CN113734470A - 一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨双模式管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨双模式管理方法，属于航天器锂离子蓄电池技术领域。以轨道周期内锂离子蓄电池组放电电流持续时间作为确定放电模式和保持模式转换的判据，荷电量计算以锂离子蓄电池组在轨的一个放电和充电为周期，将充电电流、分流状态、蓄电池组电压作为一个周期结束的判据。根据蓄电池组单体和整组电压对过充和过放状态进行判断。其中过放共产生3级不同程度的提示信号。保持模式对单体电压的离散度进行监测与提示，达到一定阈值时发送报警信号。保持模式中，蓄电池荷电状态处于50％～70％的状态，更利于延长锂离子蓄电池组使用寿命。

Description

一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨双模式管理方法
技术领域
本发明涉及一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨双模式管理方法，属于航天器锂离子蓄电池技术领域。
背景技术
随着航天器蓄电池组技术的提升，锂离子蓄电池组目前已成为中高轨卫星主流储能部件。蓄电池组寿命是卫星寿命的短板，蓄电池组的安全性也是在轨管理的重点。对于寿命要求一般在10-15年的中高轨卫星，如何提高锂离子蓄电池组在轨管理自主能力、提升在轨安全性，延长蓄电池组使用寿命是在轨管理的关键。
中高轨卫星由于轨道较高，存在一年内地影周期集中、保持模式时间长的特点。蓄电池组在轨存在集中一段时间放电之后长期不放电的模式。地面可靠性试验证明，锂离子蓄电池组在不充不放时保持50％～70％的半荷电状态最有利于延长寿命，锂离子蓄电池组过充电和过放电均会造成不同程度的损坏。因此，对锂离子蓄电池组在轨进行放电模式和保持模式双模式管理更有利于延长其寿命、提高安全性。
目前，中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法仅关注充放电相关内容，未对工作模式进行区分；自主程度较低，仍依赖地面测控；未将地面寿命试验成果与在轨管理结合。需要一种高自主性、高安全性、延长中高轨卫星锂离子蓄电池组使用寿命的管理方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理方法单一、无工作模式区分、无法保障锂离子蓄电池组寿命和安全性的缺点，提出一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨双模式管理方法，实现中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨放电模式和保持模式双模式管理。放电模式侧重于锂离子蓄电池组安全性保护，包括充电安全性管理、放电安全性管理、荷电量计算与提示等功能；保持模式侧重于延长锂离子蓄电池组使用寿命，包括半荷电保持、电压离散度提示等功能。通过锂离子蓄电池组的放电电流和放电时间确定两种在轨管理模式的转换条件。该方法具有高度自主性，可采用该方法和流程编写能源自主管理软件，实现航天器能源在轨自主运行。通过该方法，可以实现中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨的安全性管理，并有效延长其使用寿命。
本发明的技术解决方案是：
一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨双模式管理方法，该方法的步骤包括：
第一步，采集锂离子蓄电池组的放电电流；
第二步，根据第一步采集到的锂离子蓄电池组的放电电流情况将卫星锂离子蓄电池组在轨管理分为放电模式和保持模式两种模式；
当采集到的锂离子蓄电池组的放电电流在连续t分钟时间内始终大于If，则卫星锂离子蓄电池组处于放电模式；
当采集到的锂离子蓄电池组的放电电流在一个轨道周期内始终小于If，则卫星锂离子蓄电池组处于保持模式；
第三步，根据第二步得到的卫星锂离子蓄电池组的在轨模式进行在轨管理，当卫星锂离子蓄电池组的在轨模式为放电模式时，对锂离子蓄电池组按照放电模式进行管理，放电模式管理内容包括充电安全性管理、放电安全性管理、荷电量计算与提示；
当卫星锂离子蓄电池组的在轨模式为保持模式时，对锂离子蓄电池组在轨状态按照保持模式进行管理，保持模式管理内容包括半荷电保持和电压离散度提示；
第四步，卫星锂离子蓄电池组在在轨的两种模式之间进行切换；
所述的第二步中，放电模式指一个轨道周期内均存在航天器太阳电池阵受到地球遮挡而导致蓄电池组放电的模式；
所述的第二步中，保持模式是指一个轨道周期内太阳电池阵不受地球阴影遮挡，蓄电池组无放电的模式；
所述的第三步中，当中高轨卫星锂离子蓄电池组进入放电模式后，对锂离子蓄电池组按照放电模式进行管理，侧重于蓄电池组安全性保护，放电模式管理内容包括充电安全性管理、放电安全性管理、荷电量计算与提示；
所述的第三步中，当中高轨卫星锂离子蓄电池组进入保持模式后，对锂离子蓄电池组在轨状态按照保持模式进行管理，侧重于延长锂离子蓄电池组使用寿命，保持模式管理内容包括半荷电保持和电压离散度提示；
所述的充电安全性管理内容包括单体过充提示和整组过充保护，单体过充提示为：任一锂离子蓄电池单体电压超过单体过充电压阈值VGC1(根据蓄电池类型选择，一般为4.15V)，产生和发送蓄电池单体过充提示信号；当检测到单组所有有效单体的电压平均值大于单体过充电压阈值VGC1(根据蓄电池类型选择，一般为4.15V)，同时检测到蓄电池组电压大于组过充电压阈值VGC2(根据蓄电池类型和串联节数选择)时，断开充电开关，并向地面发送报警提示；
所述的放电安全性管理内容包括单体过放提示和整组过放保护；单体过放提示为：任一蓄电池单体电压低于单体过放电压阈值VDGF1(根据蓄电池类型选择，一般为3.5V)，产生和发送蓄电池单体过放提示信号。当检测到蓄电池组电压小于过放阈值VZGF1～VZGF3(根据蓄电池类型选择)，同时所有单体电压的平均值小于阈值VDGF1～VDGF3(根据蓄电池类型和串联节数选择)时，分别向地面发送1～3级过放提示信号；
所述的荷电量计算与提示内容包括充电电量计算、放电电量计算。充电电量计算为：锂离子蓄电池组充电电流遥测平均值乘以充电时间；放电电量计算方法为：锂离子蓄电池组放电电流遥测平均值乘以放电时间；并将计算得到的锂离子蓄电池组充电电量和放电电量数据下传至地面，对地面进行提示。
所述的半荷电保持方法为：检测所有的蓄电池单体电压遥测，当单体电压平均值下降至蓄电池单体保持电压下限VGZ2(蓄电池组荷电状态为50％荷电时对应的电压，一般取3.8V)时，则对该组蓄电池组进行充电，直至该组蓄电池组单体电压平均值达到蓄电池组单体电压上限VGZ1(蓄电池组荷电状态70％时对应的电压，一般取3.95V)时，停止充电。在保持模式内按照此方法进行循环；
所述的电压离散度提示方法为：持续对蓄电池组的离散度进行监测，当一组蓄电池中有效单体的最大单体电压与最小单体电压之间的电压差大于VLS(60mV)时，下传该组电池的单体电压离散度提示信号。
所述的第四步中，放电模式切换为保持模式判断方法为：判断是否连续1个轨道周期内锂离子蓄电池组放电电流始终小于If(If为卫星蓄电池组刚开始放电的可检测值，一般取2A)，符合判据即切换为保持模式。轨道周期由卫星所处轨道决定，一般地球同步轨道航天器轨道周期为24小时，中圆轨道卫星轨道周期为12小时；
所述的第四步中，保持模式切换为放电模式判断方法为：判断是否连续t分钟(t为卫星轨道周期内最短放电时间，一般取2min)锂离子蓄电池组放电电流始终大于If(If为卫星蓄电池组刚开始放电的可检测值，一般取2A)，符合判据即切换为放电模式。
有益效果
(1)本发明的方法无需地面测控，卫星以电压、电流等遥测数据为驱动，自主完成锂离子蓄电池组双模式管理工作；
(2)锂离子蓄电池组放电模式管理包括充电安全性管理、放电安全性管理、荷电量计算，防止锂离子蓄电池组过充电和过放电，提示锂离子蓄电池组荷电状态，从而提高锂离子蓄电池组在轨的安全性。
(3)锂离子蓄电池组保持模式管理包括半荷电保持和电压离散度提示，使锂离子蓄电池组处于半荷电状态，有利于延长锂离子蓄电池组使用寿命。放电模式管理模式侧重于对蓄电池组安全性的保护，保持模式侧重于延长锂离子蓄电池组使用寿命。
(4)本发明涉及一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨双模式管理方法，属于航天器锂离子蓄电池技术领域。将中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨管理分为放电模式和保持模式两种模式，采用遥测数据为驱动进行模式转换，两种管理模式分别侧重于蓄电池组安全性的保护和使用寿命的延长。该方法可以有效延长中高轨卫星锂离子蓄电池组使用寿命并提高在轨的安全性。
(5)本发明不需要地面测控，卫星自主以在轨遥测数据为驱动，完成锂离子蓄电池组双模式管理工作。以轨道周期内锂离子蓄电池组放电电流持续时间作为确定放电模式和保持模式转换的判据，荷电量计算以锂离子蓄电池组在轨的一个放电和充电为周期，将充电电流、分流状态、蓄电池组电压作为一个周期结束的判据。根据蓄电池组单体和整组电压对过充和过放状态进行判断。其中过放共产生3级不同程度的提示信号。保持模式对单体电压的离散度进行监测与提示，达到一定阈值时发送报警信号。保持模式中，蓄电池荷电状态处于50％～70％的状态，更利于延长锂离子蓄电池组使用寿命。
附图说明
图1为中高轨卫星锂离子蓄电池组双模式管理方法主流程；
图2为放电模式和保持模式转换流程图；
图3为半荷电保持流程图。
具体实施方式
一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨双模式管理方法，具体实施步骤如下：
(1)对中高轨卫星锂离子蓄电池组整组电压、单体电压、充电电流、放电电流遥测参数进行采集。如图1所示。然后进入步骤(2)；
(2)采用所述的放电模式转保持模式判断方法以及保持模式转放电模式判断方法，对锂离子蓄电池组所处模式进行转换，逻辑关系如图2所示。如果为放电模式则进入步骤(3)，如果为充电模式则进入步骤(4)。
(3)进入放电模式后，对锂离子蓄电池组在轨状态按照放电模式设置。放电模式管理内容包括充电安全性管理、放电安全性管理、荷电量计算与提示。
(4)进入保持模式后，对锂离子蓄电池组在轨状态按照保持模式设置。保持模式管理内容包括半荷电保持、电压离散度提示功能。其中半荷电保持流程如图3所示。
(5)对步骤(2)的放电模式和保持模式双模式转换方法进行循环判断，使卫星锂离子蓄电池组在轨管理模式在步骤(3)与步骤(4)中切换，最终完成中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨长寿命、高安全性的管理。
所述的卫星锂离子蓄电池组是由锂离子蓄电池单体串联而成。一般串联节数在9～22节。
所述步骤(2)放电模式转保持模式判断方法为：判断是否连续1个轨道周期内锂离子蓄电池组放电电流始终小于If(If为卫星蓄电池组刚开始放电的可检测值，一般取2A)，符合判据即切换为保持模式；
保持模式转放电模式判断方法为：判断是否连续t分钟(t为卫星轨道周期内最短放电时间，一般取2min)锂离子蓄电池组放电电流始终大于If(If为卫星蓄电池组刚开始放电的可检测值，一般取2A)，符合判据即切换为放电模式；轨道周期由卫星所处轨道决定，一般地球同步轨道航天器轨道周期为24小时，中圆轨道卫星轨道周期为12小时。
所述步骤(3)中，放电模式管理侧重于蓄电池组安全性保护，放电模式管理内容包括充电安全性管理、放电安全性管理、荷电量计算与提示。
所述步骤(4)中，保持模式管理侧重于延长锂离子蓄电池组使用寿命，保持模式管理内容包括半荷电保持和电压离散度提示。
实施例1
一套高轨卫星锂离子蓄电池组，采用本方法进行在轨双模式管理。航天器处于地球同步轨道，轨道周期为24小时，锂离子蓄电池组由22个锂离子蓄电池单体串联而成。满荷电状态对应单体电压4.1V，70％荷电状态对应单体电压3.95V，50％荷电状态对应单体电压3.8V。
航天器入轨后，开始在轨双模式管理。判断是否连续1个轨道周期内锂离子蓄电池组放电电流始终小于If(2A)，符合判据即切换为保持模式；判断是否连续t分钟(2min)锂离子蓄电池组放电电流始终大于If(2A)，符合判据即切换为放电模式。
放电模式管理内容包括充电安全性管理、放电安全性管理、荷电量计算与提示。当任一锂离子蓄电池单体电压超过满荷电状态对应的4.1V，达到过充电压阈值VGC1(4.15V)，产生和发送蓄电池单体过充提示信号。当检测到单组所有有效单体的电压平均值大于单体过充电压阈值VGC1(4.15V)，同时检测到蓄电池组电压大于组过充电压阈值VGC2(91.3V)时，断开充电开关，并向地面发送报警提示。放电安全性管理内容包括单体过放提示和整组过放保护。单体过放提示为：任一蓄电池单体电压低于单体过放电压阈值VDGF1(3.5V)，产生和发送单体过放提示信号。当检测到蓄电池组电压小于过放阈值VZGF1～VZGF3(77V、72.6V、66V)，同时所有单体电压的平均值小于阈值VDGF1～VDGF3(3.5V、3.3V、3.0V)时，分别向地面发送1～3级过放提示信号。荷电量计算与提示包括充电电量和放电电量计算，充电电量计算为：锂离子蓄电池组充电电流遥测平均值乘以充电时间；放电电量计算方法为：锂离子蓄电池组放电电流遥测平均值乘以放电时间。并将计算得到的锂离子蓄电池组充电电量和放电电量数据下传至地面，对地面进行提示。
保持模式管理内容包括半荷电保持、电压离散度提示功能。检测所有的蓄电池单体电压遥测，当单体电压平均值下降至蓄电池单体保持电压下限VGZ2(3.8V)时，则对该组蓄电池组进行充电，直至该组蓄电池组单体电压平均值达到蓄电池组单体电压上限VGZ1(3.95V)时，停止充电。在保持模式内按照此逻辑进行循环。持续对蓄电池组的离散度进行监测，当一组蓄电池中有效单体的最大单体电压与最小单体电压之间的电压差大于VLS(60mV)时，下传该组电池的单体电压离散度提示信号。
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。

Claims (10)

1.一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨双模式管理方法，其特征在于该方法的步骤包括：
第一步，采集锂离子蓄电池组的放电电流；
第二步，根据第一步采集到的锂离子蓄电池组的放电电流情况将卫星锂离子蓄电池组在轨管理分为放电模式和保持模式两种模式；
第三步，根据第二步得到的卫星锂离子蓄电池组的在轨模式进行在轨管理，当卫星锂离子蓄电池组的在轨模式为放电模式时，对锂离子蓄电池组按照放电模式进行管理，放电模式管理内容包括充电安全性管理、放电安全性管理、荷电量计算与提示；
当卫星锂离子蓄电池组的在轨模式为保持模式时，对锂离子蓄电池组在轨状态按照保持模式进行管理，保持模式管理内容包括半荷电保持和电压离散度提示；
第四步，根据采集到的锂离子蓄电池组的放电电流使卫星锂离子蓄电池组在两种模式之间进行切换，按照切换后的模式进行卫星锂离子蓄电池组在轨管理。
2.根据权利要求1所述的一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨双模式管理方法，其特征在于：
所述的第二步中，当采集到的锂离子蓄电池组的放电电流在连续t分钟时间内始终大于If，则卫星锂离子蓄电池组处于放电模式；
当采集到的锂离子蓄电池组的放电电流在一个轨道周期内始终小于If，则卫星锂离子蓄电池组处于保持模式；
If为卫星蓄电池组开始放电时能够检测到的检测值；
t为卫星轨道周期内最短放电时间。
3.根据权利要求1所述的一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨双模式管理方法，其特征在于：
所述的第二步中，放电模式指一个轨道周期内均存在航天器太阳电池阵受到地球遮挡而导致蓄电池组放电的模式；保持模式是指一个轨道周期内太阳电池阵不受地球阴影遮挡，蓄电池组无放电的模式。
4.根据权利要求1所述的一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨双模式管理方法，其特征在于：
所述的第三步中，当中高轨卫星锂离子蓄电池组进入放电模式后，对锂离子蓄电池组按照放电模式进行管理，放电模式管理内容包括充电安全性管理、放电安全性管理、荷电量计算与提示。
5.根据权利要求4所述的一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨双模式管理方法，其特征在于：
所述的充电安全性管理内容包括单体过充提示和整组过充保护，单体过充提示为：任一锂离子蓄电池单体电压超过单体过充电压阈值VGC1，产生和发送蓄电池单体过充提示信号；当检测到单组所有有效单体的电压平均值大于单体过充电压阈值VGC1，同时检测到蓄电池组电压大于组过充电压阈值VGC2时，断开充电开关，并向地面发送报警提示；
阈值VGC1根据蓄电池类型选择，阈值VGC2根据蓄电池类型和串联节数选择。
6.根据权利要求4所述的一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨双模式管理方法，其特征在于：
所述的放电安全性管理内容包括单体过放提示和整组过放保护；单体过放提示为：任一蓄电池单体电压低于单体过放电压阈值VDGF1，产生和发送蓄电池单体过放提示信号，当检测到蓄电池组电压小于过放阈值VZGF1～VZGF3，同时所有单体电压的平均值小于阈值VDGF1～VDGF3时，分别向地面发送1～3级过放提示信号；
阈值VDGF1根据蓄电池类型选择，阈值VZGF1～VZGF3根据蓄电池类型选择，阈值VDGF1～VDGF3根据蓄电池类型和串联节数选择。
7.根据权利要求4所述的一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨双模式管理方法，其特征在于：
所述的荷电量计算与提示内容包括充电电量计算、放电电量计算，充电电量计算为：锂离子蓄电池组充电电流遥测平均值乘以充电时间；放电电量计算方法为：锂离子蓄电池组放电电流遥测平均值乘以放电时间，并将计算得到的锂离子蓄电池组充电电量和放电电量数据下传至地面，对地面进行提示。
8.根据权利要求1所述的一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨双模式管理方法，其特征在于：
所述的第三步中，当中高轨卫星锂离子蓄电池组进入保持模式后，对锂离子蓄电池组在轨状态按照保持模式进行管理，保持模式管理内容包括半荷电保持和电压离散度提示。
9.根据权利要求8所述的一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨双模式管理方法，其特征在于：
所述的半荷电保持方法为：检测所有的蓄电池单体电压遥测，当单体电压平均值下降至蓄电池单体保持电压下限VGZ2时，则对该组蓄电池组进行充电，直至该组蓄电池组单体电压平均值达到蓄电池组单体电压上限VGZ1时，停止充电；
所述的电压离散度提示方法为：持续对蓄电池组的离散度进行监测，当一组蓄电池中有效单体的最大单体电压与最小单体电压之间的电压差大于VLS时，下传该组电池的单体电压离散度提示信号；
VGZ2为蓄电池组荷电状态为50％荷电时对应的电压；
VGZ1为蓄电池组荷电状态70％时对应的电压。
10.根据权利要求1所述的一种中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨双模式管理方法，其特征在于：
所述的第四步中，放电模式切换为保持模式判断方法为：判断是否连续1个轨道周期内锂离子蓄电池组放电电流始终小于If，符合判据即切换为保持模式；
保持模式切换为放电模式判断方法为：判断是否连续t分钟锂离子蓄电池组放电电流始终大于If，符合判据即切换为放电模式；
t为卫星轨道周期内最短放电时间，If为卫星蓄电池组开始放电的可检测值。
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