CN108695926A - 一种高轨卫星锂离子蓄电池组控制方法 - Google Patents

一种高轨卫星锂离子蓄电池组控制方法 Download PDF

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Abstract

一种高轨卫星锂离子蓄电池组控制方法，通过对卫星蓄电池组于光照季、地影季的不同飞行时期内的电压、电流、温度参数进行监控，同时引入补充充电阈值及放电容量计算监控，并对不同飞行时期的阈值进行修正，实现了卫星在轨运行期间蓄电池组的精确控制，简化了控制流程，提高了稳定性，同时能够提前对应急状况进行预判。

Description

一种高轨卫星锂离子蓄电池组控制方法
技术领域
本发明涉及一种高轨卫星锂离子蓄电池组控制方法，属于卫星电源控制领域。
背景技术
蓄电池是卫星能源系统中重要的组成部分。在星蚀期，没有太阳电池功率输出或输出能力不足时，蓄电池组为整星提供能源，保证各用电负载的功率需求。
由于对空间卫星储能电源重量比功率的要求不断提高，传统的氢镍电池无法适应大容量GEO通信卫星平台的重量指标要求，已经逐步被锂离子电池替代的趋势。同样的能量级别锂离子电池仅为氢镍电池的1/2，可以提高卫星平台的载荷比，降低发射成本，同时锂离子蓄电池具有热效应小、自放电小和易于模块化等优点，在航天领域应用优势明显，正成为继镉镍和氢镍电池之后第三代航天用储能电源。
然而，锂离子蓄电池存在过充过放后对于电池性能损害较大的问题，在电池充放电过程中，需要监视整组电压、电池温度、充电电流，在光照季及地影季中，对蓄电池的补充充电及温度阈值标准也存在差异，现有的控制技术在判断阈值上并没有进行区分，缺少在异常情况下对蓄电池组进行的有效保护措施，当前控制方法的空间应用流程复杂，同时无法对地影季蓄电池组放电容量进行监控，无法实现应急情况下的保护及卫星不同飞行时间段的提前保护。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中控制方法无法在卫星不同飞行时间段对新型锂电池组采取不同控制阈值的问题，提出了一种高轨卫星锂离子蓄电池组控制方法。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种高轨卫星锂离子蓄电池组控制方法，具体步骤如下：
(1)在光照季正常在轨运行过程中，根据卫星蓄电池组于太阳翼正常工作情况下预设的第一补充充电阈值、第一温度保护阈值、保护电压阈值、电流保护阈值进行蓄电池组保护控制，其中所述电流保护阈值随温度变化；
(2)当卫星于光照季进入地影季前，保持保护电压阈值不变，根据地面遥控指令将蓄电池组第一温度控制阈值和第一补充充电阈值分别转换为第二温度控制阈值和第二补充充电阈值；
(3)当卫星进入地影季后，当太阳翼电池板输出功率低于整星负载需求时，计算蓄电池组放电容量，根据步骤(2)转换后阈值及蓄电池组放电容量阈值进行蓄电池组保护控制；
(4)当卫星于地影季进入光照季前，保持保护电压阈值不变，根据地面遥控指令将蓄电池组第二温度控制阈值和第二补充充电阈值转换为第三温度控制阈值和第一补充充电阈值；
(5)对蓄电池组放电状态进行监测，若蓄电池组放电工作后连续固定时间内未放电，则将第三温度控制阈值修改为第一温度控制阈值，返回步骤(1)。
所述步骤(1)中，进行蓄电池组保护控制的具体方法如下：
(a)当蓄电池组电压低于光照季第一补充充电下限阈值时，开始对蓄电池组充电，直至高于第一补充充电上限阈值时，停止对蓄电池组充电；
(b)当蓄电池组电压高于光照季保护电压上限阈值，停止对蓄电池组充电，当蓄电池组电压低于保护电压下限阈值，恢复对蓄电池组充电；
(c)当蓄电池组温度高于光照季第一温度控制上限阈值或低于光照季第一温度控制下限阈值时，停止对蓄电池组充电；
(d)当其中一组蓄电池组的充电电流高于该温度环境下的对应充电电路电流阈值时，将充电电流按照预设缺省电流值进行设定。
所述第一补充充电下限阈值为76V，所述第一补充充电上限阈值为80V。
所述光照季电压下限阈值为80V，所述光照季电压上限阈值为84V。
所述第一温度控制下限阈值为0度，所述第一温度控制上限阈值为35度。
所述步骤(2)中，所述第二温度控制下限阈值为14度，第二温度控制上限阈值为16度，第二补充充电上限阈值为81V、第二补充充电下限阈值为79V。
所述步骤(3)中，进行蓄电池组保护控制的具体方法如下：
(a)当蓄电池组电压超过第二补充充电上限阈值，停止对该蓄电池组的充电；当其中一组蓄电池组电压低于第二补充充电下限阈值，开始对该蓄电池组进行充电；
(b)当蓄电池组电压超过电压保护上限阈值，停止对该蓄电池组的充电；当其中一组蓄电池组电压低于电压保护下限阈值，恢复对该蓄电池组进行充电；
(c)当蓄电池组温度不小于35度或不大于0度时，停止对该蓄电池组的充电；当停止充电的蓄电池组温度由35度以上降低至25度或蓄电池组温度由0度增加至2度时，对该蓄电池组恢复充电；
(d)当蓄电池组的充电电流高于该温度环境下的对应充电电路电流阈值时，将充电电流按照当前温度下对应最低缺省电流值进行设定；
(e)当检测到蓄电池组的放电容量低于蓄电池组放电容量阈值，停止充电，当蓄电池组放电容量高于蓄电池放电容量阈值时，恢复充电。
所述蓄电池组放电容量阈值为32mAs。
所述步骤(4)中，所述第三温度控制下限阈值为2度，第三温度控制上限阈值为4度。
优选的，所述地面遥控指令发送时间为卫星于光照季进入地影季前3～5天及卫星于地影季进入光照季前3～5天。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提供的一种高轨卫星锂离子蓄电池组控制方法，在光照季对新型的锂离子蓄电池进行电压、电流、温度情况监测，同时在地影季中根据太阳翼及蓄电池组的工作情况改变补充充电电压阈值及温度保护控制阈值，避免了光照季和地影季不同的工作环境及状态使用同一阈值造成的蓄电池组电池性能损害的问题，能够有效的保护蓄电池组；
(2)本发明中在地影季对电压、电流、温度情况监测的同时，引入了蓄电池组放电容量计算及检测，通过放电容量的大小判断蓄电池组是否需要进行保护，根据四种参数指标情况同时进行蓄电池组控制，通过引入了新的判定标准并增加了控制的准确性，同时简化了方法流程。
附图说明
图1为发明提供的控制方法流程图；
图2为发明提供的温度阈值及缺省电流对比图；
具体实施方式
一种高轨卫星锂离子蓄电池组控制方法，如图1所示，具体步骤如下：
(1)在光照季正常在轨运行过程中，根据卫星蓄电池组于太阳翼正常工作情况下预设的第一补充充电阈值、电压保护阈值、电流保护阈值、第一温度保护阈值判断蓄电池组是否需要进行保护，其中，判断具体方法如下：
(1a)当蓄电池组电压低于光照季第一补充充电下限阈值时，开始对蓄电池组充电，直至高于光照季第一补充充电上限阈值时，停止对蓄电池组充电，所述补充充电下限阈值为76V，所述补充充电上限阈值为80V；
(1b)当蓄电池组电压高于光照季电压上限阈值，停止对蓄电池组充电，当蓄电池组电压低于光照季电压下限阈值，恢复对蓄电池组充电，所述光照季电压下限阈值为80V，所述光照季电压上限阈值为84V；
(1c)当蓄电池组温度高于光照季第一温度控制上限阈值或低于光照季第一温度控制下限阈值时，停止对蓄电池组充电，所述光照季温度控制下限阈值为0度，所述光照季电压上限阈值为35度；
(1d)当其中一组蓄电池组的充电电流高于该温度环境下的对应充电电路电流阈值时，将充电电流按照预设缺省电流值进行设定，其中对应温度环境下电流阈值及缺省电流值如图2所示，具体数值如下表所示；
(2)当卫星于光照季进入地影季前3～5天，根据地面遥控指令对蓄电池组第一温度控制阈值和第一补充充电阈值进行转换，转换为第二温度控制阈值和第二补充充电阈值，所述第二温度控制下限阈值修改为14度，第二温度控制上限阈值修改为16度，第二补充充电上限阈值修改为81V、第二补充充电下限阈值修改为79V；
(3)在步骤(2)的基础上，当太阳翼电池板输出功率低于整星负载需求时，蓄电池组开始放电，根据步骤(1)预设阈值及步骤(2)修改阈值判断蓄电池组是否需要保护；同时计算放电容量阈值，并于放电结束后判断蓄电池组是否需要充电，其中，具体判定方法如下：
(3a)当蓄电池组电压超过第二补充充电上限阈值，停止对该蓄电池组的充电；当其中一组蓄电池组电压低于第二补充充电下限阈值，开始对该蓄电池组进行充电；
(3b)当蓄电池组电压超过电压保护上限阈值，停止对该蓄电池组的充电；当其中一组蓄电池组电压低于电压保护下限阈值，恢复对该蓄电池组进行充电；
(3c)当蓄电池组温度大于35度或小于0度时，停止对该蓄电池组的充电；当停止充电的蓄电池组温度由35度以上降低至25度或蓄电池组温度由0度增加至2度时，对该蓄电池组恢复充电；
(3d)当蓄电池组的充电电流高于该温度环境下的对应充电电路电流阈值时，将充电电流按照预设缺省电流值进行设定，同步骤(1d)；
(3e)充电模式下，当检测到蓄电池组的放电容量低于蓄电池放电容量阈值，停止充电；所述放电容量阈值为32mAs，其中，放电容量的计算公式为：
式中，CD0为前一次退出放电模式时放电容量累计值，CD为该蓄电池组放电容量，T0为开始充电时刻，Δt为充电时长，IC为充电电流，k为充电效率。
(4)在步骤(3)的基础上，当卫星于地影季进入光照季前3～5天，根据地面遥控指令对蓄电池组温度控制阈值和补充充电阈值进行转换，转换为第三温度控制阈值和第一补充充电阈值，所述第三温度控制下限阈值为2度，第三温度控制上限阈值为4度，同时进行出影检测；
(5)根据步骤(4)出影检测结果判断蓄电池组工作状态，若蓄电池组放电工作后连续48h未放电，则卫星进入光照季，将第三温度控制阈值修改为第一温度控制阈值，重复步骤(1)，进入下个卫星在轨运行周期。

Claims (10)

1.一种高轨卫星锂离子蓄电池组控制方法，其特征在于步骤如下：
(1)在光照季正常在轨运行过程中，根据卫星蓄电池组于太阳翼正常工作情况下预设的第一补充充电阈值、第一温度保护阈值、保护电压阈值、电流保护阈值进行蓄电池组保护控制，其中所述电流保护阈值随温度变化；
(2)当卫星于光照季进入地影季前，保持保护电压阈值不变，根据地面遥控指令将蓄电池组第一温度控制阈值和第一补充充电阈值分别转换为第二温度控制阈值和第二补充充电阈值；
(3)当卫星进入地影季后，当太阳翼电池板输出功率低于整星负载需求时，计算蓄电池组放电容量，根据步骤(2)转换后阈值及蓄电池组放电容量阈值进行蓄电池组保护控制；
(4)当卫星于地影季进入光照季前，保持保护电压阈值不变，根据地面遥控指令将蓄电池组第二温度控制阈值和第二补充充电阈值转换为第三温度控制阈值和第一补充充电阈值；
(5)对蓄电池组放电状态进行监测，若蓄电池组放电工作后连续固定时间内未放电，则将第三温度控制阈值修改为第一温度控制阈值，返回步骤(1)。
2.根据权利要求1所述的一种高轨卫星锂离子蓄电池组控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，进行蓄电池组保护控制的具体方法如下：
(a)当蓄电池组电压低于光照季第一补充充电下限阈值时，开始对蓄电池组充电，直至高于第一补充充电上限阈值时，停止对蓄电池组充电；
(b)当蓄电池组电压高于光照季保护电压上限阈值，停止对蓄电池组充电，当蓄电池组电压低于保护电压下限阈值，恢复对蓄电池组充电；
(c)当蓄电池组温度高于光照季第一温度控制上限阈值或低于光照季第一温度控制下限阈值时，停止对蓄电池组充电；
(d)当其中一组蓄电池组的充电电流高于该温度环境下的对应充电电路电流阈值时，将充电电流按照预设缺省电流值进行设定。
3.根据权利要求2所述的一种高轨卫星锂离子蓄电池组控制方法，其特征在于：所述第一补充充电下限阈值为76V，所述第一补充充电上限阈值为80V。
4.根据权利要求2所述的一种高轨卫星锂离子蓄电池组控制方法，其特征在于：所述光照季电压下限阈值为80V，所述光照季电压上限阈值为84V。
5.根据权利要求2所述的一种高轨卫星锂离子蓄电池组控制方法，其特征在于：所述第一温度控制下限阈值为0度，所述第一温度控制上限阈值为35度。
6.根据权利要求1所述的一种高轨卫星锂离子蓄电池组控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述第二温度控制下限阈值为14度，第二温度控制上限阈值为16度，第二补充充电上限阈值为81V、第二补充充电下限阈值为79V。
7.根据权利要求6所述的一种高轨卫星锂离子蓄电池组控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中，进行蓄电池组保护控制的具体方法如下：
(a)当蓄电池组电压超过第二补充充电上限阈值，停止对该蓄电池组的充电；当其中一组蓄电池组电压低于第二补充充电下限阈值，开始对该蓄电池组进行充电；
(b)当蓄电池组电压超过电压保护上限阈值，停止对该蓄电池组的充电；当其中一组蓄电池组电压低于电压保护下限阈值，恢复对该蓄电池组进行充电；
(c)当蓄电池组温度不小于35度或不大于0度时，停止对该蓄电池组的充电；当停止充电的蓄电池组温度由35度以上降低至25度或蓄电池组温度由0度增加至2度时，对该蓄电池组恢复充电；
(d)当蓄电池组的充电电流高于该温度环境下的对应充电电路电流阈值时，将充电电流按照当前温度下对应最低缺省电流值进行设定；
(e)当检测到蓄电池组的放电容量低于蓄电池组放电容量阈值，停止充电，当蓄电池组放电容量高于蓄电池放电容量阈值时，恢复充电。
8.根据权利要求7所述的一种高轨卫星锂离子蓄电池组控制方法，其特征在于：所述蓄电池组放电容量阈值为32mAs。
9.根据权利要求1所述的一种高轨卫星锂离子蓄电池组控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中，所述第三温度控制下限阈值为2度，第三温度控制上限阈值为4度。
10.根据权利要求9所述的一种高轨卫星锂离子蓄电池组控制方法，其特征在于：所述地面遥控指令发送时间为卫星于光照季进入地影季前3～5天及卫星于地影季进入光照季前3～5天。
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