专利名称：一种蓄电池充电控制方法
技术领域：
本发明涉及一种蓄电池充电控制的方法，具体地说涉及一种蓄电池的安时计控制方法。
背景技术：
蓄电池充电控制模块的作用是完成卫星在轨运行期间蓄电池的充电控制，包括充电电流设定和充电终止控制两部分功能。
传统的卫星电源系统设计通常将太阳电池阵分为供电阵和充电阵两部分，其中供电阵用来满足星上负载的用电需求，充电阵专门用来为蓄电池组充电，依靠独立充电阵的恒流段为蓄电池组提供相对恒定的充电电流，利用硬件V/T曲线方法控制蓄电池充电终止。该充电方法简单，但缺点是(1)只有供电阵的输出功率才能供给负载，而充电阵仅用来为蓄电池充电，在充电结束后，该部分功率就浪费了。这样，太阳电池阵的输出功率不能得到统一利用，效率低；(2)充电电流大小完全依靠独立充电阵的恒流工作段，而充电阵输出的充电电流易受温度、辐照、季节以及卫星姿态的影响，难以保持恒定；(3)充电终止采用V/T曲线控制。该控制利用在一定的充电电流下，蓄电池充电终压随温度变化的实测值曲线进行终止充电控制。但若充电电流发生变化，利用该曲线控制就不准确，容易造成蓄电池欠充或过充。
研究表明，长期欠充或过充会显著加快蓄电池性能的衰降，缩短蓄电池使用寿命。对于中低轨道卫星，进出影频繁，蓄电池必须在地影区放电以维持星上设备正常工作。由于蓄电池充放电频繁并且是消耗性使用，在全星各个电子设备中，蓄电池的寿命是最短的，因此，蓄电池的使用寿命往往就决定了卫星的寿命，延长蓄电池寿命就等于延长了卫星使用寿命，因此对蓄电池充电控制的性能、可靠性有很高的要求。传统的独立充电阵技术和V/T曲线控制技术属于非精确控制，难以胜任高质量的充电控制要求，因此在中低轨道卫星上，迫切需要采用可靠的、性能更先进的充电控制技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种蓄电池充电控制方法，用以解决传统卫星蓄电池充电控制中容易造成的欠充或过充的问题，可以有效地延长蓄电池的使用寿命，从而延长卫星的在轨寿命。
为了实现上述目的，本发明通过软件安时计控制，包括如下步骤(1)在卫星电源分系统中设置太阳电池阵、蓄电池组和电源控制器，在电源控制器中设置充电调节器BCR和电源下位机用于蓄电池恒流充电和安时计充电终止控制；(2)将BCR串接在供电母线和蓄电池组之间，该BCR是一种受软件控制的降压式脉宽调制型开关电源，一方面将母线电压降为蓄电池组电压，另一方面按充电电流参考电平从母线上调节出恒定的充电电流为蓄电池组充电；(3)由电源下位机按1秒钟1次的采集周期采集蓄电池充电电流、放电电流，根据标定好的系数还原成实际的物理量，用于计算蓄电池充电电量和放电电量；(4)在电源下位机中设置软件算法，每隔2秒钟进行1次蓄电池电量的计算，包括蓄电池充电电量、放电电量和当前电量，根据计算的当前电量值向D/A写入适当的充电电流设定值，即预先设定1个充电电流转阶段门限，当当前电量值小于转阶段门限时，充电电流设定值为1档，是大电流充电；当当前电量值大于转阶段门限时，充电电流设定值为2档，是小电流充电；当当前电量值达到满电量时，表明蓄电池已经充满，充电电流设定值为0，停止为蓄电池充电；(5)由电源下位机的模拟量输出通道D/A提供充电调节器BCR的充电电流参考电平；(6)根据D/A提供的充电电流参考电平，依靠闭环的电流反馈调节，调节BCR的输出电流达到设定的参考电流。
蓄电池的安时计控制取决于在轨电源下位机的稳定工作。为防止电源下位机在轨复位或死机，同时还将传统的硬件V/T曲线控制作为软件安时计控制的备份手段，也就是说这两种控制方式互为热备份。电源下位机加电后第1次充电单独由硬件V/T曲线控制，使得蓄电池的初态明确，以后的充电由软件安时计和硬件V/T曲线共同控制，任何1个条件满足即可终止充电，确保蓄电池不过充。
为防止下位机程序“走飞”出现不可预计的情况，任何情况下只要硬件“看门狗”发出复位信号，就自动切断D/A输出，软件安时计不介入控制，完全由硬件V/T曲线控制，确保蓄电池组能够充电。
软件安时计控制的依据是充放电电流与时间的积分，由于充放电电流存在测量精度问题，长期累计必然会有一定的累计误差。对于造成过充的累计误差，可以通过硬件V/T曲线控制自动消除；而对于造成欠充的累计误差，可以通过在轨修改充放比系数逐渐减少误差。
另外，与蓄电池充电相关的5个参数，包括当前电量、充电转阶段门限、充放比、充电电流1档设置、充电电流2档设置均可在轨上注，在轨修改的参数立即生效，从而可以根据蓄电池的当前状态改变控制策略，为充电控制提供了极大的灵活性和方便性。
本发明利用计算机精确设置蓄电池充电电流，充电电流设定最多可以达到255种，利用降压型开关电源BCR对蓄电池组进行恒流充电，实现了蓄电池充电精控与粗控的紧密结合，充电效果最优，可改善充电质量，延长蓄电池的使用寿命。
图1为本发明的电源分系统原理图；图2为本发明的BCR电原理图；图3为主函数程序流程图；
图4为安时计控制函数流程图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明如图1所示，电源分系统的发电装置太阳电池阵采用大并联统一布片技术，太阳电池阵的功率全部直接输出到供电母线上，为负载提供的功率和为蓄电池充电的功率都直接由供电母线提供。
太阳电池阵的输出功率首先满足负载用电，多余的功率给蓄电池组充电，再多余的功率被分流掉，当太阳电池阵输出功率低于负载用电需求时，蓄电池放电以补充供电。这对应于电源分系统的分流、充电和放电三种工作模式。电源系统工作在何种模式受主误差放大信号MEA(即供电母线电压与参考电压的差值，其反映母线电压的高低)的控制，在MEA信号的高端，表明母线电压较高，太阳电池阵输出功率较富裕，电源系统工作在分流模式；在MEA信号的中间段，电源系统工作在充电模式；在MEA信号的低端，母线电压较低，太阳电池阵供电不足，电源系统工作在放电模式。
电源下位机用于蓄电池充电的智能化管理，包括通过D/A给定充电电流设定值和实现软件安时计充电终止控制。蓄电池充电通常为2阶段充电，当蓄电池电量较低时，采用大电流充电；在蓄电池电量快满时，采用小电流充电。
如图2所示，BCR是一个利用脉宽调制信号控制的开关电源，串联在充电回路中，鉴于母线电压与蓄电池组电压的压差有2～3V左右，BCR采用降压恒流充电模式，平均值反馈式控制技术。
BCR给出的充电电流大小受电源下位机D/A输出电平、主误差放大信号MEA及V/T曲线充电控制信号共同决定，低电平起控。在太阳电池阵输出功率较富余，除满足负载和蓄电池充电功率需求外仍有多余的功率需要被分流时，母线电压较高，MEA电压也相应较高，充电电流大小完全由D/A输出电平决定，依靠闭环的电流反馈调节，使得输出电流值与设定值相符；在太阳电池阵输出功率不能完全满足负载和蓄电池充电的功率需求时，母线电压降低，MEA电压也相应降低，则依靠统一的MEA信号的控制，太阳电池阵输出功率首先满足负载需求，多余的功率用来为蓄电池充电，此时充电电流大小由MEA信号决定；在太阳电池阵输出功率不能满足负载需求时，母线电压继续降低，MEA电压也继续降低，自动启动放电调节器，由蓄电池放电补充不足的功率，此时蓄电池充电电流降为0。
蓄电池的充电终止控制由硬件V/T曲线充电控制信号和电源下位机D/A变换器输出的充电电流设定电平共同实现，低电平先起控。
为了提高可靠性，电源下位机D/A输出可由直接遥控指令切除，也可由电源下位机的硬件“看门狗”信号自动切除，以免在D/A输出出现全低电平故障时，导致蓄电池无法充电。BCR充电模块在D/A输出切除后，由MEA信号作为给定信号，确保给出充电电流，为了避免全导通，使电流过大，脉宽信号被限定在一定的范围。
星上充电调节器BCR通常由两个模块组成，两个模块互为热备份，也可通过遥控指令将其中1个模块切除掉。每个BCR模块采用P型MOSFET作为功率开关器件。为了防止MOSFET短路失效，除选用耐压为250V、30A的器件外，MOSFET为两个并连并串接保险丝。此外，输入端口装有继电器开关、遥控指令可使模块电路接入或断开。
如图3所示，电源下位机主函数流程具体步骤如下(1)电源下位机程序启动运行；(2)参数初始化设置充电电流设定电平＝最大值(D/A输出4.98V)当前电量＝满电量(根据所用蓄电池的容量决定)充电电量＝0放电电量＝0初始充电终止标志＝0
涓流标志位＝0；(3)巡检遥测参数并打包向主机发送；(4)判断进出影电平信号，如果进出影电平为0，表明在阴影区，将涓流标志位置0，转入步骤(5)；如果进出影电平为1，表明在光照区，直接转入步骤(5)；(5)根据V/T充电终止电平判断是否充电终止；(6)如果V/T充电终止电平为1，表明充电终止，设置下列参数充电电流设定电平＝0当前电量＝满电量(根据所用蓄电池的容量决定)充电电量＝0放电电量＝0初始充电终止标志＝1涓流标志＝1转入步骤(3)；(7)如果V/T充电终止电平为0，继续判断2秒定时器是否到、涓流标志是否为0、初始充电终止标志是否为1三个条件，如果上述三个条件均满足，进入安时计控制函数，否则转入步骤(3)。
如图4所示，典型安时计控制函数流程具体步骤如下(1)开始安时计控制函数；(2)读取充电电流、放电电流、进出影电平三个遥测参数；(3)若进出影电平为0，表明在阴影区，设置或计算下列参数充电电流设定电平＝0放电电量＝前次放电电量+放电电流(A)×时间间隔(h)当前电量＝前次电量+[充电电流(A)×时间间隔(h)]/充电比-放电电流(A)×时间间隔(h)转入步骤(8)；
(4)若进出影电平为1，表明在光照区，计算下列参数充电电量＝前次充电电量+充电电流(A)×时间间隔(h)/充电比当前电量＝前次电量+[充电电流(A)×时间间隔(h)]/充电比-放电电流(A)×时间间隔(h)；(5)比较充电电量和放电电量；(6)如果充电电量大于放电电量，设置下列参数充电电流设定电平＝0当前电量＝满电量，该满电量根据所用蓄电池的容量决定充电电量＝0放电电量＝0初始充电终止标志＝1涓流标志＝1转入步骤(8)；(7)如果充电电量小于放电电量，继续判断当前电量是否小于充电转阶段门限，如果当前电量小于充电转阶段门限，充电电流设定电平为1档设置值，为大电流充电，然后转入步骤(8)，如果当前电量大于转阶段门限，充电电流设定电平为2档设置值，为小电流充电，然后转入步骤(8)；(8)结束安时计控制函数。
在每次下位机加电或复位重新开始工作时，首先将充电电流设定电平设为最大值(D/A输出4.98V)，软件先不进行安时计控制，而由硬件V/T曲线进行充电控制，直到检测到“V/T充电终止电平”信号变为1，此时认为蓄电池处于满电量，软件进行以下操作将蓄电池当前电量设为满电量(根据所用蓄电池的容量决定)；将充电电流设定电平设为0V，使蓄电池停止充电；将2个充电控制参数充电电量Q充和放电电量Q放清零；初始充电终止标志设置为1；
涓流标志位设置为1。
为避免下位机复位或下位机切换等造成正在累计的蓄电池当前电量的丢失，从而不能有效地控制蓄电池充电的情况发生，任何情况下程序重新启动运行时，需要首先采用V/T曲线控制蓄电池进行一次充电，软件一直监测V/T充电终止电平信号，直到接收到该信号后，认为蓄电池的初态明确，处于满充电状态，才可以进行安时计充电控制。以下标志用于安时计控制初始充电终止标志1--表示程序重新运行后，已接收到一次硬件V/T充电终止电平信号，此时蓄电池处于满充电状态，也即蓄电池的初始状态明确，可以进行安时计控制；0--表示程序重新运行后，还没有接收到硬件V/T充电终止电平信号，此时蓄电池充电处于硬件V/T曲线控制下，不启动安时计控制。
涓流标志位1-电池处于充满状态，不进行安时计控制；0--电池处于大电流充电状态或放电状态，可以进行安时计控制。
进出影电平1-卫星在光照期，太阳电池阵受到光照，能输出功率，可以给蓄电池充电；0--卫星在地影区，太阳电池阵不受照，没有输出功率，由蓄电池放电为负载供电。
充满电后，涓流标志位置1，进出影电平为0后，将该位置0。
在初始充电终止标志为1且涓流标志为0时，即可进行安时计控制。在进行安时计控制时，若进出影电平为0，将充电电流设定电平设为0V，按照计算公式Q放＝Q放+放电电流(A)×时间间隔(h)计算蓄电池放电电量；若进出影电平为1，按照计算公式Q充＝Q充+充电电流(A)×时间间隔(h)/充电比计算蓄电池充电电量，根据当前电量设置恰当的充电电流，并不断比较Q充-Q放，当Q充-Q放≥0，表示蓄电池已经充满，软件进行以下操作立即将充电电流设定电平设为0V，停止给蓄电池充电；
将Q充和Q放置为0；将涓流标志位置1；将当前电量置为满电量。
只有进出影电平为1时，即卫星在光照期，太阳电池阵能输出功率可以给蓄电池充电时，才比较Q充、Q放和置充电电流。
Q充、Q放的计算每2秒钟进行一次。
在正常情况下，安时计总是先于V/T曲线达到充电终止条件，但如果V/T曲线先于安时计达到充电终止条件，说明安时累计已出现较大误差，软件进行以下操作将蓄电池当前电量置为满电量；将充电电流设定电平设为0V，停止给蓄电池充电；将2个充电控制参数Q充和Q放清零；将涓流标志位置1。
充电电流的设定和改变是在充电过程中随蓄电池当前电量的变化而变化的。
当前电量的计算方法为当前电量＝前次电量+[充电电流(A)×时间间隔(h)]/充电比-放电电流(A)×时间间隔(h)当前电量的值可由地面注入数据确定，也可由接收到V/T充电终止电平信号确定，表明此时蓄电池处于满电量状态。
在当前电量小于充电转阶段门限且进出影电平为1时，充电电流设定电平为一档设定值，即大电流充电；在当前电量大于充电转阶段门限且进出影电平为1时，充电电流设定电平为二档设定值，即小电流充电；在当前电量达到满电量时，表示蓄电池已充满电，充电电流设定电平设为0V，停止给蓄电池充电。一档和二档默认值可通过上行注数功能修改。
权利要求
1.一种蓄电池充电控制方法，其特征在于通过软件安时计控制，包括如下步骤(1)在卫星电源分系统中设置太阳电池阵、蓄电池组和电源控制器，在电源控制器中设置充电调节器BCR和电源下位机用于蓄电池恒流充电和安时计充电终止控制；(2)将BCR串接在供电母线和蓄电池组之间，该BCR是一种受软件控制的降压式脉宽调制型开关电源，一方面将母线电压降为蓄电池组电压，另一方面按充电电流参考电平从母线上调节出恒定的充电电流为蓄电池组充电；(3)由电源下位机按1秒钟1次的采集周期采集蓄电池充电电流、放电电流，根据标定好的系数还原成实际的物理量，用于计算蓄电池充电电量和放电电量；(4)在电源下位机中设置软件算法，每隔2秒钟进行1次蓄电池电量的计算，包括蓄电池充电电量、放电电量和当前电量，根据计算的当前电量值向D/A写入适当的充电电流设定值，即预先设定1个充电电流转阶段门限，当当前电量值小于转阶段门限时，充电电流设定值为1档，是大电流充电；当当前电量值大于转阶段门限时，充电电流设定值为2档，是小电流充电；当当前电量值达到满电量时，表明蓄电池已经充满，充电电流设定值为0，停止为蓄电池充电；(5)由电源下位机的模拟量输出通道D/A提供充电调节器BCR的充电电流参考电平；(6)根据D/A提供的充电电流参考电平，依靠闭环的电流反馈调节，调节BCR的输出电流达到设定的参考电流。
2.根据权利要求1所述的蓄电池充电控制方法，其特征在于将传统的硬件V/T曲线控制作为软件安时计控制的备份手段。
3.根据权利要求1或2所述的蓄电池充电控制方法，其特征在于所述的电源下位机主函数流程具体步骤如下(1)电源下位机程序启动运行；(2)参数初始化设置充电电流设定电平＝最大值(D/A输出4.98V)当前电量＝满电量(根据所用蓄电池的容量决定)充电电量＝0放电电量＝0初始充电终止标志＝0涓流标志位＝0(3)巡检遥测参数并打包向主机发送；(4)判断进出影电平信号，如果进出影电平为0，表明在阴影区，将涓流标志位置0，转入步骤(5)；如果进出影电平为1，表明在光照区，直接转入步骤(5)；(5)根据V/T充电终止电平判断是否充电终止；(6)如果V/T充电终止电平为1，表明充电终止，设置下列参数充电电流设定电平＝0当前电量＝满电量(根据所用蓄电池的容量决定)充电电量＝0放电电量＝0初始充电终止标志＝1涓流标志＝1转入步骤(3)；(7)如果V/T充电终止电平为0，继续判断2秒定时器是否到、涓流标志是否为0、初始充电终止标志是否为1三个条件，如果上述三个条件均满足，进入安时计控制函数，否则转入步骤(3)。
4.根据权利要求1或2所述的蓄电池充电控制方法，其特征在于所述的典型安时计控制函数流程具体步骤如下(1)开始安时计控制函数；(2)读取充电电流、放电电流、进出影电平三个遥测参数；(3)若进出影电平为0，表明在阴影区，设置或计算下列参数充电电流设定电平＝0放电电量＝前次放电电量+放电电流(A)×时间间隔(h)当前电量＝前次电量+[充电电流(A)×时间间隔(h)]/充电比-放电电流(A)×时间间隔(h)转入步骤(8)；(4)若进出影电平为1，表明在光照区，计算下列参数充电电量＝前次充电电量+充电电流(A)×时间间隔(h)/充电比当前电量＝前次电量+[充电电流(A)×时间间隔(h)]/充电比-放电电流(A)×时间间隔(h)；(5)比较充电电量和放电电量；(6)如果充电电量大于放电电量，设置下列参数充电电流设定电平＝0当前电量＝满电量充电电量＝0放电电量＝0初始充电终止标志＝1涓流标志＝1转入步骤(8)；(7)如果充电电量小于放电电量，继续判断当前电量是否小于充电转阶段门限，如果当前电量小于充电转阶段门限，充电电流设定电平为1档设置值，为大电流充电，然后转入步骤(8)，如果当前电量大于转阶段门限，充电电流设定电平为2档设置值，为小电流充电，然后转入步骤(8)；(8)结束安时计控制函数。
全文摘要
一种蓄电池充电控制方法，通过软件安时计控制，为防止电源下位机在轨复位或死机，同时还将传统的硬件V/T曲线控制作为软件安时计控制的备份手段，用以解决传统卫星蓄电池充电控制中容易造成的欠充或过充的问题，可以有效地延长蓄电池的使用寿命，从而延长卫星的在轨寿命。
文档编号H02J7/35GK1819399SQ20061000798
公开日2006年8月16日 申请日期2006年3月2日 优先权日2006年3月2日
发明者彭健, 鄢婉娟 申请人:航天东方红卫星有限公司