入步骤(3)；
如果放电电流IL>0，则判断供电电源系统不处于对锂电池蓄电池组进行供电的工作状态，将所述供电电源系统的供电电流置零，返回步骤(1)；
(3)、根据步骤(1)采集到的整体温度值TL，确定充电电流门限值Ith，具体确定方法如下：
如果Tth1≤TL≤Tth2，则设定充电电流门限值Ith＝Ith1；其中，Tth1为设定的低温门限值，Tth2为设定的高温门限值，Ith1为设定的常温时的充电电流最大值；
如果TL<Tth1，则根据设定的低温区间划分结果确定所述整体温度值TL处于的低温区间，并设定充电电流门限值Ith为所述低温区间内设定的充电电流最大值；
如果TL>Tth2，则根据设定的高温区间划分结果确定所述整体温度值TL处于的高温区间，并设定充电电流门限值Ith为所述高温区间内设定的充电电流最大值；
(4)、根据步骤(1)采集到的单体电池最大电压值Umax和设定的恒压门限值Uth，判断锂电池蓄电池组所处的充电阶段，其中，Umax＝max{Un},n＝1、2、…、N；具体判断方法如下：
如果Umax<Uth，则判断锂电池蓄电池组处于恒流充电阶段，进入步骤(5)；
如果Umax≥Uth，则判断锂电池蓄电池组处于恒压充电阶段，进入步骤(6)；
(5)、将步骤(3)确定的充电电流门限值Ith作为充电控制量，即当前时刻k的控制量u(k)＝Ith；然后进入步骤(9)；
(6)、根据PID算法计算得到当前时刻k的充电控制量u(k)；
(7)、将步骤(6)计算得到的当前时刻k的充电控制量u(k)与步骤(3)确定的充电电流门限值Ith进行比较，如果u(k)>Ith，则将当前时刻k的充电控制量u(k)修正为Ith，即u(k)＝Ith；
(8)、检测锂电池蓄电池组是否充满，如果所述锂电池蓄电池组已充满，则将充电控制量u(k)置零；
(9)、输出充电控制量u(k)到电源控制器。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法，其特征在于：在步骤(6)中，根据PID算法计算得到当前时刻k的充电控制量u(k)，具体计算公式如下：
u(k)＝Δu(k)+u(k-1)；
Δu(k)＝KP[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+2e(k-2)]；
其中，u(k-1)为前一时刻的充电控制量；Δu(k)为充电控制增量；e(k-1)和e(k)分别为前一时刻和当前时刻的偏差量，e(k-2)为前两时刻的偏差量；其中，e(k)＝Uth-V(k)，V(k)为当前时刻测量得到的锂电池蓄电池组的电压；KP为设定的比例系数，Ki为设定的积分系数，Kd为设定的微分系数。
3.根据权利要求1所述的一种锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法，其特征在于：在步骤(8)中，根据太阳电池阵电流IS、负载电流IR、电池组充电电流IC和电池组充电容量C，检测判断锂电池蓄电池组是否充满，具体检测判断方法如下：如果IS-IR≥A×C且IC≤B×C，且满足上述条件的状态保持时间tc≥T，则判断所述电池组已充满；其中，A和B分别为设定的第一比例系数和第二比例系数，且0<A<1、0<B<1；T为设定的保持时间门限值。
4.根据权利要求3所述的一种锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法，其特征在于：A＝0.06，B＝0.03，T＝60s。
5.根据权利要求3所述的一种锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法，其特征在于：在步骤(1)中，在锂电池蓄电池组上设置M个温度检测点，并将得到的M个温度测量值的平均值作为整体温度值TL。
6.根据权利要求1所述的一种锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法，其特征在于：在步骤(3)中，如果TL<Tth1，则根据设定的低温区间划分结果确定所述整体温度值TL处于的低温区间，并设定充电电流门限值Ith为所述低温区间内设定的充电电流最大值，具体实现方法如下：设定的低温区间划分结果包括M1个温度区间，且每个所述温度区间内设定了所述区间的充电电流最大值，即设定第m个所述温度区间的充电电流最大值为Im，其中，m＝1，2，…，M1，M1为正整数；如果所述整体温度值TL处于第m个所述温度区间，则设定充电电流门限值Ith＝Im。
7.根据权利要求1所述的一种锂电池蓄电池组恒流恒压充电的控制方法，其特征在于：在步骤(3)中，如果TL>Tth2，则根据设定的高温区间划分结果确定所述整体温度值TL处于的高温区间，并设定充电电流门限值Ith为所述高温区间内设定的充电电流最大值，具体实现方法如下：设定的高温区间划分结果包括M2个温度区间，且每个所述温度区间内设定了所述区间的充电电流最大值，即设定第q个所述温度区间的充电电流最大值为Iq′，其中，q＝1，2，…，M2，M2为正整数；如果所述整体温度值TL处于第q个所述温度区间，则设定充电电流门限值Ith＝Iq′。
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