CN111856298A - 一种航天器用锂离子蓄电池在轨剩余容量预测方法 - Google Patents

一种航天器用锂离子蓄电池在轨剩余容量预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种航天器用锂离子蓄电池在轨剩余容量预测方法，该方法包含以下步骤：步骤1，测量航天器用锂离子蓄电池充放电循环寿命试验前的恒流充电容量和剩余容量，作为初始恒流充电容量和初始剩余容量；步骤2，对航天器用锂离子蓄电池以一固定次数为一循环周期进行充放电循环寿命试验，每一循环周期结束后，测量一次航天器用锂离子蓄电池恒流充电容量和剩余容量；步骤3，计算航天器用锂离子蓄电池的剩余容量保持率和恒流充电容量保持率，拟合后得到剩余容量保持率和恒流充电容量保持率之间的线性关系，作为数学模型；步骤4，通过直接测量航天器用锂离子蓄电池在轨的充电电流和充电时间，利用步骤3所述的数学模型，计算该航天用锂离子蓄电池的在轨剩余容量。

Description

一种航天器用锂离子蓄电池在轨剩余容量预测方法
技术领域
本发明涉及一种航天器用锂离子蓄电池技术，具体涉及锂离子蓄电池在轨剩余容量预测方法。
背景技术
锂离子蓄电池具有能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应等突出优点，已成为航天器用主流储能电源，随着航天器设计寿命的延长，要求储能电源也具有相应较长的使用寿命，特别对于低轨道航天器，已由以前的3～5年在轨寿命提高到5～8年。对在轨航天器用锂离子蓄电池的剩余容量进行预测是确保航天器安全可靠运行的关键。目前获得锂离子蓄电池剩余容量最直接的方法是进行放空电处理，通过放空电所用时间和电流的乘积计算出电池的剩余容量，此方法对于正在运行的航天器是不可行的，因为航天器在地影期时刻需要蓄电池供电。
航天器用锂离子蓄电池在轨一般采用恒流恒压的充电模式，即采用恒定的电流充电到设定的电压值，再在此电压下进行恒压充电直至光照期结束。随着锂离子蓄电池的使用，电池性能发生衰退，电池内阻增加，剩余容量下降，而表现电池性能衰退的现象为恒流充电电压升高，恒流充电容量减少。锂离子蓄电池的充电电压、电流、充电时间均为航天器在轨时可直接测量的参数，因此可利用电池恒流充电容量和电池剩余容量的关系进行在轨剩余容量预测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种航天器在轨锂离子蓄电池剩余容量预测方法，本发明采用与在轨航天器用同批次电池进行充放电循环寿命试验，寿命试验的温度、充放电电流、时间、充电控制方式均与在轨使用条件一致，寿命期间定期测试电池的剩余容量，与首次容量进行比较得到剩余容量保持率，同时提取恒流充电容量，与首次恒流充电容量进行比较得到恒流充电容量保持率，将这两组数据进行数学拟合，得到关系方程，该方程即为在轨剩余容量计算数学模型。利用该数学模型即可根据电池在轨恒流充电容量保持率计算得到电池剩余容量。该方法简单有效，可通过地面短时间的测试得到该数学模型。
为了达到上述目的，本发明提供了一种航天器用锂离子蓄电池在轨剩余容量预测方法，该方法包含以下步骤：
步骤1，进行初始容量测试，测量航天器用锂离子蓄电池充放电循环寿命试验前的恒流充电容量和剩余容量，作为初始恒流充电容量和初始剩余容量；
步骤2，对航天器用锂离子蓄电池以一固定次数为一循环周期进行充放电循环寿命试验，每一循环周期结束后，进行一次容量测试，测量一次航天器用锂离子蓄电池恒流充电容量和剩余容量；
步骤3，计算航天器用锂离子蓄电池的剩余容量保持率和恒流充电容量保持率，拟合后得到剩余容量保持率和恒流充电容量保持率之间的线性关系，作为数学模型；
步骤4，通过直接测量航天器用锂离子蓄电池在轨的充电电流和充电时间，利用步骤3所述的数学模型，计算该航天用锂离子蓄电池的在轨剩余容量。
较佳地，所述容量测试包含以下步骤：
S1，以恒定充电电流C1对航天器用锂离子蓄电池充电至一恒定电压V1，测定恒定电流充电时间为tm，其中，m为大于等于0的整数；
S2，在恒定电压V1下对航天器用锂离子蓄电池充电至充电电流不大于0.05C，使得电池充满；
S3，以恒定放电电流C2对航天器用锂离子蓄电池放电至一恒定电压V2，测定恒定电流放电时间为t’m，其中，m为大于等于0的整数；
S4，计算恒流充电容量和剩余容量，所述恒流充电容量为恒定充电电流C1与恒定电流充电时间tm的乘积，所述剩余容量为恒定放电电流C2与恒定电流放电时间t’m的乘积。
较佳地，S1至S3的测试环境温度为10-30℃。
较佳地，所述恒定充电电流C1的范围为0.1-1.0C，所述恒定放电电流C2的范围为0.2-1.0C。
较佳地，所述恒定电压V1的范围为3.8-4.3V，所述恒定电压V2的范围为2.0-3.0V。
较佳地，步骤3所述的恒流充电容量保持率为一循环周期结束后的恒流充电容量与初始恒流充电容量的比值，所述的剩余容量保持率为一循环周期结束后的剩余容量与初始剩余容量的比值。
较佳地，所述的航天器用锂离子蓄电池为：液态锂离子蓄电池或固态锂离子蓄电池。
较佳地，所述的航天器用锂离子蓄电池的正极活性物质材料是LiFePO4、LiMn2O2、LiNixCoyMnzO2中的一种，或，两种以上混合形成，其中x、y、z均大于0，x+y+z＝1。
较佳地，所述的航天器用锂离子蓄电池的负极活性物质材料为石墨、中间相炭微球、硬碳、软碳、硅中的一种，或，两种以上混合形成。
本发明将剩余容量保持率和恒流充电容量保持率这两组数据进行数学拟合，得到关系方程，利用该数学模型即可通过直接测量航天器用锂离子蓄电池在轨的充电电流和充电时间计算恒流充电容量保持率，再得到电池剩余容量。该方法简单有效，仅需地面短时间的测试即可得到数学模型，克服了正在运行的航天器在地影时期无法进行放空电，导致不能通过放空电所用时间和电流的乘积计算出电池的剩余容量的缺陷。
附图说明
图1为锂离子蓄电池典型充电曲线。图中a点到b点为恒流充电段，b点到c点为恒压充电段。
图2为实施例1得到的剩余容量保持率和恒流充电容量保持率的关系曲线。
图3为实施例2得到的剩余容量保持率和恒流充电容量保持率的关系曲线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种航天器在轨锂离子蓄电池剩余容量预测方法，将剩余容量保持率和恒流充电容量保持率这两组数据进行数学拟合，得到关系方程，利用该数学模型即可通过直接测量航天器用锂离子蓄电池在轨的充电电流和充电时间计算恒流充电容量保持率，再得到电池剩余容量。
所述的恒流充电容量保持率X的计算方法为：
Figure BDA0002598234600000041
所述的剩余容量保持率Y的计算方法为：
Figure BDA0002598234600000042
如图1所示，锂离子蓄电池的充电过程为先以一定电流进行恒流充电，当电压达到某一值(b点)时，再在该电压下进行恒压充电，直至电流逐渐减小到蓄电池充满(c点)。本发明测定恒流充电容量的过程，即为图中恒流充电段(a点到b点)。
实施例1
在试验温度20±5℃下，采用30Ah锂离子蓄电池进行实时模拟在轨寿命测试。
初始容量测试：采用0.5C的电流恒流充电至4.1V，计充电时间为t0；再以该电压进行恒压充电至电流不大于0.05C。充电结束后，采用0.5C的电流恒流放电至3.0V，计放电时间为t’0。用恒流充电电流0.5C乘t0得到初始恒流充电容量，用恒流放电电流0.5C乘t’0得到初始剩余容量。
充放电循环寿命试验：采用0.3C的电流恒流充电至4.1V，再以该电压恒压充电，充电总时间为60min，充电总时间根据低轨道飞行器在轨使用情况确定。充电结束后，采用0.6C的电流恒流放电30min，恒流放电时间根据低轨道飞行器在轨使用情况确定。
每500次充放电循环后，进行一次容量测试，测试条件与初始容量测试一致。以该次容量测试测得的恒流充电容量除以初始恒流充电容量，得到恒流充电容量保持率，计为X；以该次容量测试测得的剩余容量除以初始剩余容量，得到剩余容量保持率，计为Y。
进行6000次充放电循环后，得到12组数据，包括初始恒流充电容量保持率和初始剩余容量保持率在内，在坐标轴上可以绘制13个点。采用EXCEL软件处理得到的X值和Y值数据，从而得到剩余容量保持率和恒流充电容量保持率之间的一次线性关系，Y＝0.432X+56.70，即为本产品的剩余容量预测数学模型。图2为本实施例得到的剩余容量保持率和恒流充电容量保持率的关系曲线。
实施例2
在试验温度30±3℃下，采用90Ah锂离子蓄电池进行实时模拟在轨寿命测试。
初始容量测试：采用0.5C的电流恒流充电至4.1V，计充电时间为t0；再以该电压进行恒压充电至电流不大于0.05C。充电结束后，采用0.5C的电流恒流放电至3.0V，计放电时间为t’0。用恒流充电电流0.5C乘t0得到初始恒流充电容量，用恒流放电电流0.5C乘t’0得到初始剩余容量。
充放电循环寿命试验：采用0.3C的电流恒流充电至3.95V，再以该电压恒压充电，充电总时间为54min，充电总时间根据低轨道飞行器在轨使用情况确定。充电结束后，采用0.3C的电流恒流放电37min，恒流放电时间根据低轨道飞行器在轨使用情况确定。
每5000次充放电循环后，进行一次容量测试，测试条件与初始容量测试一致。以该次容量测试测得的恒流充电容量除以初始恒流充电容量，得到恒流充电容量保持率，计为X；以该次容量测试测得的剩余容量除以初始剩余容量，得到剩余容量保持率，计为Y。
进行25000次充放电循环后，得到5组数据，包括初始恒流充电容量保持率和初始剩余容量保持率在内，在坐标轴上可以绘制6个点。采用EXCEL软件处理得到的X值和Y值数据，从而得到剩余容量保持率和恒流充电容量保持率之间的一次线性关系，Y＝3.078X-208.4，即为本产品的剩余容量预测数学模型。图3为本实施例得到的剩余容量保持率和恒流充电容量保持率的关系曲线。
综上所述，本发明提供了一种航天器在轨锂离子蓄电池剩余容量预测方法，本发明采用与在轨航天器用同批次电池进行充放电循环寿命试验，寿命试验的温度、充放电电流、时间、充电控制方式均与在轨使用条件一致，寿命期间定期测试电池的剩余容量，与首次容量进行比较得到剩余容量保持率，同时提取恒流充电容量，与首次恒流充电容量进行比较得到恒流充电容量保持率，将这两组数据进行数学拟合，得到关系方程，该方程即为在轨剩余容量计算数学模型。利用该数学模型即可根据电池在轨恒流充电容量保持率计算得到电池剩余容量。该方法简单有效，可通过地面短时间的测试得到该数学模型。
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 (9)

1.一种航天器用锂离子蓄电池在轨剩余容量预测方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
步骤1，进行初始容量测试，测量航天器用锂离子蓄电池充放电循环寿命试验前的恒流充电容量和剩余容量，作为初始恒流充电容量和初始剩余容量；
步骤2，对航天器用锂离子蓄电池以一固定次数为一循环周期进行充放电循环寿命试验，每一循环周期结束后，进行一次容量测试，测量一次航天器用锂离子蓄电池恒流充电容量和剩余容量；
步骤3，计算航天器用锂离子蓄电池的剩余容量保持率和恒流充电容量保持率，拟合后得到剩余容量保持率和恒流充电容量保持率之间的线性关系，作为数学模型；
步骤4，通过直接测量航天器用锂离子蓄电池在轨的充电电流和充电时间，利用步骤3所述的数学模型，计算该航天用锂离子蓄电池的在轨剩余容量。
2.如权利要求1所述的航天器用锂离子蓄电池在轨剩余容量预测方法，其特征在于，所述容量测试包含以下步骤：
S1，以恒定充电电流C1对航天器用锂离子蓄电池充电至一恒定电压V1，测定恒定电流充电时间为tm，其中，m为大于等于0的整数；
S2，在恒定电压V1下对航天器用锂离子蓄电池充电至充电电流不大于0.05C，使得电池充满；
S3，以恒定放电电流C2对航天器用锂离子蓄电池放电至一恒定电压V2，测定恒定电流放电时间为t’m，其中，m为大于等于0的整数；
S4，计算恒流充电容量和剩余容量，所述恒流充电容量为恒定充电电流C1与恒定电流充电时间tm的乘积，所述剩余容量为恒定放电电流C2与恒定电流放电时间t’m的乘积。
3.如权利要求2所述的航天器用锂离子蓄电池在轨剩余容量预测方法，其特征在于，S1至S3的测试环境温度为10-30℃。
4.如权利要求2所述的航天器用锂离子蓄电池在轨剩余容量预测方法，其特征在于，所述恒定充电电流C1的范围为0.1-1.0C，所述恒定放电电流C2的范围为0.2-1.0C。
5.如权利要求2所述的航天器用锂离子蓄电池在轨剩余容量预测方法，其特征在于，所述恒定电压V1的范围为3.8-4.3V，所述恒定电压V2的范围为2.0-3.0V。
6.如权利要求1所述的航天器用锂离子蓄电池在轨剩余容量预测方法，其特征在于，步骤3所述的恒流充电容量保持率为一循环周期结束后的恒流充电容量与初始恒流充电容量的比值，所述的剩余容量保持率为一循环周期结束后的剩余容量与初始剩余容量的比值。
7.如权利要求1所述的航天器用锂离子蓄电池在轨剩余容量预测方法，其特征在于，所述的航天器用锂离子蓄电池为：液态锂离子蓄电池或固态锂离子蓄电池。
8.如权利要求1所述的航天器用锂离子蓄电池在轨剩余容量预测方法，其特征在于，所述的航天器用锂离子蓄电池的正极活性物质材料是LiFePO4、LiMn2O2、LiNixCoyMnzO2中的一种，或，两种以上混合形成，其中x、y、z均大于0，x+y+z＝1。
9.如权利要求1所述的航天器用锂离子蓄电池在轨剩余容量预测方法，其特征在于，所述的航天器用锂离子蓄电池的负极活性物质材料为石墨、中间相炭微球、硬碳、软碳、硅中的一种，或，两种以上混合形成。
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