CN111090051B - 一种卫星用镉镍蓄电池放电终压自主诊断方法 - Google Patents

Abstract

一种卫星用镉镍蓄电池放电终压自主诊断方法，属于卫星电池技术领域，在分析放电深度和温度的影响的基础上，选定镉镍蓄电池在入轨初期的充放电循环，计算镉镍蓄电池初始的放电终压、镉镍蓄电池在长期负载下的放电深度，并确定了需要预测日期的蓄电池温度，提出了一种简化的镉镍蓄电池放电终压预测模型，实现镉镍蓄电池放电终压的自主诊断，从而更准确合理地选择时机进行蓄电池的在轨维护，延长镉镍蓄电池在轨使用寿命。

Description

一种卫星用镉镍蓄电池放电终压自主诊断方法

技术领域

本发明涉及一种卫星用镉镍蓄电池放电终压自主诊断方法，特别是涉及一种太阳同步轨道卫星用镉镍蓄电池放电终压的拟合预测和自主诊断方法，属于卫星电池技术领域。

背景技术

电源系统是为航天器提供能源的服务系统。镉镍蓄电池以金属镉为负极，氧化镍为正极，氢氧化钾水溶液为电解液。镉镍蓄电池是第一代航天器用贮能装置，广泛应用于各种航天器电源系统，是目前长寿命航天器常用的多种储能装置之一。其电性能设计的主要目的是满足航天器在阴影期的电能需求，以及能随时满足太阳电池阵输出功率不足时的电能需求。当航天器在光照期，能源系统太阳电池阵电流除了满足卫星负载使用外，其余电流给蓄电池充电；在阴影期，蓄电池放电为整星负载供电。随着蓄电池在轨不断充放电循环后，其容量和电压不可避免有所衰退。

镉镍蓄电池性能衰退的内在机理有：镉迁移、镍电极膨胀、电解液泄露、隔膜的氧化和降解、电极活性材料的电化学活性降低、负极荷电态的变化。当电池充放电时，上述因素交互影响，电池性能的变化是这些因素的综合反映。镉镍蓄电池经过长期使用性能衰退，主要表现为充电电压升高、放电终压降低，容量减少。当性能衰退至不能满足储供电要求时，可视为失效。

太阳同步轨道卫星对镉镍蓄电池的充放循环寿命性能要求更高。太阳轨道卫星每24小时绕地球飞行约15～16圈，一般每圈经历一次光照期和阴影期，按每圈电池进行一次充放电计算，卫星运行一年电池需要进行约5657次充放电。镉镍蓄电池随在轨工作时间的增加性能衰退更为明显。

因此为保障卫星在轨正常工作，需要对镉镍蓄电池进行实时监测和自主诊断，必要时开展镉镍蓄电池在轨充电策略调整或负载功率调整。然而目前对镉镍蓄电池在轨监测及自主诊断手段匮乏，因此需要加强相关方法的研究，进而提高在轨管理水平，避免出现灾难性故障，延缓镉镍蓄电池的性能衰减。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种卫星用镉镍蓄电池放电终压自主诊断方法，在分析放电深度和温度的影响的基础上，选定镉镍蓄电池在入轨初期的充放电循环，计算镉镍蓄电池初始的放电终压、镉镍蓄电池在长期负载下的放电深度，并确定了需要预测日期的蓄电池温度，提出了一种简化的镉镍蓄电池放电终压预测模型，实现镉镍蓄电池放电终压的自主诊断。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种卫星用镉镍蓄电池放电终压自主诊断方法，包括如下步骤：

S1、根据卫星经历地影的天数d、镉镍蓄电池每天的充放电循环次数n，确定截止到某一日期镉镍蓄电池的充放电循环次数N；

S2、选取卫星发射入轨一个月后的M天内，获取镉镍蓄电池在所述M天内的充放电循环次数对应的放电终压，确定镉镍蓄电池的初始放电终压V₀；

S3、选取卫星在长期负载条件下，S2中所述的初始放电终压V₀对应的剩余电量C_当前，计算镉镍蓄电池的放电深度DOD；

S4、根据S3中所述的放电深度DOD，确定S1中所述某一日期的镉镍蓄电池温度T；

S5、根据预设的镉镍蓄电池电压报警门限V_min、S3中所述的放电深度DOD、S1中所述的充放电循环次数N、S2中所述的初始放电终压V₀、S4中所述的镉镍蓄电池温度T，建立N次充放电循环时镉镍蓄电池放电终压预测模型；

S6、根据S5所述的镉镍蓄电池放电终压预测模型，确定S1中所述某一日期的镉镍蓄电池的理论放电终压V_理论，当S1中所述某一日期的镉镍蓄电池的实际放电终压低于所述的理论放电终压V_理论时，提示报警。

优选的，在S6之后，如果S1中所述某一日期的镉镍蓄电池的实际放电终压低于所述的理论放电终压V_理论的预设阈值，或，S1中所述某一日期的镉镍蓄电池的实际放电终压低于连续2n个以上充放电循环低于V_理论时，则进行镉镍蓄电池的充电策略调整。

优选的，当调整镉镍蓄电池的充电策略后，在后续卫星运行过程中，如果蓄电池实际的放电终压高于所述的理论放电终压V_理论时，则镉镍蓄电池的充电策略调整有效。

优选的，其特征在于，S5中，所述镉镍蓄电池放电终压预测模型为：

优选的，其特征在于，S3中，镉镍蓄电池的放电深度DOD为：

式中，C_额为镉镍蓄电池组额定容量。

优选的，其特征在于，S4中，确定S1中所述某一日期的镉镍蓄电池温度T方法为：在S1中所述某一日期，查询镉镍蓄电池放电深度为DOD对应的蓄电池温度作为T。

优选的，在S1中所述某一日期，如果没有等于镉镍蓄电池放电深度为DOD的数据，则以DOD为中心上下浮动预设区间，查询镉镍蓄电池温度作为T；当在以DOD为中心上下浮动预设区间内查询到多个镉镍蓄电池温度数据值，取平均后作为T。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

①本发明方法基于大量地面测试数据和卫星在轨真实的遥测数据得出的，融合了蓄电池的物理特性、测试数据和在轨数据，能够更确切地反映蓄电池的在轨性能的变化情况；

②本发明方法是在分析了镉镍蓄电池物理特性和大量数据后得出的，具有一定的普适性；

③在卫星负载较为稳定的前提下，本发明方法建立了镉镍蓄电池理论放电终压主要与时间(充放电循环次数)和温度预测模型，利用该预测模型计算当前的理论放电终压，简单高效、可行可靠；

④由本发明得到的镉镍蓄电池放电终压理论值，可支持卫星蓄电池的在轨监测、自主诊断及在轨维护工作，具有实际应用价值。

附图说明

图1为太阳同步轨道卫星用镉镍蓄电池放电终压自主诊断及在轨维护流程图；

图2为某太阳同步轨道卫星单次充放电循环中蓄电池电压变化情况图；

图3为某太阳同步轨道卫星的镉镍蓄电池理论放电终压图；

图4为某太阳同步轨道卫星经过充电策略调整前后的镉镍蓄电池实际放电终压与理论放电终压的对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

实施例1：

(1)计算蓄电池充放电循环次数

根据卫星轨道，确定卫星经历地影的天数d、蓄电池每天的充放电循环次数n，计算在需要预测的日期时，蓄电池将具有的充放电循环次数N＝d×n。

(2)选定蓄电池在入轨初期的充放电循环

为了减小数据的随机性对预测结果造成的误差，在卫星发射入轨后且所有平台及载荷测试均完成，一般为发射后1个月，卫星进入正常使用阶段，获取卫星正常使用阶段的初期M天的遥测数据，本实施例中M＝5。在上述5天中，蓄电池经历的充放电循环次数为：5n。将它们定义为：初期充放电循环。

(3)计算蓄电池初始的放电终压

在初期充放电循环中，分别获取蓄电池的放电终压V_0,i(i＝1,2,…,5n)，并求其平均值，得到蓄电池的初始放电终压V₀。

(4)计算蓄电池在长期负载下的放电深度

对于太阳同步轨道卫星，一般分为长期负载(负载较稳定，即负载波动不超过5％)和短期负载(执行任务时负载不稳定)。选取长期负载情况下的放电过程，查询初期放电终压V₀对应的当前电量(即剩余电量)C_当前，计算蓄电池在该充放电循环中的放电深度

式中C_额为镉镍蓄电池组额定容量。

(5)确定需要预测日期的蓄电池温度T

在需要预测的日期时，查询蓄电池放电深度DOD对应的蓄电池温度。一般地，根据实际在轨数据情况，若没有严格等于DOD的数据点时，可对DOD外扩，本实施例外扩±5％，进而求取所对应的蓄电池温度T。若出现相同条件下，可查询多个温度值时，可求取多个温度平均值，记为T。

(6)预测蓄电池的放电终压

当镉镍蓄电池环境温度控制在其合理使用温度范围内时(一般为-5℃～15℃)，蓄电池寿命(即其充放电循环次数)主要受温度T和放电深度DOD的影响。根据蓄电池最大放电深度、当前的充放电循环次数、当前蓄电池温度、蓄电池实际初始放电终压，拟合得到N次充放电循环时对应的蓄电池放电终压预测模型为：

其中V_min是星上设置的镉镍蓄电池电压报警门限。

(7)放电终压自主诊断

进行蓄电池放电终压在轨监测和自主诊断时，根据步骤6的蓄电池放电终压预测模型计算得到理论放电终压，将此电压值作为自主诊断的判据。当出影后蓄电池放电终压低于理论放电终压时，则进行提示报警。

(8)利用预测模型对蓄电池进行在轨维护

当蓄电池实际的放电终压低于V_理论时，一般持续2n个以上充放电循环低于V_理论或任一充放电循环低于V_理论的98％时，即预设阈值为98％*V_理论，需要对蓄电池进行在轨维护，调整充电策略，以提高其放电终压，进而延长蓄电池在轨寿命。

采用有效的充电策略调整方案后，在后续地影过程中，蓄电池实际的放电终压将会高于V_理论，说明蓄电池实际工作性能优于预测，调整后的充电策略效果较好。

实施例2：

本发明的太阳同步轨道卫星用镉镍蓄电池放电终压自主诊断及在轨维护流程如附图1所示。下面结合某颗在轨太阳同步轨道卫星(记为卫星A)为例进一步说明本发明的自主诊断和在轨维护方法。

一、根据太阳同步轨道卫星A轨道，确定卫星A经历地影的天数d、蓄电池每天的充放电循环次数n＝16，计算在需要预测的日期(卫星在轨6年，d＝2190)时，蓄电池将具有的充放电循环次数N＝d×n＝2190×16＝35040。

二、为了减小数据的随机性对预测结果造成的误差，在卫星发射入轨1个月后，所有平台及载荷测试均完成，卫星进入正常使用阶段后，获取卫星正常使用阶段的初期5天的遥测数据。在上述5天中，蓄电池经历的充放电循环次数为：5n＝80。

三、卫星A某单次充放电循环中蓄电池电压变化情况如图2。在初期充放电循环中，分别获取蓄电池的放电终压V_0,i(i＝1,2,…,5n)，并求其平均值，得到蓄电池的初始放电终压V₀＝22.36V。

四、选取卫星A长期负载情况下的放电过程，查询初期放电终压V₀对应的当前电量C_当前＝42.97Ah，卫星A的镉镍蓄电池组额定容量C_额＝50Ah，计算蓄电池在该充放电循环中的放电深度：

五、在需要预测的日期时，查询蓄电池放电深度DOD外扩±5％时对应的蓄电池温度。卫星A蓄电池温度变化范围在[5，7]之间，对多个温度求取平均值得到T≈6.2。

六、根据蓄电池最大放电深度、当前的充放电循环次数、当前蓄电池温度、蓄电池实际初始放电终压，以及大量地面试验数据，拟合得到N次充放电循环时对应的蓄电池放电终压预测模型为：

其中V_min是星上设置的镉镍蓄电池电压报警门限，卫星A的V_min＝19V。代入步骤一至步骤五的查询及计算结果，计算得到V_理论＝20.16V。

根据卫星A逐年相关数据计算的理论放电终压V_理论如图4，近似成线性。

七、查询卫星实际在轨遥测数据，将历次卫星出影前的放电终压记为V_实际，将V_理论作为自主诊断的判据，利用实时诊断报警软件将V_实际与V_理论进行比较，当V_实际低于V_理论时，则进行报警，提示相关人员密切关注且制定适当的新充电策略备用。

八、利用预测模型对蓄电池进行在轨维护的具体实施方式为：

利用实时诊断报警软件将蓄电池实际的放电终压V_实际与V_理论的范围进行比较：当V_实际持续2n个以上充放电循环低于V_理论时，或任一充放电循环V_实际低于V_理论的98％时，则警示相关人员需对蓄电池进行在轨维护，实施制定的新充电策略。充电策略的调整方法一般包括：增大倍流充电终止电压、增大涓流充电时间、增大充放电电量比等，对于在轨运行时间较长的卫星，可以根据情况调整其蓄电池电压报警门限，以免卫星自主转入能源安全模式。

卫星A在轨实际放电终压变化情况与理论蓄电池电压比对如图4，卫星A在轨进行了多次充电策略调整，调整后放电终压逐渐优于预测值。

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。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种卫星用镉镍蓄电池放电终压自主诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据卫星经历地影的天数d、镉镍蓄电池每天的充放电循环次数n，确定截止到某一日期镉镍蓄电池的充放电循环次数N；

S2、选取卫星发射入轨一个月后的M天内，获取镉镍蓄电池在所述M天内的充放电循环次数对应的放电终压，确定镉镍蓄电池的初始放电终压V₀；

S3、选取卫星在长期负载条件下，S2中所述的初始放电终压V₀对应的剩余电量C_当前，计算镉镍蓄电池的放电深度DOD；

镉镍蓄电池的放电深度DOD为：

式中，C_额为镉镍蓄电池额定容量；

S4、根据S3中所述的放电深度DOD，确定S1中所述某一日期的镉镍蓄电池温度T；

S5、根据预设的镉镍蓄电池电压报警门限V_min、S3中所述的放电深度DOD、S1中所述的充放电循环次数N、S2中所述的初始放电终压V₀、S4中所述的镉镍蓄电池温度T，建立N次充放电循环时镉镍蓄电池放电终压预测模型；

所述镉镍蓄电池放电终压预测模型为：

S6、根据S5所述的镉镍蓄电池放电终压预测模型，确定S1中所述某一日期的镉镍蓄电池的理论放电终压V_理论，当S1中所述某一日期的镉镍蓄电池的实际放电终压低于所述的理论放电终压V_理论时，提示报警。

2.根据权利要求1所述的一种卫星用镉镍蓄电池放电终压自主诊断方法，其特征在于，在S6之后，如果S1中所述某一日期的镉镍蓄电池的实际放电终压低于所述的理论放电终压V_理论的预设阈值，或，S1中所述某一日期的镉镍蓄电池的实际放电终压连续2n个以上充放电循环低于V_理论时，则进行镉镍蓄电池的充电策略调整。

3.根据权利要求2所述的一种卫星用镉镍蓄电池放电终压自主诊断方法，其特征在于，当调整镉镍蓄电池的充电策略后，在后续卫星运行过程中，如果蓄电池实际的放电终压高于所述的理论放电终压V_理论时，则镉镍蓄电池的充电策略调整有效。

4.根据权利要求1～3之一所述的一种卫星用镉镍蓄电池放电终压自主诊断方法，其特征在于，S4中，确定S1中所述某一日期的镉镍蓄电池温度T方法为：在S1中所述某一日期，查询镉镍蓄电池放电深度为DOD对应的蓄电池温度作为T。

5.根据权利要求4所述的一种卫星用镉镍蓄电池放电终压自主诊断方法，其特征在于，在S1中所述某一日期，如果没有等于镉镍蓄电池放电深度为DOD的数据，则以DOD为中心上下浮动预设区间，查询镉镍蓄电池温度作为T；当在以DOD为中心上下浮动预设区间内查询到多个镉镍蓄电池温度数据值，取平均后作为T。

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