CN110371323B - 适用于太阳同步晨昏轨道卫星锂离子蓄电池组的在轨管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于太阳同步晨昏轨道卫星锂离子蓄电池组的在轨管理方法，根据星载计算机自主完成的轨道计算、卫星三轴姿态测量、太阳方位判断确定锂离子蓄电池组在轨管理模式，所述在轨管理模式包括长光照期管理模式、地影期管理模式和应急状态管理模式，对应太阳同步晨昏轨道卫星三种在轨状态下的锂离子蓄电池组管理策略。本发明系统解决了太阳同步晨昏轨道卫星长光照期锂离子蓄电池组长期搁置、地影期蓄电池组频繁充放电、应急状态下深度放电快速充电的复杂工况下锂离子蓄电池在轨自主管理问题，从而确保了太阳同步晨昏轨道卫星电源系统长寿命、自主、可靠在轨运行。

Description

适用于太阳同步晨昏轨道卫星锂离子蓄电池组的在轨管理 方法
技术领域
本发明涉及航天器电源在轨管理领域，尤其涉及一种适用于太阳同步晨昏轨道卫星锂离子蓄电池组的在轨管理方法。
背景技术
近年来，由于锂离子蓄电池组的高质量比能量和高体积比能量，其在卫星等航天器上作为储能组件已广泛应用。其过充、过放等可靠性、安全性措施已经设计得非常完备，但其在轨使用与管理并没有足够的经验及模式可借鉴。
根据锂离子蓄电池组相关规范要求，锂离子蓄电池组不宜长期搁置，必须长期存储时需处在70％～80％荷电态、温度0～5℃，正常充放电时温度15～20℃，其使用寿命与放电深度、放电倍率(放电电流除以总容量)、充电倍率(充电电流除以总容量)直接相关。因此，锂离子蓄电池组在轨使用管理必须选择好工作温度、荷电态、充电电电流、放电电流等。
另外，航天器轨道条件不同，光照阴影条件也不同。地球静止轨道卫星地影期春秋分附近各92天、一天一次、最长72分钟，其它时间为全光照；太阳同步上下午轨道卫星每天14圈左右、每圈都有30分钟左右的地影；而太阳同步晨昏轨道卫星地影期约80天、每天14圈、每圈约20分钟，其它时间为全光照。不同的光照阴影条件，锂离子蓄电池组在轨使用与管理策略也不同。
针对太阳同步晨昏轨道卫星长光照期锂离子蓄电池组长期搁置、地影期蓄电池组频繁充放电、应急状态下深度放电快速充电的复杂工况，以及锂离子蓄电池组自身对不同外部环境下的使用要求，本发明提出了一种太阳同步晨昏轨道卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法，详细给出了各种状态下锂离子蓄电池组各项工作参数的设置方法，系统解决了复杂条件下锂离子蓄电池组在轨管理问题，确保了卫星电源系统长寿命在轨运行。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于太阳同步晨昏轨道卫星锂离子蓄电池组的在轨管理方法。
根据本发明提供的一种适用于太阳同步晨昏轨道卫星锂离子蓄电池组的在轨管理方法，包括长光照期管理模式、地影期管理模式和应急状态管理模式，对应太阳同步晨昏轨道卫星三种在轨状态下的锂离子蓄电池组管理策略。
进一步地，根据星载计算机自主完成的轨道计算、卫星三轴姿态测量、太阳方位判断确定锂离子蓄电池组在轨管理模式。
进一步地，所述长光照期管理模式具体为：星载计算机将电源下位机中的锂离子蓄电池组充电终压设定80％荷电态的U1，充电电流设置为小电流I1，充电锁定和解锁采用电源下位机软件控制，进行恒流充电，蓄电池组电压充至U1后即充电锁定，蓄电池组电压降至U1下位机软件进行充电解锁，如此进入充放电循环。
进一步地，所述地影期管理模式具体为：星载计算机将电源控制器硬件充电终压设定100％荷电态的U2，充电电流设置为正常电流I2，该电流有单圈能量平衡计算得到，充电锁定和解锁采用电源控制器硬件控制，进行先恒流至U2，再进行恒压充电，充电电流逐渐减小至1A时充电锁定，放电电流大于2A即解锁，如此进入充放电循环；将下位机软件充电终压设置为U4，作为硬件充电控制的备份安全手段，防止蓄电池组过充。
进一步地，所述应急状态管理模式具体为：星载计算机将锂离子蓄电池组充电终压设定100％荷电态的U2，充电电流设置为大电流I3，充电锁定和解锁采用电源控制器硬件控制，进行先恒流至U2，充电电流逐渐减小至1A时充电锁定，放电电流大于2A即解锁，如此进入充放电循环。
进一步地，所述长光照期管理模式下充电采用电源下位机软件控制，只有恒流充电过程、无恒压充电过程，实现蓄电池组浅充浅放。
进一步地，所述地影期管理模式采用电源控制器硬件控制先恒流再恒压充电，锂离子蓄电池组深度放电、正常电流充电，将锂离子蓄电池组充至满荷电态，确保单圈能量平衡；将下位机软件过充阈值设置的高于硬件充电终压，来实现软件防蓄电池组过充。
进一步地，所述应急状态管理模式采用电源控制器硬件进行充电控制，先大电流恒流快速充电，充至设定终压后再恒压充电至满荷电态。
进一步地，长光照期采用软件控制进行充电解锁，地影期和应急状态下采用硬件控制，软硬件协同完成蓄电池组充电控制，实现了蓄电池组充放电控制的精细化管理。
本发明具有以下有益效果：
1、长光照期卫星锂离子蓄电池组仅需定期补充锂离子蓄电池自放电、遥测采样损耗的较少部分的电量，采用小电流恒流、缓慢充电至80％荷电态，确保了锂离子蓄电池组能定时小电流充电；
2、地影期锂离子蓄电池组采用电源控制器硬件控制，进行先恒流后恒压充电至100％荷电态，恒流充电电流根据整星单圈能量平衡计算所得，确保有单圈能量平衡；
3、应急状态下卫星姿态失控，大电流快速恒流充电至充电终压，再恒压充电至100％荷电态，确保了光照条件好时迅速充电，为卫星姿态调整贮备足够电能。
综上所述，本发明针对太阳同步轨道条件和锂离子蓄电池组使用要求所提出的适用于太阳同步晨昏轨道卫星锂离子蓄电池组的在轨管理方法，系统解决了复杂条件下锂离子蓄电池组在轨管理问题，确保了卫星电源系统长寿命在轨运行，具有较大的实际意义。
附图说明
图1本发明提供的适用于太阳同步晨昏轨道卫星锂离子蓄电池组的在轨管理方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1，结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
根据本发明提供的一种适用于太阳同步晨昏轨道卫星锂离子蓄电池组的在轨管理方法，包括长光照期管理模式、地影期管理模式和应急状态管理模式，对应太阳同步晨昏轨道卫星三种在轨状态下的锂离子蓄电池组管理策略。根据星载计算机自主完成的轨道计算、卫星三轴姿态测量、太阳方位判断确定锂离子蓄电池组在轨管理模式。
所述长光照期管理模式具体为：星载计算机将电源下位机中的锂离子蓄电池组充电终压设定80％荷电态的U1，充电电流设置为小电流I1，充电锁定和解锁采用电源下位机软件控制，进行恒流充电，蓄电池组电压充至U1后即充电锁定，蓄电池组电压降至U1下位机软件进行充电解锁，如此进入充放电循环。所述地影期管理模式具体为：星载计算机将电源控制器硬件充电终压设定100％荷电态的U2，充电电流设置为正常电流I2，该电流有单圈能量平衡计算得到，充电锁定和解锁采用电源控制器硬件控制，进行先恒流至U2，再进行恒压充电，充电电流逐渐减小至1A时充电锁定，放电电流大于2A即解锁，如此进入充放电循环；将下位机软件充电终压设置为U4，作为硬件充电控制的备份安全手段，防止蓄电池组过充。所述应急状态管理模式具体为：星载计算机将锂离子蓄电池组充电终压设定100％荷电态的U2，充电电流设置为大电流I3，充电锁定和解锁采用电源控制器硬件控制，进行先恒流至U2，充电电流逐渐减小至1A时充电锁定，放电电流大于2A即解锁，如此进入充放电循环。所述长光照期管理模式下充电采用电源下位机软件控制，只有恒流充电过程、无恒压充电过程，实现蓄电池组浅充浅放。所述地影期管理模式采用电源控制器硬件控制先恒流再恒压充电，锂离子蓄电池组深度放电、正常电流充电，将锂离子蓄电池组充至满荷电态，确保单圈能量平衡；将下位机软件过充阈值设置的高于硬件充电终压，来实现软件防蓄电池组过充。所述应急状态管理模式采用电源控制器硬件进行充电控制，先大电流恒流快速充电，充至设定终压后再恒压充电至满荷电态。长光照期采用软件控制进行充电解锁，地影期和应急状态下采用硬件控制，软硬件协同完成蓄电池组充电控制，实现了蓄电池组充放电控制的精细化管理。
具体地，在一个实施例中，所涉及的电源系统具体设计状态为：卫星母线电压为32U，锂离子蓄电池单体电压为4.0U左右，容量为30Ah，电源设置两组锂离子蓄电池组，均为2并7串，两组电池充电、放电完全独立，放电采用升压调节。电源控制器硬件设计充电电流为I1(5A)、I2(15A)、I3(20A)三档，充电终压U1(27.3U)、U2(28.7U)、U3(29.1U)、U4(29.4U)。
所涉及的设备包括：电源控制器，完成锂离子蓄电池组充电控制电路的硬件实现、升压放电调节等，硬件设计充电电流为I1(5A)、I2(15A)、I3(20A)三档，充电终压U1(27.3U)、U2(28.7U)、U3(29.1U)、U4(29.4U)；电源下位机，完成锂离子蓄电池组充电软件控制，充电锁定、解锁阈值可地面注入设置位任意值。
长光照期管理模式设定如下，星载计算机将电源下位机软件中的锂离子蓄电池组充电终压设定27.3U(80％荷电态)，充电解锁电压设置位27.0U，充电电流设置为5A(小电流)，充电锁定和解锁采用电源下位机软件控制，进行恒流充电。蓄电池组电压充至27.3U后即充电锁定，蓄电池组电压逐渐下降至27.0下位机软件进行充电解锁，如此进入充放电循环。
地影期管理模式设定如下，星载计算机将电源控制器硬件充电终压设定29.1U(100％荷电态)，充电电流设置为15A(正常电流，该电流由单圈能量平衡计算得到)，充电锁定和解锁采用电源控制器硬件控制，先进行恒流15A充电至29.1U，再进行恒压充电，充电电流逐渐减小至1A时充电锁定，放电电流大于2A即解锁，如此进入充放电循环。
应急状态管理模式设定如下，星载计算机将锂离子蓄电池组充电终压设定29.1U(100％荷电态)，充电电流设置为20A(大电流，快速充电)，充电锁定和解锁采用电源控制器硬件控制，先进行20A恒流充电至29.1U，再进行恒压充电，充电电流逐渐减小至1A时充电锁定，放电电流大于2A即解锁，如此进入充放电循环。
综上所述，本发明针对太阳同步晨昏轨道卫星长光照期锂离子蓄电池组长期搁置、地影期蓄电池组频繁充放电、应急状态下深度放电快速充电的复杂工况，提出了一种太阳同步晨昏轨道卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法，详细给出了各种状态下锂离子蓄电池组各项工作参数的设置方法，系统解决了复杂条件下锂离子蓄电池组在轨管理问题，确保了卫星电源系统长寿命在轨运行。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种适用于太阳同步晨昏轨道卫星锂离子蓄电池组的在轨管理方法，其特征在于：包括长光照期管理模式、地影期管理模式和应急状态管理模式，对应太阳同步晨昏轨道卫星三种在轨状态下的锂离子蓄电池组管理策略；
根据星载计算机自主完成的轨道计算、卫星三轴姿态测量、太阳方位判断确定锂离子蓄电池组在轨管理模式；
所述长光照期管理模式具体为：
星载计算机将电源下位机中的锂离子蓄电池组充电终压设定80％荷电态的U1，充电电流设置为小电流I1，充电锁定和解锁采用电源下位机软件控制，进行恒流充电，蓄电池组电压充至U1后即充电锁定，蓄电池组电压降至U1下位机软件进行充电解锁，如此进入充放电循环。
2.如权利要求1所述的一种适用于太阳同步晨昏轨道卫星锂离子蓄电池组的在轨管理方法，其特征在于：所述地影期管理模式具体为：
星载计算机将电源控制器硬件充电终压设定100％荷电态的U2，充电电流设置为正常电流I2，该电流由单圈能量平衡计算得到，充电锁定和解锁采用电源控制器硬件控制，进行先恒流至U2，再进行恒压充电，充电电流逐渐减小至1A时充电锁定，放电电流大于2A即解锁，如此进入充放电循环；将下位机软件充电终压设置为U4，作为硬件充电控制的备份安全手段，防止蓄电池组过充。
3.如权利要求1所述的一种适用于太阳同步晨昏轨道卫星锂离子蓄电池组的在轨管理方法，其特征在于：所述应急状态管理模式具体为：星载计算机将锂离子蓄电池组充电终压设定100％荷电态的U2，充电电流设置为大电流I3，充电锁定和解锁采用电源控制器硬件控制，进行先恒流至U2，充电电流逐渐减小至1A时充电锁定，放电电流大于2A即解锁，如此进入充放电循环。
4.如权利要求1所述的适用于太阳同步晨昏轨道卫星锂离子蓄电池组的在轨管理方法，其特征在于：所述长光照期管理模式下充电采用电源下位机软件控制，只有恒流充电过程、无恒压充电过程，实现蓄电池组浅充浅放。
5.如权利要求1所述的适用于太阳同步晨昏轨道卫星锂离子蓄电池组的在轨管理方法，其特征在于：所述地影期管理模式采用电源控制器硬件控制先恒流再恒压充电，锂离子蓄电池组深度放电、正常电流充电，将锂离子蓄电池组充至满荷电态，确保单圈能量平衡；将下位机软件过充阈值设置的高于硬件充电终压，来实现软件防蓄电池组过充。
6.如权利要求1所述的适用于太阳同步晨昏轨道卫星锂离子蓄电池组的在轨管理方法，其特征在于：所述应急状态管理模式采用电源控制器硬件进行充电控制，先大电流恒流快速充电，充至设定终压后再恒压充电至满荷电态。
7.如权利要求1所述的适用于太阳同步晨昏轨道卫星锂离子蓄电池组的在轨管理方法，其特征在于：长光照期采用软件控制进行充电解锁，地影期和应急状态下采用硬件控制，软硬件协同完成蓄电池组充电控制，实现了蓄电池组充放电控制的精细化管理。
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