CN107611504B - 一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法，蓄电池组是由多个单体串并联构成的，包括以下步骤：步骤1：当中高轨卫星进入长光照期时，使蓄电池组单体在第一预设温度范围和预设荷电态SOC1下储存；步骤2：当中高轨卫星进入进影期前N天时，提高蓄电池组单体温度至第二预设温度范围内，然后将蓄电池组充电至蓄电池组地影期充电终压；步骤3：当中高轨卫星进入地影期时，维持蓄电池组单体温度在第二预设温度范围内；出影后执行步骤1。本发明锂离子蓄电池组在长光照期采用低温低荷电态储存，地影期期间逐步提升蓄电池组充电终压，减小了蓄电池组的容量衰减，延长了蓄电池组使用寿命。

Description

一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法
技术领域
本发明涉及空间储能电源技术领域，具体涉及一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法。
背景技术
锂离子蓄电池是指以锂离子嵌入化合物作为正、负极活性物质的二次电池。与传统的铅酸电池、镉镍电池和氢镍电池相比，锂离子蓄电池具有比能量高、工作电压高、应用范围宽和自放电率低等诸多优点，因此已成为继镉镍电池、氢镍电池之后的第三代空间储能电源。如果用锂离子电池取代目前卫星等航天器所用的储能电源，可将储能电源在电源分系统中所占的质量由30％～40％降低至10％～15％，大大降低发射成本，增加有效载荷。
正确合理地使用锂离子蓄电池组，可以有效延长锂离子蓄电池的使用寿命。与低轨道(LEO)轨道飞行器锂离子蓄电池组每年5000多周的充放电循环不同，中高轨卫星锂离子蓄电池每年春秋分前后共有92次或192次充放电循环，最长放电时间约1h；其余260天蓄电池组处于在轨储存状态；且中高轨卫星寿命一般为10年以上。因此，必须根据中高轨卫星轨道特点，制定与LEO不同的锂离子蓄电池组在轨管理方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法，以延长了蓄电池组的使用寿命。
为达到上述目的，本发明提供了一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法，蓄电池组是由多个单体串并联构成的，包括以下步骤：
步骤1：当中高轨卫星进入长光照期时，使蓄电池组单体在第一预设温度范围和预设荷电态SOC1下储存；
步骤2：当中高轨卫星进入进影期前N天时，提高蓄电池组单体温度至第二预设温度范围内，然后将蓄电池组充电至蓄电池组地影期充电终压；
步骤3：当中高轨卫星进入地影期时，维持蓄电池组单体温度在第二预设温度范围内；出影后执行步骤1。
上述的中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法，其中，在步骤1中，当蓄电池组单体电压下降至预设电压U1时，对蓄电池组单体补充充电至所述预设荷电态SOC1。
上述的中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法，其中，所述预设荷电态SOC1为60％～80％。
上述的中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法，其中，在步骤2中，还包括对蓄电池组单体均衡使能。
上述的中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法，其中，所述蓄电池组单体均衡使能具体为：当蓄电池组中单体之间最高电压和最低电压之差大于预设电压差ΔU1时，对高电压单体进行均衡；当均衡单体电压与单体最低电压之差小于预设电压差ΔU2时，完成均衡。
上述的中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法，其中，在步骤3中，当在出影前M个地影期蓄电池组充放电循环时，将蓄电池组地影期充电终压调整至长光照期预设荷电态SOC1下储存时的充电终压。
上述的中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法，其中，在步骤3中，当不是出影前M个地影期蓄电池组充放电循环时，蓄电池组中任意一个单体放电终压每低于预设电压U2一次，则将蓄电池组地影期充电终压提高预设电压差ΔU3一次。
本发明具有如下技术效果：
(1)锂离子蓄电池组在长光照期采用低温低荷电态(State of Charge，SOC)储存，减少了锂离子蓄电池组储存时的容量衰减，有效延长了蓄电池组的使用寿命；
(2)锂离子蓄电池组在长光照期储存时，当蓄电池组中任意正常单体电压下降到某一数值时，以小电流对蓄电池组单体补充充电，保证了整星应急情况下对能量的需求；
(3)地影期期间在满足整星功率的条件下，蓄电池组的充电终压(End Of ChargeVoltage，EOCV)首先选取一个较低的值，之后逐步提升蓄电池组充电终压(EOCV)来提高蓄电池组的容量，制定了蓄电池组在轨充电终压(EOCV)分档标准。减小了充放电循环时蓄电池组的容量衰减，延长了蓄电池组的使用寿命。
(4)本发明在轨管理方法简单易实现且可靠性高，对中高轨卫星用锂离子蓄电池组管理具有重要的工程价值。
附图说明
图1为本发明中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法的流程图；
图2为本发明中高轨卫星锂离子蓄电池组长光照期在轨管理方法的流程图；
图3为本发明中高轨卫星锂离子蓄电池组进影期前N天在轨管理方法的流程图；
图4为本发明中高轨卫星锂离子蓄电池组地影期在轨管理方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
如图1所示，本发明提供了一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法，蓄电池组是由多个单体串并联构成的，包括以下步骤：
步骤1：当中高轨卫星进入长光照期时，使蓄电池组单体在第一预设温度范围和预设荷电态SOC1下储存；
步骤2：当中高轨卫星进入进影期前N天时，提高蓄电池组单体温度至第二预设温度范围内，然后将蓄电池组充电至蓄电池组地影期充电终压；
步骤3：当中高轨卫星进入地影期时，维持蓄电池组单体温度在第二预设温度范围内；出影后执行步骤1。
在步骤1中，当蓄电池组单体电压下降至预设电压U1时，对蓄电池组单体补充充电至所述预设荷电态SOC1。
所述预设荷电态SOC1为60％～80％。
在步骤2中，还包括对蓄电池组单体均衡使能。
所述蓄电池组单体均衡使能具体为：当蓄电池组中单体之间最高电压和最低电压之差大于预设电压差ΔU1时，对高电压单体进行均衡；当均衡单体电压与单体最低电压之差小于预设电压差ΔU2时，完成均衡。
在步骤3中，当在出影前M个地影期蓄电池组充放电循环时，将蓄电池组地影期充电终压调整至长光照期预设荷电态SOC1下储存时的充电终压。
在步骤3中，当不是出影前M个地影期蓄电池组充放电循环时，蓄电池组中任意一个单体放电终压每低于预设电压U2一次，则将蓄电池组地影期充电终压提高预设电压差ΔU3一次。
在具体实施事例中，在冬(夏)至前后约130或135天为中高轨卫星的长光照期，锂离子蓄电池组处于在轨存储状态。如图2所示，通过卫星热控分系统控制，使蓄电池组单体在轨处于-5℃～10℃的低温储存状态。通过电源分系统的设置，控制锂离子蓄电池组在低荷电态下储存，为了整星的应急状态，一般将蓄电池组的荷电态控制在60％～80％；蓄电池组的荷电态通过设置蓄电池组的电压来实现。由于回路的漏电流和蓄电池组单体自身的自放电引起蓄电池组单体电压下降，当电压下降到某一值时(一般取[3.6V，3.8V]某一电压值)，通过电源分系统以小电流(一般取[0.02C，0.1C]某一电流值)自动为蓄电池组单体补充充电至储存要求的低荷电态。
当中高轨卫星进入地影期前15天，锂离子蓄电池组执行进影期前15天的管理，如图3所示。通过卫星热控分系统，逐渐提高蓄电池组的温度；并对蓄电池组单体均衡使能，具体方法为：蓄电池组中单体之间最高电压与最低电压之差大于60mV时，对高电压单体进行均衡，当均衡单体电压与单体最低电压差小于10mV时，均衡完成；待温度提高到蓄电池组最佳工作温度范围内(20℃±3℃)，通过电源分系统以一定充电电流(一般取0.1C)为蓄电池组充电到地影期充电终压(EOCV)。
在春(秋)分前后，中高轨卫星进入地影期，锂离子蓄电池组执行地影期的在轨管理，如图4所示。通过卫星热控分系统的控制和管理，锂离子蓄电池组维持在最佳温度范围内(20℃±3℃)。在阴影时间内，锂离子蓄电池组通过电源控制器为整星供电。为了延长蓄电池组的使用寿命，在满足整星功率的条件下，蓄电池组的充电终压(EOCV)选取一个较低的初始值(如3.95V×n，n为蓄电池组中单体串联数)；当不是出影前3个地影期蓄电池组充放电循环时，每当蓄电池组中任意一个单体放电终压低于3.3V时，按照蓄电池组在轨标准充电电压分档表(如表1所示)提升蓄电池组充电终压(EOCV)来提高蓄电池组的容量；具体为：当不是出影前3个地影期蓄电池组充放电循环时，蓄电池组中任意一个单体放电终压每低于预设电压3.3V一次，则将蓄电池组地影期充电终压提高预设电压差0.05V×n串一次，n为蓄电池组中单体串联数。
表1锂离子蓄电池组在轨标准充电电压分档表
Figure BDA0001395081480000051
卫星地影期，蓄电池组充放电一次为一个地影期充放电循环。因此，每年高轨卫星蓄电池组有92个地影期充放电循环，中轨卫星蓄电池组有192个地影期充放电循环。在出影前三个地影期蓄电池组充放电循环，将蓄电池组充电终压(EOCV)调整至光照期低荷电态储存时的充电终压(EOCV)，出影后进入长光照期管理模式。
综上所述，本发明锂离子蓄电池组在长光照期采用低温低荷电态储存，减少了锂离子蓄电池组的容量衰减，有效延长了蓄电池组的使用寿命；地影期期间，蓄电池组的充电终压首先选取一个较低的值，之后逐步提升蓄电池组充电终压，减小了充放电循环时蓄电池组的容量衰减，延长了蓄电池组使用寿命。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法，其特征在于，蓄电池组是由多个单体串并联构成的，包括以下步骤：
步骤1：当中高轨卫星进入长光照期时，使蓄电池组单体在第一预设温度范围和预设荷电态SOC1下储存；
步骤2：当中高轨卫星进入进影期前N天时，提高蓄电池组单体温度至第二预设温度范围内，然后将蓄电池组充电至蓄电池组地影期充电终压；
步骤3：当中高轨卫星进入地影期时，维持蓄电池组单体温度在第二预设温度范围内；出影后执行步骤1；当在出影前M个地影期蓄电池组充放电循环时，将蓄电池组地影期充电终压调整至长光照期预设荷电态SOC1下储存时的充电终压；当不是出影前M个地影期蓄电池组充放电循环时，蓄电池组中任意一个单体放电终压每低于预设电压U2一次，则将蓄电池组地影期充电终压提高预设电压差ΔU3一次。
2.如权利要求1所述的中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法，其特征在于，在步骤1中，当蓄电池组单体电压下降至预设电压U1时，对蓄电池组单体补充充电至所述预设荷电态SOC1。
3.如权利要求1所述的中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法，其特征在于，所述预设荷电态SOC1为60％～80％。
4.如权利要求1所述的中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法，其特征在于，在步骤2中，还包括对蓄电池组单体均衡使能。
5.如权利要求4所述的中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法，其特征在于，所述蓄电池组单体均衡使能具体为：当蓄电池组中单体之间最高电压和最低电压之差大于预设电压差ΔU1时，对高电压单体进行均衡；当均衡单体电压与单体最低电压之差小于预设电压差ΔU2时，完成均衡。
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