CN105140984A - 卫星用锂离子蓄电池组电源分***的自主管理*** - Google Patents

卫星用锂离子蓄电池组电源分***的自主管理*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种卫星用锂离子蓄电池组电源分***的自主管理***，包括在轨管理模块、应急保护模块、均衡控制模块以及下位机模块，在轨管理模块用于防止锂离子蓄电池组过份充电；应急保护模块用于防止锂离子蓄电池组过份放电；均衡控制模块用于均衡锂离子蓄电池组中各个锂离子蓄电池单体之间的电压；下位机模块用于对锂离子蓄电池组中各个锂离子蓄电池单体的电压进行采样和比较。通过对蓄电池组的充放电调节控制、太阳电池阵输出多余功率的分流调节，完成电源分***变换控制，保持母线和各分***供电的稳定，满足星上各负载的供配电要求。本发明实现了卫星锂离子蓄电池电源分***的在轨全自主控制，也从根本上大大提高了***的可靠性。

Description

卫星用锂离子蓄电池组电源分***的自主管理***
技术领域
发明涉及航天器电源分***设计技术领域，具体地，涉及一种卫星用锂离子蓄电池组电源分***的自主管理***。
背景技术
卫星电源分***通常采用太阳电池阵-蓄电池体系、可调节直流母线***供电方案，寿命期间，电源分***完成对星上各分***负载的不间断供电，包括长期功率、短期功率。光照期完成太阳电池阵能源采集，把太阳光能转化为电能，对负载供电和给蓄电池组充电，在阴影期由蓄电池通过放电调节器向母线供电或光照期负载功率超过太阳电池阵供电能力时，由蓄电池补充供电。
卫星电源分***控制可分为地面遥控控制和电源分***自主控制两种，但是现有的卫星电源分***控制通常存在在轨可靠性差的缺陷，无法满足星上各负载的供配电要求。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种卫星用锂离子蓄电池组电源分***的自主管理***，该***实现了一种高自主管理的锂离子蓄电池电源分***在轨控制，提高了电源分***的在轨可靠性。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
一种卫星用锂离子蓄电池组电源分***的自主管理***，包括在轨管理模块、应急保护模块、均衡控制模块以及下位机模块；其中：
所述在轨管理模块用于防止锂离子蓄电池组过份充电；
所述应急保护模块用于防止锂离子蓄电池组过份放电，并向下位机模块发送蓄电池欠压保护指令；
所述均衡控制模块用于均衡锂离子蓄电池组中各个锂离子蓄电池单体之间的电压；
所述下位机模块用于对锂离子蓄电池组中各个锂离子蓄电池单体的电压进行采样和比较，并向均衡控制模块发送均衡指令。
优选地，所述在轨管理模块包括充电锁定电路和充电解锁电路；
当同时满足如下条件时，所述在轨管理模块的充电锁定电路启动，并自主发送蓄电池充电锁定指令：
-卫星星体向阳面未丢失太阳；
-锂离子蓄电池组电压大于充电锁定电压；
-锂离子蓄电池组充电电流小于充电锁定电流；
锂离子蓄电池组通过充电解锁电路恢复充电。
优选地，所述应急保护模块包括电池断电保护电路以及能源应急保护电路；
当锂离子蓄电池组电压小于等于U1时，所述电池断电保护电路开启，并执行蓄电池断电；
当锂离子蓄电池组电压小于阈值U2时，能源应急保护电路发送蓄电池欠压保护指令：
-如果下位机模块未执行蓄电池欠压保护指令，则判定下位机模块的总线通讯异常，同时发送下位机备开主关指令，并再次发送蓄电池欠压保护指令；
锂离子蓄电池组的重新放电指令通过地面遥控执行。
优选地，所述U1为19.8V。
优选地，在卫星寿命初期，所述U2为22.2V；在卫星寿命末期，所述U2为21.3V。
优选地，所述均衡控制模块包括均衡电路，通常情况下，所述均衡电路为断开状态，当锂离子蓄电池组中各个锂离子蓄电池单体之间的电压差异超过U3时，均衡电路开启。
优选地，所述均衡电路的均衡电流为160mA，所述电压差异U3为60mV。
优选地，所述均衡电路采用旁路分流电路，其均衡控制方法包括如下步骤：
在充电过程中，下位机模块每30秒对6个锂离子蓄电池单体电压进行采样和比较，当某个锂离子蓄电池单体A电压比蓄电池组中的最低锂离子蓄电池单体电压高出60mV时，下位机模块发出控制信号并接通锂离子蓄电池单体A的旁路分流电路，减少锂离子蓄电池单体A的充电电流，从而降低锂离子蓄电池单体A充电电压的上升速度，达到均衡充电的目的；
当锂离子蓄电池单体A处于旁路分流状态时，直到锂离子蓄电池单体A电压为6个锂离子蓄电池单体中的最低电压，终止锂离子蓄电池单体A的旁路分流。
优选地，所述均衡电路的均衡控制方法还包括如下步骤：
根据地面控制人员根据遥测信号进行判别，由地面控制人员发出指令剔除一节失效锂离子蓄电池单体电压的比较。
优选地，所述下位机模块向均衡控制模块发送均衡指令的过程为：
均衡控制模块通过电压遥测用运算放大器对锂离子蓄电池单体电压进行隔离变换，并将变换后的参数发送给下位机模块进行处理并通过下位机模块进行均衡运算，下位机模块运算后发送均衡指令并由均衡控制模块执行。
本发明提供的卫星用锂离子蓄电池组电源分***的自主管理***，电源分***采用二域的控制理论即太阳电池阵的输出能源为母线供电、为蓄电池充电和将多余能源分流可以同时进行。在光照期太阳电池供电先满足母线功率需求，多余能量给蓄电池组充电，达到充电限流值时，多余电流进行分流。锂离子电池恒流充电后进行恒压充电控制，当锂离子电池充电达到锂离子蓄电池组或锂离子蓄电池单体的限压值时，对锂离子蓄电池进行恒压充电控制，逐步减小充电电流，直至为零。当峰值负载工作或太阳电池阵输出能源减少时，太阳电池阵首先满足载荷工作然后再满足蓄电池充电；当太阳电池阵输出能源不能满足载荷工作，蓄电池可以通过放电调节器向母线补充能源。这种卫星电源分***自主控制设计，可以实现卫星用锂离子蓄电池电源分***在轨全自主控制，提高电源分***在轨高可靠性运行。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过对蓄电池组的充放电调节控制、太阳电池阵输出多余功率的分流调节，完成电源分***变换控制，保持母线和各分***供电的稳定，满足星上各负载的供配电要求。
2、本发明实现了卫星锂离子蓄电池电源分***的在轨全自主控制，也从根本上大大提高了***的可靠性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明卫星用锂离子蓄电池电源分***的原理结构框图。
图2是本发明锂离子蓄电池的均衡控制执行电路原理图。
图3是锂离子电池在轨过充保护管理控制流程图。
图4是锂离子电池在轨过放保护管理控制流程图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种卫星用锂离子蓄电池组电源分***的自主管理***，包括在轨管理模块、应急保护模块、均衡控制模块以及下位机模块；其中：
所述在轨管理模块用于防止锂离子蓄电池组过份充电；
所述应急保护模块用于防止锂离子蓄电池组过份放电，并向下位机模块发送蓄电池欠压保护指令；
所述均衡控制模块用于均衡锂离子蓄电池组中各个锂离子蓄电池单体之间的电压；
所述下位机模块用于对锂离子蓄电池组中各个锂离子蓄电池单体的电压进行采样和比较，并向均衡控制模块发送均衡指令。
具体为：
在轨管理模块主要是防止锂离子蓄电池组过份充电，当同时满足下面3个条件时，卫星自主发送蓄电池充电锁定指令。
1)星体向阳面未丢失太阳；
2)蓄电池组电压大于充电锁定电压；
3)蓄电池组充电电流小于充电锁定电流。
蓄电池充电锁定后，其解锁操作由电源自行控制，即为使蓄电池能够恢复充电，电源控制器设置了充电解锁电路。
应急保护模块主要是防止锂离子蓄电池组过份放电，当蓄电池组电池电压小于等于U1(19.8V)时，电源自动执行蓄电池断电，电池组的重新放电指令由地面遥控执行。
能源应急保护指锂离子蓄电池电压小于阈值U2(其中卫星寿命初期U2＝22.2V，卫星寿命末期U2＝21.3V)时，发送蓄电池欠压保护指令，如果未执行该指令，则判定下位机总线通讯异常，发送下位机备开主关指令，并再次发送蓄电池欠压保护指令。
每组锂离子蓄电池组设置1个均衡控制模块，均衡电流为160mA，在一般情况下均衡电路断开，当单体间的电压差异超过60mV时需要开始均衡。
为了保证单体间的均衡性，锂电池采用了旁路均衡控制方式。在充电过程中，下位机每30秒对6个蓄电池单体电压进行采样和比较，当某个单体电池电压比蓄电池组中的最低单体电池电压高出60mV时，下位机发出控制信号接通该蓄电池单体的旁路分流电路，减少其充电电流，从而降低该蓄电池单体充电电压的上升速度，达到均衡充电的目的。旁路分流电路的电流不小于160mA。当这个蓄电池单体处于旁路分流时，直到这个单体电压为6个单体中的最低电压，否则它不会终止旁路分流。考虑到有可能一节单体失效，因此软件设计中允许剔除一个单体电压的比较，判别依据为地面控制人员根据遥测信号进行判别，由地面控制人员发出指令剔除一节失效单体电压的比较。
均衡控制模块完成蓄电池单体电压的采集和均衡指令的执行，电压遥测用运算放大器进行隔离变换。并将变换后的参数送给下位机进行处理并通过下位机进行均衡运算，下位机运算后发送均衡指令并由均衡控制模块执行。
本实施例提供的卫星用锂离子蓄电池组电源分***的自主管理***，通过对蓄电池组的充放电调节控制、太阳电池阵输出多余功率的分流调节，完成电源分***变换控制，保持母线和各分***供电的稳定，满足星上各负载的供配电要求。本发明实现了卫星锂离子蓄电池电源分***的在轨全自主控制，也从根本上大大提高了***的可靠性。
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 (9)

1.一种卫星用锂离子蓄电池组电源分***的自主管理***，其特征在于，包括在轨管理模块、应急保护模块、均衡控制模块以及下位机模块；其中：
所述在轨管理模块用于防止锂离子蓄电池组过份充电；
所述应急保护模块用于防止锂离子蓄电池组过份放电，并向下位机模块发送蓄电池欠压保护指令；
所述均衡控制模块用于均衡锂离子蓄电池组中各个锂离子蓄电池单体之间的电压；
所述下位机模块用于对锂离子蓄电池组中各个锂离子蓄电池单体的电压进行采样和比较，并向均衡控制模块发送均衡指令。
2.根据权利要求1所述的卫星用锂离子蓄电池组电源分***的自主管理***，其特征在于，所述在轨管理模块包括充电锁定电路和充电解锁电路；
当同时满足如下条件时，所述在轨管理模块的充电锁定电路启动，并自主发送蓄电池充电锁定指令：
-卫星星体向阳面未丢失太阳；
-锂离子蓄电池组电压大于充电锁定电压；
-锂离子蓄电池组充电电流小于充电锁定电流；
锂离子蓄电池组通过充电解锁电路恢复充电。
3.根据权利要求1所述的卫星用锂离子蓄电池组电源分***的自主管理***，其特征在于，所述应急保护模块包括电池断电保护电路以及能源应急保护电路；
当锂离子蓄电池组电压小于等于U1时，所述电池断电保护电路开启，并执行蓄电池断电；
当锂离子蓄电池组电压小于阈值U2时，能源应急保护电路发送蓄电池欠压保护指令：
-如果下位机模块未执行蓄电池欠压保护指令，则判定下位机模块的总线通讯异常，同时发送下位机备开主关指令，并再次发送蓄电池欠压保护指令；
锂离子蓄电池组的重新放电指令通过地面遥控执行。
4.根据权利要求3所述的卫星用锂离子蓄电池组电源分***的自主管理***，其特征在于，所述U1为19.8V；
在卫星寿命初期，所述U2为22.2V；在卫星寿命末期，所述U2为21.3V。
5.根据权利要求1所述的卫星用锂离子蓄电池组电源分***的自主管理***，其特征在于，所述均衡控制模块包括均衡电路，通常情况下，所述均衡电路为断开状态，当锂离子蓄电池组中各个锂离子蓄电池单体之间的电压差异超过U3时，均衡电路开启。
6.根据权利要求5所述的卫星用锂离子蓄电池组电源分***的自主管理***，其特征在于，所述均衡电路的均衡电流为160mA，所述电压差异U3为60mV。
7.根据权利要求5或6所述的卫星用锂离子蓄电池组电源分***的自主管理***，其特征在于，所述均衡电路采用旁路分流电路，其均衡控制方法包括如下步骤：
在充电过程中，下位机模块每30秒对6个锂离子蓄电池单体电压进行采样和比较，当某个锂离子蓄电池单体A电压比蓄电池组中的最低锂离子蓄电池单体电压高出60mV时，下位机模块发出控制信号并接通锂离子蓄电池单体A的旁路分流电路，减少锂离子蓄电池单体A的充电电流，从而降低锂离子蓄电池单体A充电电压的上升速度，达到均衡充电的目的；
当锂离子蓄电池单体A处于旁路分流状态时，直到锂离子蓄电池单体A电压为6个锂离子蓄电池单体中的最低电压，终止锂离子蓄电池单体A的旁路分流。
8.根据权利要求7所述的卫星用锂离子蓄电池组电源分***的自主管理***，其特征在于，所述均衡电路的均衡控制方法还包括如下步骤：
根据地面控制人员根据遥测信号进行判别，由地面控制人员发出指令剔除一节失效锂离子蓄电池单体电压的比较。
9.根据权利要求1所述的卫星用锂离子蓄电池组电源分***的自主管理***，其特征在于，所述下位机模块向均衡控制模块发送均衡指令的过程为：
均衡控制模块通过电压遥测用运算放大器对锂离子蓄电池单体电压进行隔离变换，并将变换后的参数发送给下位机模块进行处理并通过下位机模块进行均衡运算，下位机模块运算后发送均衡指令并由均衡控制模块执行。
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