CN106908733B - 一种卫星蓄电池产品在轨性能分析方法 - Google Patents

一种卫星蓄电池产品在轨性能分析方法 Download PDF

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Abstract

一种卫星蓄电池产品在轨性能分析方法，涉及卫星蓄电池产品在轨信息分析技术领域，步骤为：(1)获取每次蓄电池充放电循环分别对应的电压比较值(2)根据步骤(1)中得到的电压比较值确定蓄电池性能退化曲线以及对应的线性拟和公式(3)计算步骤(2)中所述公式中常数a和常数b的数值，并且从所述电压比较值中，提取首次蓄电池充放电循环对应的电压比较值和最后一次蓄电池充放电循环对应的电压比较值(4)根据步骤(3)中得到的常数a、常数b的数值以及蓄电池性能阈值获取蓄电池在轨寿命预测值Tfailure，并且根据步骤(3)中提取的所述和所述获取蓄电池性能退化率λ。

Description

一种卫星蓄电池产品在轨性能分析方法
技术领域
本发明属于卫星蓄电池产品在轨信息分析技术领域，涉及一种卫星蓄电池产品在轨性能分析方法。
背景技术
蓄电池是卫星电源系统的重要组成部分，通过蓄电池可以在地影区、光照区等太阳电池阵发电不足时为整颗卫星供电，而在太阳电池阵功率富裕时，可以将富裕的电能充入到蓄电池中，从而为蓄电池下次放电做好准备。因此，在轨蓄电池处于周期性的充放电循环过程中，经过长期的充放电循环后，蓄电池的性能会逐渐下降，直至电压过低甚至不能放电，导致卫星寿命终止，因此，蓄电池的使用寿命和在轨性能与整星的寿命和运转息息相关。
目前，在对卫星蓄电池产品性能数据进行退化研究时，通常是利用地面寿命试验得到的参数来进行性能衡量，由于地面寿命试验过程不是在卫星在轨运行的状态下进行的，因此每次循环过程的放电深度、放电电流等均可以进行精确的控制，进而可以保证每次循环的状态是一致的。然而当卫星在轨运行时，由于每次蓄电池充放电过程的状态不一致，会导致蓄电池的充电终止电压、放电终止电压等在地面寿命试验中能够表征性能退化的参数，难以用于进行卫星蓄电池产品在轨性能的分析，因此目前无法实现定量分析卫星蓄电池产品在轨性能退化情况。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种卫星蓄电池产品在轨性能分析方法。该方法基于每次蓄电池小电流充电过程的小电流基本是恒定的，从而可以保证每次蓄电池充放电循环比较的小电流充电阶段的外部状态是一致的，因此通过小电流充电阶段蓄电池电压变化情况，可以分析出卫星蓄电池在轨时的退化率和剩余寿命等在轨性能数据，实现了对卫星蓄电池产品在轨性能的分析。
本发明的技术解决方案是：一种卫星蓄电池产品在轨性能分析方法，包括如下步骤：
(1)获取每次蓄电池充放电循环分别对应的电压比较值所述电压比较值的计算公式为其中，i为第i次充放电循环，Vj为蓄电池小电流充电阶段第j时刻的蓄电池电压遥测值，m为计算电压比较值的起始时刻，n为计算电压比较值的终止时刻；
(2)根据步骤(1)中得到的每次蓄电池充放电循环分别对应的电压比较值和Ti，生成蓄电池性能退化曲线，其中，所述蓄电池性能退化曲线对应的线性拟和公式为Ti为在轨性能分析时间段内间隔固定周期对应的时刻，a和b为常数；
(3)计算步骤(2)的线性拟合公式中，常数a和常数b的数值，并且从所述每次蓄电池充放电循环分别对应的电压比较值中，提取首次蓄电池充放电循环对应的电压比较值作为和最后一次蓄电池充放电循环对应的电压比较值作为
(4)根据公式计算蓄电池在轨寿命预测值Tfailure，并且根据步骤(3)中提取的所述首次蓄电池充放电循环对应的电压比较值和所述最后一次蓄电池充放电循环对应的电压比较值获取蓄电池性能退化率λ，其中，为蓄电池性能阈值。
进一步地，所述步骤(4)中获取蓄电池性能退化率λ的方法为：根据公式计算蓄电池性能退化率λ。
进一步地，所述步骤(3)中计算常数a的方法为：根据公式计算常数a，其中，为所有时间点电压比较值的均值，为所有时间点的均值，p为蓄电池充放电循环总次数或者为总的时间点个数。
进一步地，所述步骤(3)中计算常数b的方法为：根据公式计算常数b，其中，为所有时间点电压比较值的均值，为所有时间点的均值，p为蓄电池充放电循环总次数或者为总的时间点个数。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过以蓄电池小电流充电过程的电池电压变化情况来衡量蓄电池性能长期变化情况，由于此阶段在每一次蓄电池充放电循环过程中的状态参数基本一致，避免了由于各循环整体放电和充电过程中的状态参数不一致而不能定量分析蓄电池性能退化的问题。
(2)本发明利用小电流充电过程某一时间段范围的电压均值作为每次蓄电池充放电循环性能的电压比较值，解决了卫星蓄电池电压遥测值并非连续变化且存在跳变的问题。
(3)本发明利用蓄电池充放电循环的电压比较值的相对变化量确定蓄电池性能的退化率，同时，利用每次蓄电池充放电循环分别对应的电压比较值描绘蓄电池在轨性能变化趋势，并通过性能退化曲线对应的公式可以进行蓄电池在轨剩余寿命预测，从而实现了对卫星蓄电池产品在轨性能的分析。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图；
图2为蓄电池在轨一个放电-充电循环的电压变化情况图；
图3为相邻两次蓄电池在轨放电-充电循环电压变化对比图；
图4为两个小电流充电阶段电压变化曲线；
图5为数据处理后蓄电池在轨性能变化趋势曲线图。
具体实施方式
本发明方法的流程框图如图1所示，在具体说明本发明的实现过程之前，需要说明的是，卫星蓄电池在轨一个放电-充电循环内的电压变化情况如图2所示，蓄电池在轨经历入地影期间放电、出地影后充电的循环往复过程，充电过程又分为大电流充电和小电流充电两个阶段，一般大电流充电至一个设定电压后结束，转入小电流充电阶段，其中，设定电压的数值具体可以根据蓄电池具体型号和在轨充电控制方式进行确定，本发明实施例不做限定，例如，可以为54V。相邻两次蓄电池在轨放电-充电循环电压变化对比情况如图3所示，可以看出，即使在同一天的相邻两个蓄电池充放电循环过程中，其放电过程和大电流充电过程对应的电压变化趋势也是不同的，由于每次放电过程的电压变化不同导致放电终止时刻的蓄电池电压不同，因此不能利用放电终压来直接表征蓄电池当前在轨性能。
虽然放电过程和大电流充电过程对应的电压变化趋势不同，但是大电流充电截止后小电流充电过程对应的电压变化趋势基本上是一致的，包括起始电压和电压的下降趋势。因此，本发明选择小电流充电阶段作为蓄电池在轨性能变化的分析对象。小电流充电阶段蓄电池电压呈现由最初快速下降，然后逐渐平缓，最后基本上保持恒定不变。两个小电流充电阶段电压变化曲线如图4所示，可以看出变化较快的时间在1分钟前后。从图中可以看出，由于数据下传速率等条件的限制，卫星蓄电池电压遥测值并不是连续变化，一方面，在时间上电压遥测并不是连续的，另一方面，电压遥测值的大小只能显示为相差约0.1-0.3V的离散点。为此，本发明选择某一时间段范围的电压均值作为每次蓄电池充放电循环性能的电压比较值。
下面对图1中本发明方法的具体步骤进行详细阐述：
(1)确定电压比较值对应的提取时间段范围以及在轨性能的分析的间隔周期。
其中，电压比较值对应的时间段范围为从小电流充电阶段对应的时间段选取的时间范围，例如，可以为小电流充电阶段的60-70秒、70-80秒等，本发明不做限定。在轨性能分析的间隔周期可以根据分析的时间来确定，例如，进行在轨卫星一年的性能分析，则间隔周期可以为1个月；进行在轨卫星一个月的性能分析，则间隔周期可以为1天。
(2)计算每次蓄电池充放电循环分别对应的电压比较值所述电压比较值通过下式计算：
其中，i为第i次充放电循环，Vj为蓄电池小电流充电阶段第j时刻的蓄电池电压遥测值，m为计算电压比较值的起始时刻，n为计算电压比较值的终止时刻。
(3)根据步骤(2)中得到的每次蓄电池充放电循环分别对应的电压比较值生成蓄电池性能退化曲线，其中，性能退化曲线对应的线性拟和公式为a和b为常数，Ti为在轨性能分析时间段内间隔固定周期对应的时刻，例如，如果间隔周期为1个月，则Ti为0月、1月、2月等。
其中，蓄电池性能退化曲线具体可以根据每次蓄电池充放电循环分别对应的电压比较值采用曲线拟合的方法进行绘制。进一步需要说明的是，所述蓄电池性能退化曲线可以为线性曲线也可以为非线性曲线，此处以线性曲线为例进行说明。
(4)计算步骤(3)中所述公式中常数a和常数b的数值，并且从所述每次蓄电池充放电循环分别对应的电压比较值中，提取首次蓄电池充放电循环对应的电压比较值和最后一次蓄电池充放电循环对应的电压比较值
其中，所述性能退化曲线对应的公式中，常数a的计算公式为
所述性能退化曲线对应的公式中，常数b的计算公式为
其中，为所有时间点电压比较值的均值，为所有时间点的均值，p为蓄电池充放电循环总次数或者为总的时间点个数。
(5)根据步骤(4)中得到的常数a、常数b的数值以及蓄电池性能阈值获取蓄电池在轨寿命预测值Tfailure，并且根据步骤(4)中提取的所述起始时刻蓄电池充放电循环对应的电压比较值和所述终止时刻蓄电池充放电循环对应的电压比较值获取蓄电池性能退化率λ。
所述蓄电池性能退化率λ的计算公式为：
其中，为首次蓄电池充放电循环对应的电压比较值，为最后一次蓄电池充放电循环对应的电压比较值。
蓄电池在轨寿命预测值的计算公式为：
其中，为蓄电池性能阈值，蓄电池性能阈值具体可以根据卫星系统对蓄电池性能的需求进行配置，当蓄电池性能下降到不能满足外部供电需求时对应临界值即为性能阈值。
实施例
第1步，确定公式(1)中的参数，本例中取m＝60，n＝90，即利用小电流充电阶段60秒至90秒的电压遥测来计算间隔周期为1个月，分析1年内的蓄电池退化情况。
第2步，获取第一次循环小电流充电阶段1分钟至1.5分钟的电压遥测值，具体可以如下表所示：
表1第1循环60秒至90秒的电压遥测
序号 时间(秒) 电压遥测(V)
1 60 51.84
2 61 51.84
3 62 51.84
4 63 51.57
5 64 51.57
6 65 51.57
7 66 51.57
8 67 51.57
9 68 51.84
10 69 51.84
11 70 51.57
12 71 51.84
13 72 51.84
14 73 51.57
15 74 51.84
16 75 51.84
17 76 51.84
18 77 51.57
19 78 51.84
20 79 51.57
21 80 51.57
22 81 51.84
23 82 51.57
24 83 51.57
25 84 51.57
26 85 51.57
27 86 51.57
28 87 51.57
29 88 51.57
30 89 51.57
31 90 51.57
第3步，通过公式(1)计算
第4步，通过1个月后对应蓄电池充放电循环的电压遥测值，重复第2和第3步，求得1个月后的电压比较值。以此类推，求取第2至12月之后的电压比较值。具体数值可以如下表所示：
表2 1年内每月的电压比较值
第5步，根据起始时刻和后面的每隔一个月的电压比较值，生成1年内蓄电池性能退化趋势曲线，如图5所示。性能退化趋势曲线对应的公式为
第6步，根据公式(2)和(3)，可求得a＝-0.078，b＝51.772，并且提取起始时刻蓄电池充放电循环对应的电压比较值和终止时刻蓄电池充放电循环对应的电压比较值分别为51.675和50.769。
第7步，根据公式(4)计算可以得到蓄电池性能退化率λ＝(51.675-50.769)/51.675＝1.75％，即1年内蓄电池性能退化率约为1.75％。同时，预设蓄电池性能阈值则根据公式(5)计算可以得到蓄电池在轨寿命预测值Tfailure＝86.869，即蓄电池在轨寿命约87个月，剩余寿命约为87-13＝74个月。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种卫星蓄电池产品在轨性能分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取每次蓄电池充放电循环分别对应的电压比较值所述电压比较值的计算公式为其中，i为第i次充放电循环，Vj为蓄电池小电流充电阶段第j时刻的蓄电池电压遥测值，m为计算电压比较值的起始时刻，n为计算电压比较值的终止时刻；
(2)根据步骤(1)中得到的每次蓄电池充放电循环分别对应的电压比较值和Ti，生成蓄电池性能退化曲线，其中，所述蓄电池性能退化曲线对应的线性拟和公式为Ti为在轨性能分析时间段内间隔固定周期对应的时刻，a和b为常数；
(3)计算步骤(2)的线性拟合公式中，常数a和常数b的数值，并且从所述每次蓄电池充放电循环分别对应的电压比较值中，提取首次蓄电池充放电循环对应的电压比较值作为和最后一次蓄电池充放电循环对应的电压比较值作为
(4)根据公式计算蓄电池在轨寿命预测值Tfailure，并且根据步骤(3)中提取的所述首次蓄电池充放电循环对应的电压比较值和所述最后一次蓄电池充放电循环对应的电压比较值获取蓄电池性能退化率λ，其中，为蓄电池性能阈值。
2.根据权利要求1所述的一种卫星蓄电池产品在轨性能分析方法，其特征在于，所述步骤(4)中获取蓄电池性能退化率λ的方法为：根据公式计算蓄电池性能退化率λ。
3.根据权利要求1或2所述的一种卫星蓄电池产品在轨性能分析方法，其特征在于，所述步骤(3)中计算常数a的方法为：根据公式计算常数a，其中，为所有时间点电压比较值的均值，为所有时间点的均值，p为蓄电池充放电循环总次数或者为总的时间点个数。
4.根据权利要求3所述的一种卫星蓄电池产品在轨性能分析方法，其特征在于，所述步骤(3)中计算常数b的方法为：根据公式计算常数b，其中，为所有时间点电压比较值的均值，为所有时间点的均值，p为蓄电池充放电循环总次数或者为总的时间点个数。
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