一种空间飞行器锂电池自动充电控制方法与流程

本发明涉及一种空间飞行器锂电池自动充电控制方法，属于电池领域。

背景技术：

电源系统是空间飞行器的重要分系统之一。空间飞行器上大量使用锂离子蓄电池组，与太阳帆板配合使用实现对飞行器全周期的供电功能。在阳面，太阳帆板除了为负载供电外，还将多余的能量为锂离子蓄电池组充电实现蓄能功能；在阴面，锂离子蓄电池组放电为飞行器提供电能。

传统空间飞行器上锂离子蓄电池组采用单一的充电控制方法，一旦锂离子蓄电池组发生单体失效后，蓄电池组会发生过充现象，导致电池组循环寿命衰减加速，最终由于锂离子蓄电池组寿命到期，导致空间飞行器由于缺电而寿命结束。

如何防止在锂离子蓄电池组单体失效情况下发生的过充现象，需要提前设计预防。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种空间飞行器锂电池自动充电控制方法，解决单体短路情况下锂电池过充电引起供电功能失效的问题以及锂电池长时间过充进而导致的寿命大幅衰减的问题。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种空间飞行器锂电池自动充电控制方法，包括如下步骤：

(1)获取锂电池组串联级数N，放电模块输入电压下限A，并联块电池单体的电压上限U和下限W；

(2)测量锂电池组的总电压v，当v≤N*U时，进行恒流充电，当v达到N*U时，停止充电；

(3)测量锂电池组每个并联块电池单体的电压v₁…v_i…v_N，确定其中为0的数量t；

(4)当t＝0时，充电基准电压为N*U进行恒压充电；当≥t>0，充电基准电压由N*U切换至(N-t)*U，进行恒流充电，当锂电池组的总电压v达到(N-t)*U时，停止充电；当时，输出报警信号给飞行器控制系统。

优选的，步骤(4)中当时，输出报警信号给飞行器控制系统，并将充电模块切换为直接为负载供电，不再为锂电池组充电。

提供一种空间飞行器锂电池自动充电控制方法，包括如下步骤：

(1)获取锂电池组串联级数N，放电模块输入电压下限A，并联块电池单体的电压上限U和下限W；

(2)测量锂电池组的总电压v，当v≤N*U时，进行恒流充电，当v达到N*U时，停止充电；

(3)测量锂电池组的总电压v和每个并联块电池单体的电压v₁…v_i…v_N，确定其中同时满足单体的电压数值v_i<W并且|v_i-v/(N-t)|>40％×(U+W)/2的故障电池单体数量t，当t＝0时，充电基准电压为N*U进行恒压充电；当充电基准电压由N*U切换至(N-t)*U，进行恒流充电，当锂电池组的总电压v达到(N-t)*U时，停止充电；当时，输出报警信号。

优选的，当充电基准电压由N*U切换至(N-t)*U时，还包括监测故障并联块电池单体电压v_i，当故障电池单体电压v_i恢复到W≤v_i≤U的数量为s时，1≤s≤t，将充电基准电压由(N-t)*U切换至(N-t+s)*U。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明的自动充电控制方法避免了传统飞行器中采用单一基准源导致锂电池过充电带来的安全隐患；有效地防止锂电池长时间过充现象发生。

(2)本发明的自动充电控制方法延长锂电池的循环使用寿命，保证空间飞行器用电的可靠性和安全性。

(3)本发明的自动充电控制方法，考虑了单体故障模式的演变，提高锂电池容量利用率。

(4)本发明的自动充电控制方法，既考虑了单体电压的单独下限，有考虑了多个单体电压的一致性，避免了误切换，进一步提高了系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明空间飞行器锂电池自动充电控制的原理框图；

图2为第(N-1)级充电终止基准电压状态；

图3为第(N-X)级充电终止基准电压状态。

具体实施方式

空间飞行器电源系统由锂离子电池组、太阳电池阵和控制器和负载组成，其中核心设备为控制器。其中锂离子电池组串联数为N，负载数量为M。采用多级充电终止基准电压设置策略，设置合适的充电终止电压基准。采用电压自动判读的方法，及时切换充电终止条件，有效地防止锂电池长时间过充现象发生。

控制器又由充电模块、放电模块、处理器模块、储存模块和自动判读电路模块组成：

充电模块实现对锂离子蓄电池组的充电控制功能，一般采用恒流或恒压充电控制方法。以恒流充电，当蓄电池组电压达到一定值时停止对蓄电池组充电(该电压值简称充电终压)；以恒压充电，蓄电池组电压接近恒压值时(即充电电流接近零时)，停止充电。

放电模块实现对蓄电池组的放电控制功能，一般采用boost升压放电电路，该电路的输入电压范围为AV到BV之间。

处理器模块中预装订软件，实现对锂离子蓄电池组的充电策略执行和算法结算控制功能。

储存模块一般由RAM和ROM组成，ROM中预防软件程序，执行时处理器将软件程序从ROM加载到RAM中，实现程序代码的实时储存功能。

自动判读电路模块依据AD芯片采集到的锂电池组的总电压v和每个并联块电池单体的电压v₁…v_i…v_N，在处理器的控制下，执行充电控制策略，实现对蓄电池组的自动充电控制功能。

空间飞行器锂电池自动充电控制方法，包括如下步骤：

(1)获取锂电池组串联数量N，放电模块输入电压下限A，并联块电池单体的电压上限U和下限W；

(2)测量锂电池组的总电压v，当v≤N*U时，进行恒流充电，当v达到N*U时，停止充电；

(3)测量锂电池组每个并联块电池单体的电压v₁…v_i…v_N，确定其中为0的数量t；

(4)当t＝0时，充电基准电压为N*U进行恒压充电；当≥t>0，充电基准电压由N*U切换至(N-t)*U，进行恒流充电，当锂电池组的总电压v达到(N-t)*U时，停止充电；当时，输出报警信号给飞行器控制系统，并将充电模块切换为直接为负载供电，不再为锂电池组充电。表示对A与W的比值向上取整。将蓄电池组不超过节单体短路状态，简称亚健康态，自动充电调节控制后系统能够正常工作状态；当超过节单体短路状态，则自动充电调节控制后不能正常工作状态，为不健康态；当蓄电池组处于亚健康状态时，通过自动充电控制系统可以使电池状态恢复到健康状态；当蓄电池组处于不健康状态时，自动充电控制系统给出提示告警，输出报警信号给飞行器控制系统。

在第N级充电基准电压状态(状态一)下，参见附图1，充电基准电压为(U*N)V，太阳电池阵为锂离子电池组充电的终止电压为(U*N)V；在第(N-1)级充电基准电压状态(状态二)下，参见附图2，充电基准电压为(U*N-U)V，太阳电池阵为锂离子电池组充电的终止电压为(U*N-U)V；当t＝X时，在第(N-X)级充电基准电压状态(状态三)下，参见附图3，充电基准电压为(U*N-U*t)V，太阳电池阵为锂离子电池组充电的终止电压为(U*N-U*t)V，其中以上情况均可通过控制器实现对蓄电池组的自动充电控制，使得蓄电池组由亚健康状态恢复到健康状态。

当t大于时，由于蓄电池组的输出电压低于放电模块的输入工作电压下限AV，导致整个系统不能为负载正常供电，因此不再切换充电终止基准电压，提前给出告警提示，表明系统不能正常工作。

提供另一种空间飞行器锂电池自动充电控制方法，包括如下步骤：

(1)获取锂电池组串联数量N，放电模块输入电压下限A，电池单体的电压上限U和下限W；

(2)测量锂电池组的总电压v，当v≤N*U时，进行恒流充电，当v达到N*U时，停止充电；

(3)测量锂电池组的总电压v和每个电池单体的电压v₁…v_i…v_N，确定其中同时满足单体的电压数值v_i<W并且|v_i-v/(N-t)|>40％×(U+W)/2的故障电池单体数量t，当t＝0时，充电基准电压为N*U进行恒压充电；当充电基准电压由N*U切换至(N-t)*U，进行恒压充电，当锂电池组的总电压v达到(N-t)*U时，停止充电；当时，输出报警信号。

当单体电池的故障由短路故障演变为开路故障时，该并联电池单体恢复使用，向上调整基准电压充电。当充电基准电压由N*U切换至(N-t)*U时，还包括监测故障电池单体电压v_i，当故障电池单体电压v_i恢复到W≤v_i≤U的数量为s时，1≤s≤t，将充电基准电压由(N-t)*U切换至(N-t+s)*U。

通过单体短路失效模式下充电终止电压基准的多级自动切换方案，实现了锂电池工作状态与充电终止电压基准的良好匹配，避免了传统飞行器中采用单一基准源导致锂电池过充电带来的安全隐患。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。