一种航天器锂电池的过放保护和自主恢复供电控制方法与流程

本发明涉及一种航天器锂电池的过放保护和自主恢复供电控制方法，尤其适用于对月球探测器锂电池进行不同舱段分级过放保护以及自主恢复供电，属于空间电源技术领域。

背景技术：

锂离子蓄电池是指用Li+嵌入化合物作为正、负极活性物质的二次电池，其与传统的氢镍、镉镍及锌氧化银蓄电池相比，具有电压高、工作温度范围宽、比能量高、循环寿命长以及安全性较好等优点。在航天领域中，锂电池正日渐替代氢镍、镉镍等传统电池，逐步成为主流航天器用储能电源。作为一种广泛应用于航天器电源系统的二次电池，其工作状况直接影响航天器的寿命。锂电池放电达到终止电压后再继续放电的话，将会导致过放电。而锂电池一旦过放电，电池负极的性能将会受到严重影响，由于脱嵌大量锂离子，严重时甚至导致晶格坍塌，同时还会造成电池负极表面SEI膜的分解，而在充电过程中所新生成的SEI膜结构不致密，导致内阻增加，还将消耗活性锂，造成容量下降。此外，由于铜集流体被腐蚀，产生铜离子，也将增大电池内阻，在充放电过程中形成铜枝晶，刺穿隔膜，造成内阻短路，最终导致电池失效。可见过放电将会严重损害锂电池，对电池的电性能和循环寿命均极为不利。

为了有效延长锂电池的使用寿命，提高电源系统的可靠性，通常航天器电源系统都会针对锂电池设计防止过放电的安全保护措施。目前国内航天器电源系统中，锂电池的过放保护均为针对单舱段放电通路，且过放后的恢复供电为通过地面干预实现，自主性较低。当太阳翼恢复光照，整星重新上电时，若航天器处于测控弧段外，便无法及时通过地面发送遥控指令来接通放电开关。此时若航天器再次进影，整星将再次断电，从而给在轨飞行任务的完成造成严重影响。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种航天器锂电池的过放保护和自主恢复供电控制方法，通过下位机自主检测蓄电池组电压和单体电压，并与预设的过放阈值相比较，提高了锂电池过放保护的可靠性，解决了传统的过放保护电路易受干扰的问题；通过预设过放恢复电压阈值，自主接通放电开关，提升了锂电池恢复供电的自主性，克服了传统的过放保护电路过于依赖地面控制的难题；通过针对不同舱段进行分级保护控制，延长了锂离子蓄电池的使用寿命，弥补了传统的过放保护电路仅适用于单舱段放电通路且不耐用的缺陷。

本发明的技术解决方案是：

一种航天器锂电池的过放保护和自主恢复供电控制方法，包括如下步骤：

第一步，利用第一下位机检测蓄电池组电压和单体电池电压，当检测到蓄电池组进入一阶段过放状态后，将一阶段过放标志位置1；

第二步，利用第一下位机检测蓄电池组电压和单体电池电压，当检测到蓄电池组进入二阶段过放状态，将二阶段过放标志位置1；

第三步，第一下位机通过数管系统上位机通讯通知第二下位机先后发送第二硬件过放使能开关通指令、第二放电开关断指令，确认第二下位机已完成上述两个指令的发送后，第一下位机开始发送第一硬件过放使能开关通指令、第一放电开关断指令。

在上述的一种航天器锂电池的过放保护控制方法中，所述第一步中，包括两个分步骤：

步骤1.1，利用第一下位机接收蓄电池组电压和单体采样信号并检测蓄电池组电压和单体电池电压，判断是否满足蓄电池组电压低于预设的一阶段过放蓄电池组电压报警门限，且有两节单体电池电压低于预设的一阶段过放单体电池电压报警门限，若是，则跳转至步骤1.2，若否，则重复步骤1.1；

步骤1.2，利用第一下位机设置蓄电池组一阶段过放标志位为1，并跳转至第二步。

在上述的一种航天器锂电池的过放保护控制方法中，所述第二步中，包括三个分步骤：

步骤2.1，利用第一下位机接收蓄电池组电压和单体采样信号并检测蓄电池组电压和单体电池电压，判断是否满足蓄电池组电压低于预设的二阶段过放蓄电池组电压报警门限，且有两节单体电池电压低于预设的二阶段过放单体电池电压报警门限，若是，则跳转至步骤2.2，若否，则重复步骤2.1；

步骤2.2，利用第一下位机设置蓄电池组二阶段过放标志位为1；

步骤2.3，利用第一下位机判断第一舱段过放保护执行使能标志位是否处于允许状态，若是，则跳转至第三步，若否，则终止。

在上述的一种航天器锂电池的过放保护控制方法中，所述第三步中，包括五个分步骤：

步骤3.1，利用第一下位机经数管系统上位机向第二下位机设置第二舱段过放保护处理通知标志；

步骤3.2，利用第二下位机判断第二舱段过放保护执行使能标志位是否处于允许状态，若是，则跳转至步骤3.3，若否，则跳转至步骤3.1；

步骤3.3，利用第二下位机先发送第二硬件过放使能开关通指令，延时10s后再发送第二放电开关断指令，之后经数管系统上位机向第一下位机反馈第二舱段过放保护处理完毕标志及第二放电开关状态；

步骤3.4，利用第一下位机确认第二下位机是否完成第二硬件过放使能开关通指令、第二放电开关断指令的发送处理，若是，则跳转至步骤3.5，若否，则跳转至步骤3.1；

步骤3.5，利用第一下位机先发送第一硬件过放使能开关通指令，延时10s后再发送第一放电开关断指令，完成第一舱段过放保护处理。

一种航天器锂电池的自主恢复供电控制方法，包括如下步骤：

步骤一，利用第一下位机接收蓄电池组电压采样信号并检测蓄电池组电压，判断是否满足蓄电池组电压高于预设的过放恢复电压门限，若是，则进行步骤二，若否，则重复步骤一；

步骤二，利用第一下位机判断是否满足第一舱段过放保护执行使能标志位为允许，且第一硬件过放使能开关为接通状态，第一放电开关为断开状态，若是，则进行步骤三，若否，则跳转至步骤一；

步骤三，利用第一下位机连续三次发送第一放电开关通指令，同时经数管系统上位机向第二下位机设置第二舱段放电开关接通处理标志；

步骤四，利用第二下位机判断是否满足第二舱段过放保护执行使能标志位为允许，且第二硬件过放使能开关为接通状态，第二放电开关为断开状态，若是，则进行步骤五，若否，则终止；

步骤五，利用第二下位机连续三次发送第二放电开关通指令，完成后自主恢复供电处理。

在上述的一种航天器锂电池的自主恢复供电控制方法中，所述蓄电池组包括串联或并联的若干蓄电池单体。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

【1】本发明下位机自主检测蓄电池单体和组电压，并与预设的过放阈值相比较，通过第一舱段、第二舱段两级断电保护控制，避免蓄电池组过放电，提高蓄电池使用寿命。

【2】本发明在整星再次上电后，通过预设过放恢复电压阈值，自主接通放电开关，实现过放保护后自主恢复供电，提高了电源系统的可靠性和自主管理能力。

【3】本发明逻辑通顺、思路清晰、设计合理，易于工程实现，过放保护和自主恢复供电控制过程安全稳定，减轻了工作人员的操作负担。

附图说明

图1为本发明过放保护和自主恢复供电控制整体流程图

图2为本发明过放保护的具体流程图

图3为本发明自主恢复供电的具体流程图

图4为本发明的示意图

其中：1第一下位机；2第二下位机；3第一放电开关；4第二放电开关；5第一硬件过放使能开关；6第二硬件过放使能开关；7第一上位机；8第二上位机；9第一负载；10第二负载；V₀蓄电池组电压；V₁₁一阶段过放蓄电池组电压报警门限；V₂₂二阶段过放蓄电池组电压报警门限；V₃₃过放蓄电池组电压门限；V₁一阶段过放单体电压报警门限；V₂二阶段过放单体电压报警门限；V₃为过放恢复单体电压报警门限；

具体实施方式

为使本发明的方案更加明了，下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：

如图1～3所示，一种航天器锂电池的过放保护和自主恢复供电控制方法，包括如下步骤：

第一步，利用第一下位机1检测蓄电池组电压和单体电池电压，当检测到蓄电池组进入一阶段过放状态后，将一阶段过放标志位置1；

第二步，利用第一下位机1检测蓄电池组电压和单体电池电压，当检测到蓄电池组进入二阶段过放状态，将二阶段过放标志位置1；

第三步，第一下位机1通过数管系统上位机通讯通知第二下位机2先后发送第二硬件过放使能开关6通指令、第二放电开关4断指令，确认第二下位机2已完成上述两个指令的发送后，第一下位机1开始发送第一硬件过放使能开关5通指令、第一放电开关3断指令。

第一步中，包括两个分步骤：

步骤1.1，利用第一下位机1接收蓄电池组电压和单体采样信号并检测蓄电池组电压和单体电池电压，判断是否满足蓄电池组电压低于预设的一阶段过放蓄电池组电压报警门限，且有两节单体电池电压低于预设的一阶段过放单体电池电压报警门限，若是，则跳转至步骤1.2，若否，则重复步骤1.1；

步骤1.2，利用第一下位机1设置蓄电池组一阶段过放标志位为1，并跳转至第二步。

第二步中，包括三个分步骤：

步骤2.1，利用第一下位机1接收蓄电池组电压和单体采样信号并检测蓄电池组电压和单体电池电压，判断是否满足蓄电池组电压低于预设的二阶段过放蓄电池组电压报警门限，且有两节单体电池电压低于预设的二阶段过放单体电池电压报警门限，若是，则跳转至步骤2.2，若否，则重复步骤2.1；

步骤2.2，利用第一下位机1设置蓄电池组二阶段过放标志位为1；

步骤2.3，利用第一下位机1判断第一舱段过放保护执行使能标志位是否处于允许状态，若是，则跳转至第三步，若否，则终止。

第三步中，包括五个分步骤：

步骤3.1，利用第一下位机1经数管系统上位机向第二下位机2设置第二舱段过放保护处理通知标志；

步骤3.2，利用第二下位机2判断第二舱段过放保护执行使能标志位是否处于允许状态，若是，则跳转至步骤3.3，若否，则跳转至步骤3.1；

步骤3.3，利用第二下位机2先发送第二硬件过放使能开关6通指令，延时10s后再发送第二放电开关4断指令，之后经数管系统上位机向第一下位机1反馈第二舱段过放保护处理完毕标志及第二放电开关4状态；

步骤3.4，利用第一下位机1确认第二下位机2是否完成第二硬件过放使能开关6通指令、第二放电开关4断指令的发送处理，若是，则跳转至步骤3.5，若否，则跳转至步骤3.1；

步骤3.5，利用第一下位机1先发送第一硬件过放使能开关5通指令，延时10s后再发送第一放电开关3断指令，完成第一舱段过放保护处理。

一种航天器锂电池的自主恢复供电控制方法，包括如下步骤：

步骤一，利用第一下位机1接收蓄电池组电压采样信号并检测蓄电池组电压，判断是否满足蓄电池组电压高于预设的过放恢复电压门限，若是，则进行步骤二，若否，则重复步骤一；

步骤二，利用第一下位机1判断是否满足第一舱段过放保护执行使能标志位为允许，且第一硬件过放使能开关5为接通状态，第一放电开关3为断开状态，若是，则进行步骤三，若否，则跳转至步骤一；

步骤三，利用第一下位机1连续三次发送第一放电开关3通指令，同时经数管系统上位机向第二下位机2设置第二舱段放电开关接通处理标志；

步骤四，利用第二下位机2判断是否满足第二舱段过放保护执行使能标志位为允许，且第二硬件过放使能开关6为接通状态，第二放电开关4为断开状态，若是，则进行步骤五，若否，则终止；

步骤五，利用第二下位机2连续三次发送第二放电开关4通指令，完成后自主恢复供电处理。

数管系统上位机包括第一上位机7和第二上位机8；第一上位机7和第二上位机8均用于实现第一下位机1和第二下位机2之间的信号传递。

如图4所示，航天器锂电池的过放保护和自主恢复供电控制方法应用于探测器的电路中，包括第一下位机1、第二下位机2、第一放电开关3、第二放电开关4、第一硬件过放使能开关5、第二硬件过放使能开关6、第一上位机7、第二上位机8、第一负载9和第二负载10；第一上位机7与第一下位机1通过总线连接，第一下位机1的电路指令输出端分别连接第一放电开关3和第一硬件过放使能开关5，第二上位机8与第二下位机2通过总线连接，第二下位机2的电路指令输出端分别连接第二放电开关4和第二硬件过放使能开关6，第一上位机7与第二上位机8通过总线连接，第一下位机1与第二下位机2之间通过第一上位机7和第二上位机8实现通讯，蓄电池组分别通过第一放电开关3和第二放电开关4为第一负载9和第二负载10供电。

在第一舱段和第二舱段中，分别设置第一硬件过放使能开关5和第二硬件过放使能开关6，以防止第一放电开关3和第二放电开关4断开指令误动作导致第一放电开关3和第二放电开关4不正常断开，引起整星掉电故障。

第一硬件过放使能开关5和第二硬件过放使能开关6分别处于第一放电开关3和第二放电开关4通/断指令的控制通路上，第一硬件过放使能开关5和第二硬件过放使能开关6的状态分别由第一下位机1和第二下位机2发送的过放使能开关通/断指令进行控制，只有在第一硬件过放使能开关5或第二硬件过放使能开关6处于通的情况下，对应的第一放电开关3或第二放电开关4的通/断指令才能成功发送。

第一下位机1能够向第一硬件过放使能开关5发送过放使能开关通/断指令，向第一放电开关3发送放电开关通/断指令。

第一下位机1连接锂离子蓄电池单体及组电压遥测输出端电路，接收锂离子蓄电池单体及组电压采样信号，并与锂离子蓄电池组的电池特性所决定的一、二阶段过放电压报警门限相比较，根据比较结果决定是否将一、二阶段过放标志位置1，以及执行断开第一放电开关3和第二放电开关4的操作。

第一放电开关1和第二放电开关2断开后，第一下位机1继续检测锂离子蓄电池单体及组电压遥测信号，并与锂离子蓄电池组过放恢复电压门限相比较，根据比较结果决定是否发送第一放电开关3通指令和第二放电开关4通指令，执行自主恢复供电控制。

本实施例中，航天器电源系统锂离子蓄电池组由两节并联、七节串联的锂离子蓄电池单体组成。

锂离子蓄电池一、二阶段过放电压报警门限以及过放恢复电压门限设置如下：

通过实验经验设置锂离子蓄电池组的一阶段过放单体电压报警门限为3.5V，组电压报警门限略大于n×V1，V1为一阶段过放单体电压报警门限，n为锂离子蓄电池组中单体电池的串联数。

本实施例中一阶段过放蓄电池组电压报警门限设为24.8V。通过实验经验设置锂离子蓄电池组的二阶段过放单体电压报警门限为3.0V，组电压报警门限等于n×V2，V2为二阶段过放单体电压报警门限，n为锂离子蓄电池组中单体电池的串联数。

本实施例中二阶段过放蓄电池组电压报警门限设为21.0V。通过实验经验设置锂离子蓄电池组的过放恢复蓄电池单体电压门限为3.6V，组电压门限等于n×V3，V3为过放恢复单体电压报警门限，n为锂离子蓄电池组中单体电池的串联数，本实施例中过放恢复蓄电池组电压门限设为25.2V。

试验结果：

蓄电池组电压小于24.8V，且有两节单体电池电压小于3.5V时，一阶过放标志位置1，蓄电池组一阶过放。

当蓄电池组电压小于21.0V，且有两节单体电池电压小于3.0V时，二阶过放标志位置1，蓄电池组二阶过放，第二下位机2控制先后断开第二硬件过放使能开关6和第二放电开关4，完成第二舱段过放保护处理；随后第一下位机1控制先后断开第一硬件过放使能开关5和第一放电开关3，完成第一舱段过放保护处理。

当蓄电池组电压大于25.2V时，第一下位机1发送指令接通第一放电开关3，第二下位机2发送指令接通第二放电开关4。

本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。