一种电池的充放电电量测量方法与流程

本发明涉及航天器电源技术领域，特别是一种电池的充放电电量测量方法。

背景技术

航天器电源系统被称为是航天器的心脏，为航天器的各种载荷设备提供工作所需的能量，是航天器稳定运行的关键所在。在航天器电源系统中，一般由太阳电池阵通过光电效应发电，在光照期为航天器提供能源，并为电池组充电；电池组则在非光照期为航天器提供能源；当航天器短期功率需求大于太阳电池阵发电功率时，电池组也会作为后备电源参与联合供电。

以往的航天器中，电池组的大部分使用情况是较小倍率的充放电、充放电电流的相对变化不大，充放电电压较为平缓，因此充放电过程中电池状态变化不显著，电池的充放电效率也能够维持在较高水平。在这种工作模式下，因此可以通过电池组端电压查表、电量计等方法对电池的充放电能量进行估算和判断。端电压查表法是指电池在地面研制过程中，通过测试获得一系列电池的端电压所对应的电池荷电状态的经验值，由此获得电池的放电或者充电电量，在电池充放电工作模式比较稳定的情况下，这种方法是较为简便且应用广泛。电量计的方式是通过采集电池的电压和电流值，对若干个采集周期内的电压和电流值进行平均后积分累加，得到充放电电量的计算结果，这种方法的精度受限于采集周期和采集值的变化范围，在电池充放电工作模式比较稳定的情况、秒级的采集周期下，电量计方法能够在占用较小资源的情况下具有较高的准确性。

然而，随着一些短期大功率载荷的应用，如大功率雷达、定向能载荷等，需要电池能够在很短时间内通过大倍率充放电，电流呈现脉冲特性，充放电电压短期变化剧烈，过程中电池温度变化显著，充放电效率也会发生较大变化，并且由于电池的大功率充放电会有迟滞效应，由此会带来内阻加剧，能量在电池本体上的消耗不可忽略，因此对电池电压、电流采样的这些电池表观性能并不能实时判断电池的真实状态。电池的状态直接关系到对电池的充放电管理、状态控制、故障和寿命预测，因此需要采用更为准确高效的测量手段，获取和掌握电池组大功率放电的实际输出。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种电池的充放电电量测量方法，解决了航天器中使用的电池或电池组在大功率充放电情况下，电池的实际电流、电压和电量的测量，航天器的电源系统可以根据测量结果，推算和调整电池的健康状态、管理策略和控制参数；解决了航天器中电池在大功率充放电工作模式下，电池端电压查表法不再适用、传统的电量计测定不精确的问题。

本发明的技术解决方案是：一种电池的充放电电量测量方法，包括如下步骤：

(1)搭建电池充放电电量测量系统；

电池充放电电量测量系统包括被测量电池、测量采集电路、电量计算模块，测量采集电路接在被测量电池的输入输出路径上，测量采集电路能够将获得的测量参数值传给电量计算模块，电量计算模块能够计算生成充放电电量，将测量计算结果传递给电池或电源管理系统，测量采集电路或者电量计算模块能够将参数测量结果传给电池或电源管理系统；

(2)采集电池测量系统的各参数；

控制测量采集电路采集被测量电池的电池电压、电池电流、电池温度、电池电压变化、电池电流变化，包括第i次采集时刻得到的电池电压ui、电池电流ii、电池温度ti、电池电压变化u′i、电池电流变化i′i；所述的被测量电池为单体电池或者电池组，i为正整数；

(3)计算电池充放电电量；

计算第n次采集时刻电池充放电电量en

其中,ti为第i次采集时刻，p(t)＝u(t)i(t)，ηt(ti)＝η×kt(ti)，kt(ti)为第i次采集时刻温度ti对应的温度系数，取值范围为正数，η为充放电系数；所述的u(t)为电池电压ui、电池电压变化u′i、电池电压ui-1插值计算得到，i(t)为电池电流ii、电池电流变化i′i、电池电流ii-1插值计算得到。

所述的电池电压为被测量电池整体的端电压，电池电流为被测量电池整体的输入输出电流，电池温度在测量单体电池时是单体温度值，在测量电池为电池组时为电池组中多个测温点的平均值；所述的电池电压变化为磁感应或者电感应通过并联的方式测量得到；所述的电池电流变化为磁感应、电感应通过串联的方式得到。

所述的所述的插值方法包括lagrange插值、newton插值或者hermite插值。

一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-权利要求3任一所述方法的步骤。

一种电池的充放电电量测量设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述的处理器执行所述的计算机程序时实现如权利要求1-权利要求3任一所述方法的步骤。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明电池短期大功率充放电的工作模式，与现有技术相比能够更加精确地修正电池放电过程中的迟滞、动态内阻、温度变化引发的电量测量误差，获得准确的电池输出结果；

(2)本发明通过对电池电压和电池电流计算使用插值的数学方法，解决了现有技术在短期大功率工作模式下测量误差大的缺陷，具有对电池充放电电量测量更加准确的优点。

附图说明

图1为电池充放电电量测量系统框图；

图2为电池测量系统的各参数采集示意图；

图3为电池充放电电量计算流程示意图。

具体实施方式

本发明克服现有技术的不足，提供了一种电池的充放电电量测量方法，解决了航天器中使用的电池或电池组在大功率充放电情况下，电池的实际电流、电压和电量的测量，航天器的电源系统可以根据测量结果，推算和调整电池的健康状态、管理策略和控制参数；解决了航天器中电池在大功率充放电工作模式下，电池端电压查表法不再适用、传统的电量计测定不精确的问题。

本发明的特点包括：在电池参数采集中增加了电流变换采集电路和电压变换采集电路，电流采集电路和电压采集电路负责电池瞬态参数的采集，电流变化和电压变换的采集电路负责电池动态参数的采集；在电量的计算方法中增加了温度参数，温度参数由电池温度采集电路的采集结果通过计算得到；每隔设定时间获取电流、电压、电流变换、电压变换、电池温度至少各一次采集值；当一次充电或者放电完成后，电量计算一次电池输出能量，以获得所述方法的测量结果。

一、电池充放电电量测量系统方案

如图1所示，本实施例所述的电池充放电电量测量方案，包括了：被测量电池、测量采集电路和电量计算模块三个部分组成。电池充放电电量测量系统的连接关系为测量采集电路连接在被测量电池的输入输出路径上，采集电路获得的测量参数值直接传递给电量计算模块，通过电量计算模块计算生成充放电电量。电量计算模块可以将参数测量结果和测量计算结果传递给电池或电源管理系统。

二、电池测量系统的各参数采集

如图2所示，本实例采集参数的对象，即被测量电池可以是单体电池，也可以是电池组。测量采集电路采集的参数至少包含电池电压、电池电流、电池温度、电池电压变化、电池电流变化等5种。其中电池电压应当是被测量电池整体的端电压；电池电流应当是被测量电池整体的输入输出电流；电池温度在测量单体电池时是单体温度值，在测量对象为电池组时应当为电池组中多个测温点的平均值；电池电压变化测量的是电池电压变化的情况，采集方式包含但不限于磁感应、电感应等；电池电流变化测量的是电池电流变化的情况，采集方式包含但不限于磁感应、电感应等。

三、电池充放电电量计算方法

图3给出了为电池电量计算中对各参数最终形成电量测量结果的计算流程。电池电量的计算公式为：

其中,ti为第i次采集时刻，p(t)＝u(t)i(t)，ηt(ti)＝η×kt(ti)，kt(ti)为第i次采集时刻温度t对应的温度系数，取值范围为正数，ηt为温度t对应的充放电系数；u(t)为电池电压ui、电池电压变化u′i、电池电压ui-1插值计算得到，i(t)为电池电流ii、电池电流变化i′i、电池电流ii-1插值计算得到；所述的插值方法包括lagrange插值、newton插值、hermite插值等方法。

本发明电压变化参数和电流变化参数采集包括：电压变化参数和电流变化参数可以用于电压和电流曲线的精确生成，同时电压变化参数和电流变化参数之比为电池动态内阻，还可以反映电池的健康状态，是本发明的重要基础。

电池温度参数在电池充放电电量计算中的应用包括：在不同温度下电池内部反应的速度会发生变化，在电池温度变化幅度较大的情况下，对电池的效率进行温度修正，是电量计算中重要的环节。

电池充放电电量的计算方法包括：本发明公布的电池参数采集方法包含了电压变化采集和电流变化采集，这两个参数可以实时反映电压和电流随时间变化的瞬时一阶导数，从而可以提供邻近两次或者多次测量之间的插值计算，在输入输出变化剧烈的情况下，能够更加接近真实的电池电压和电流曲线。

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。