CN113253129A - 一种航天器蓄电池的在轨性能衰减的监视方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种监视航天器蓄电池的在轨性能衰减的方法，包括下列步骤：确定蓄电池组的放电电流I_Bat‑Out；确定蓄电池组在轨阴影期放电工况下的电压变化量d[U(t)]；根据放电电流I_Bat‑Out和电压变化量d[U(t)]确定蓄电池的欧姆内阻r；确定蓄电池组在多次充电结束后的电压V_Bat‑max(t)；确定蓄电池组的充电过程的充电速率Rate(t)；以及根据欧姆内阻r、电压V_Bat‑max(t)和充电速率Rate(t)确定蓄电池组的在轨性能衰减。通过该方法，可以有效、可靠地监视蓄电池的在轨性能衰减，从而提高航天器的能源安全性和能源经济性。

Description

一种航天器蓄电池的在轨性能衰减的监视方法

技术领域

本发明总体上涉及航天能源管理技术领域，具体而言涉及一种监视航天器蓄电池的在轨性能衰减的方法。

背景技术

锂离子蓄电池作为新一代的空间储能装置，相比于传统的镉镍蓄电池组和氢镍蓄电池组，具有比能量高、自放电小、充放电效率高等优点，因此非常适合作为卫星的储能电源。

锂离子蓄电池组在地影期充放电、长光照搁置管理等方面，无论是低轨还是高轨，相对于以往蓄电池组均具有不同之处，而国内目前积累的长期在轨数据十分有限。国外在这方面已经积累了大量工程经验，相应的控制策略、计算分析模型比较成熟。为实现锂离子蓄电池组在轨管理以及地面研制技术迭代的自主可控，着力挖掘锂离子蓄电池组在轨数据具有重要意义。

目前，锂离子蓄电池组在轨监测方法单一，通常通过监测蓄电池充电截止电压对蓄电池衰减情况进行估算，但蓄电池充电截止电压与充电电压电流档位设置相关，体现的蓄电池在轨性能信息单一。

发明内容

本发明的任务是提供一种监视航天器蓄电池的在轨性能衰减的方法，通过该方法，可以有效、可靠地监视蓄电池的在轨性能衰减，从而提高航天器的能源安全性和能源经济性。

根据本发明，该任务通过一种监视航天器蓄电池的在轨性能衰减的方法来解决，该方法包括下列步骤：

确定蓄电池组的放电电流I_Bat-Out；

确定蓄电池组在轨阴影期放电工况下的电压变化量d[U(t)]；

根据放电电流I_Bat-Out和电压变化量d[U(t)]确定蓄电池的欧姆内阻r；

确定蓄电池组在多次充电结束后的电压V_Bat-max(t)；

确定蓄电池组的充电过程的充电速率Rate(t)；以及

根据欧姆内阻r、电压V_Bat-max(t)和充电速率Rate(t)确定蓄电池组的在轨性能衰减。

在本发明的一个优选方案中规定，确定蓄电池组的放电电流I_Bat-Out包括下列步骤：

实时采集航天器的蓄电池组的不调节直供负载电流I_load1、I_load2、…、I_loadn和BDR模块放电电流I_BDR1、I_BDR2、…、I_BDRn，其中n为母线的数目；以及

根据下列公式确定蓄电池组的放电电流I_Bat-Out；

在本发明的另一优选方案中规定，确定蓄电池组的电压变化量d[U(t)]包括下列步骤：

实时采集航天器在轨阴影期放电工况下的蓄电池组电压U_Bat，其中U_Bat＝f(t)；

根据下列公式对蓄电池组电压U_Bat进行差分运算；

d[f(t)]＝U_Bat(i+1)-U_Bat(i)；以及

根据下列公式对差分结果取绝对值：

d[U(t)]＝abs(d[f(t)])。

在本发明的又一优选方案中规定，根据放电电流I_Bat-Out和电压变化量d[U(t)]确定蓄电池的欧姆内阻r包括下列步骤：

根据下列公式对蓄电池组的放电电流进行差分计算以确定放电电流变化量：

d[g(t)]＝I_Bat-Out(i+1)-I_Bat-Out(i)，其中i＝0,1,2……n；

根据下列公式对蓄电池组的放电电流变化量取绝对值：

d[I(t)]＝abs(d[g(t)]；

在每一次放电过程，对放电电流变化量的绝对值d[I(t)]取最大值I_max；

确定d[I(t)]中大于I_max*3/4的所有数值，并记录相应数值的索引index；以及

根据下列公式确定蓄电池的欧姆内阻r：

r＝average{d[U(index)]}/average{d[I(index)])}。

在本发明的另一优选方案中规定，确定蓄电池组在多次充电结束后的电压V_Bat-max(t)包括下列步骤：

在每次充电结束后记录蓄电池组的电压V_Bat-max(t)；以及

在每次充电结束后记录电压档位。

在本发明的又一优选方案中规定，确定蓄电池组的充电过程的充电速率Rate(t)包括下列步骤：

根据下列公式确定蓄电池组的充电过程的充电速率Rate(t)：以及

其中I_charge为蓄电池组的充电电流。

本发明至少具有如下有益效果：本发明方法可精确监测各种航天器蓄电池组的在轨性能衰减，适用于高中低不同轨道的航天器，也可用于用于汽车工业、航空工业等含蓄电池组多次充放电性能衰减情况需要密切关注的场合。

附图说明

下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明一个实施例的蓄电池组电压与放电电流数据曲线；

图2示出了根据本发明一个实施例的蓄电池组电压变化与放电电流变化数据曲线；以及

图3示出了根据本发明一个实施例的蓄电池电压和放电电流均值计算示意图。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

下面参考附图结合具体实施例进一步阐述本发明。

本发明的监视航天器蓄电池的在轨性能衰减的方法可包括下列步骤：

步骤一，航天器一般具有蓄电池组放电电流遥测，如果有则例如可实时监测蓄电池组的放电电流的遥测值并记录I_Bat-Out；例如，图1中蓄电池组放电电流在22A至28A之间波动。

如蓄电池组的放电电流的遥测值由于各种原因误差增大或者数据传输出错，则可通过负载电流和BDR放电电流进行计算。在母线拓扑结构中，只采用全调节母线供电，则

若采用半调节母线供电模式，则

若采用不调节母线供电模式，则

步骤二、实时采集航天器在轨阴影期放电工况下蓄电池组的电压U_Bat＝f(t)，如附图1中蓄电池组电压在34.5V至35.6V之间变化。

对变化的蓄电池组电压进行微分运算，由于数据是离散的，实际计算为蓄电池组电压进行差分计算：

d[f(t)]＝U_Bat(i+1)-U_Bat(i)，(i＝0,1,2……n)

差分运算得到的蓄电池组电压变化如图2所示，蓄电池组电压变化量在±60mV范围。

对蓄电池组电压变化量取绝对值，得到d[U(t)]＝abs(d[f(t)])。

步骤三、实时采集的蓄电池组放电电流I_Bat-Out随时间变化的函数例如记为I_Bat-Out＝g(t)，对变化的蓄电池组放电电流进行微分计算，由于数据是离散的，实际计算为蓄电池组电流进行差分计算：

d[g(t)]＝I_Bat-Out(i+1)-I_Bat-Out(i)，(i＝0,1,2……n)

差分运算得到的蓄电池组放电电流变化如图2所示，蓄电池组放电电流变化量在±5A范围。

对蓄电池组放电电流变化量取绝对值，得到d[I(t)]＝abs(d[g(t)])。

在每一次放电过程中，对d[I(t)]取最大值I_max，然后找到d[I(t)]数据中数值大于I_max*3/4的所有数值，记录相应数值的索引，记作index。

d[U(index)]和d[I(index)]如图3所示，从图3中可以看出放电电流变化量在4A至5A之间变化，电流的分辨率高；电压变化量在30mVA至60mV之间变化，电压采样的分辨率低；为减小蓄电池电压采样分辨率低的问题，例如可通过取多次数据平均的方式，减小蓄电池组欧姆内阻计算的误差。

蓄电池组欧姆内阻r＝average{d[U(index)]}/average{d[I(index)])}。

步骤四、记录航天器的充电电流电压档位，再记录蓄电池组在每次充电结束后蓄电池组的电压，记为V_Bat-max(t)；记录蓄电池组每次充电过程充电速率Rate(t)；其中Rate(t)例如可由下式计算，I_charge为蓄电池充电电流

可定期或长期地监测并记录蓄电池组欧姆内阻r(t)、V_Bat-max(t)和Rate(t)，并结合地面加速寿命试验数据，对蓄电池在轨衰减情况作出定量的分析。所述分析过程例如可以是根据相应数据综合得出蓄电池的剩余寿命、如剩余充放电次数或者最大充电量等参数。该分析过程可以是现有的分析过程。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (1)

1.一种航天器蓄电池的在轨性能衰减的监视方法，其特征在于，包括下列步骤：

确定蓄电池组的放电电流I_Bat-Out，包括：

若所述航天器蓄电池的母线拓扑结构中，采用全调节母线供电，则实时采集BDR模块放电电流I_BDR1、I_BDR2、…、I_BDRn，其中n为母线的数目；以及确定蓄电池组的放电电流

若所述航天器蓄电池的母线拓扑结构中，采用半调节母线供电模式，则实时采集航天器的蓄电池组的不调节直供负载电流I_load1、I_load2、…、I_loadn和BDR模块放电电流I_BDR1、I_BDR2、…、I_BDRn，其中n为母线的数目；以及确定蓄电池组的放电电流

以及

若所述航天器蓄电池的母线拓扑结构中，采用不调节母线供电模式，则实时采集航天器的蓄电池组的不调节直供负载电流I_load1、I_load2、…、I_loadn；以及确定蓄电池组的放电电流

确定蓄电池组在轨阴影期放电工况下的电压变化量d[U(t)]，包括：

实时采集航天器在轨阴影期放电工况下的蓄电池组电压U_Bat，其中U_Bat＝f(t)；

根据下列公式对蓄电池组电压U_Bat进行差分运算；

d[f(t)]＝U_Bat(j+1)-U_Bat(j)；以及

根据下列公式对差分结果取绝对值：

d[U(t)]＝abs(d[f(t)])；

根据放电电流I_Bat-Out和电压变化量d[U(t)]确定蓄电池的欧姆内阻r，包括：

根据下列公式对蓄电池组的放电电流进行差分计算以确定放电电流变化量：

d[g(t)]＝I_Bat-Out(k+1)-I_Bat-Out(k)，其中k＝0,1,2……m，并且g(t)是放电电流I_Bat-Out随时间变化的函数；

根据下列公式对蓄电池组的放电电流变化量取绝对值：

d[I(t)]＝abs(d[g(t)])；

在每一次放电过程，对放电电流变化量的绝对值d[I(t)]取最大值I_max；

确定d[I(t)]中大于I_max*3/4的所有数值，并记录相应数值的索引index；以及

根据下列公式确定蓄电池的欧姆内阻r：

r＝average{d[U(index)]}/average{d[I(index)])}；

确定蓄电池组在多次充电结束后的电压V_Bat-max(t)，包括：

在每次充电结束后记录蓄电池组的电压V_Bat-max(t)；以及

在每次充电结束后记录电压档位；

确定蓄电池组的充电过程的充电速率Rate(t)，包括：

根据下列公式确定蓄电池组的充电过程的充电速率Rate(t)：以及

其中I_charge为蓄电池组的充电电流；以及

根据欧姆内阻r、电压V_Bat-max(t)和充电速率Rate(t)确定蓄电池组的在轨性能衰减。

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