星載蓄電池組軟件V/T充電控制技術(shù)研究

鄢婉娟 彭健 喬學(xué)榮

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

1 引言

蓄電池組是衛(wèi)星電源系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)在地影區(qū)或光照區(qū)太陽電池陣發(fā)電不足時為整星供電，而在太陽電池陣功率富裕時需要被充電，以為下次放電做好準(zhǔn)備。因此，在軌蓄電池處于周期性的充放電循環(huán)過程中，長期的充放電循環(huán)后，蓄電池的性能會逐漸下降，直至不能放電，導(dǎo)致衛(wèi)星壽命終止，因此某種意義上蓄電池的使用壽命制約著整星壽命。地面試驗(yàn)研究表明，為蓄電池選擇合適的充電制度和充電控制手段，確保蓄電池組在軌良好的工作狀態(tài)，能有效延緩蓄電池性能的衰降速度，延長蓄電池的使用壽命[1-3]。

V/T曲線充電控制技術(shù)是目前星上鎘鎳蓄電池普遍采用的充電控制方法，具有成熟可靠、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。在一定的蓄電池溫度和充電電流下，利用蓄電池的充電電壓作為蓄電池是否充滿的標(biāo)志進(jìn)行充電控制。因?yàn)樾铍姵仉妷号c溫度相關(guān)，所以作為充電終止控制的電壓不是一個固定值，而是一條電壓相對溫度的函數(shù)關(guān)系曲線，即V/T曲線。這種V/T曲線反映的是在相同的荷電狀態(tài)下，其對應(yīng)的充電終止電壓與溫度之間的近似線性的關(guān)系。傳統(tǒng)的V/T曲線控制采用硬件模擬電路實(shí)現(xiàn)，由硬件模擬地面標(biāo)定好的V/T曲線，但硬件只能模擬近似的直線，而真實(shí)的V/T曲線并非是完全線性的，故硬件電路不能保證在全溫度范圍內(nèi)充電控制的準(zhǔn)確性，同時，由于蓄電池的在軌使用條件和本身的性能參數(shù)會發(fā)生變化，在軌應(yīng)有多條V/T曲線可供選擇，全部用硬件模擬又增加了體積和重量的代價，同時需要消耗一定的指令和遙測資源。

本文提出一種精確、智能化的V/T曲線充電控制技術(shù)——軟件V/T曲線控制技術(shù)，通過地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出V/T曲線分溫度區(qū)間的一次函數(shù)數(shù)學(xué)模型，以此為基礎(chǔ)形成電源控制計(jì)算機(jī)的軟件控制算法，實(shí)時采集蓄電池的電壓和溫度，進(jìn)行公式計(jì)算，比較實(shí)際電壓與充電終止電壓，輸出相應(yīng)的控制信號驅(qū)動硬件的充電電流調(diào)節(jié)電路改變充電電流值，實(shí)現(xiàn)充電控制的目的。它比傳統(tǒng)的硬件V/T曲線控制方式具有更靈活、更準(zhǔn)確、占用資源更少的優(yōu)點(diǎn)，在蓄電池在軌可能的全溫度范圍內(nèi)均具有良好的控制性能。

2 V/T曲線充電控制技術(shù)的現(xiàn)狀

V/T曲線反映的是蓄電池溫度和蓄電池充電終止電壓的對應(yīng)關(guān)系，而在蓄電池組性能發(fā)生變化或有個別單體電池開路或短路失效時，在同樣的蓄電池溫度下，蓄電池的充電終止電壓會有不同。因此，通常不只設(shè)立一條V/T曲線，而是采用多條V/T曲線可供選擇。圖1為一組應(yīng)用于28V 母線的鎳電池組V/T曲線，溫度越高，所對應(yīng)的充電終止電壓越低。通常在壽命初期選擇較低的曲線，隨著蓄電池工作時間的增加，性能下降，極化電阻增加，在壽命末期需要選擇較高的曲線，確保蓄電池能夠被充滿[4]。

圖1 蓄電池組充電控制用V/T曲線Fig.1 Battery V/T curve for charging control

目前在軌衛(wèi)星的電源系統(tǒng)，所采用的V/T曲線控制技術(shù)大部分是由硬件實(shí)現(xiàn)的，用模擬電路按照蓄電池地面試驗(yàn)標(biāo)定的V/T曲線進(jìn)行模擬，為了滿足可靠性要求，通常采用3套模擬比較電路，通過3∶2表決電路后，輸出最終的控制信號終止蓄電池組的充電。原理如圖2所示。

圖2 硬件V/T曲線控制原理圖Fig.2 V/T curve controller principle in hardware

由于V/T曲線控制采用的是模擬電路技術(shù)，器件多、調(diào)試點(diǎn)多、準(zhǔn)確度差、不能在軌修改，并且增加了電源控制器的體積和重量。

另外，地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，蓄電池V/T曲線在全溫度范圍內(nèi)不是標(biāo)準(zhǔn)的直線，如圖3所示。在低溫時，曲線斜率較大；在高溫時，曲線斜率較小。而用模擬電路只能模擬出近似的直線，不能兼顧蓄電池全溫度范圍內(nèi)V/T曲線的準(zhǔn)確性，因此，在蓄電池溫度超出正常范圍時，用硬件V/T曲線控制就不夠準(zhǔn)確，容易造成蓄電池欠充或過充，過充電嚴(yán)重時會引起蓄電池?zé)崾Э兀绊懶铍姵亟M的使用壽命。

圖3 蓄電池組V/T曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.3 Battery V/T curve experiment data

3 軟件V/T曲線充電控制技術(shù)

軟件V/T曲線充電控制是利用計(jì)算機(jī)管理電池組的V/T曲線的數(shù)學(xué)模型，通過電源控制計(jì)算機(jī)采集的蓄電池溫度和電壓，進(jìn)行公式計(jì)算，當(dāng)實(shí)測電壓達(dá)到設(shè)定的V/T曲線充電終止電壓值時，將蓄電池充電轉(zhuǎn)涓流充電或終止充電[5]。

與硬件V/T曲線充電控制相比，軟件V/T曲線控制的優(yōu)點(diǎn)見表1。

與硬件V/T曲線控制相同，軟件V/T曲線同樣要確定V/T 之間的函數(shù)關(guān)系，即充電控制的數(shù)學(xué)模型。不同的是，由于軟件實(shí)現(xiàn)的靈活性，軟件中的V/T 關(guān)系可以做到無限接近實(shí)際情況，從而使得充電達(dá)到精確控制。

V/T曲線的數(shù)學(xué)模型有兩種：一是用一次函數(shù)數(shù)學(xué)模型，即V＝a×T＋b，a和b為實(shí)數(shù)，均可在軌上注修改。近似情況下，將（a，b）作為一個數(shù)組，根據(jù)溫度范圍的不同，軟件自動選擇不同的（a1，b1）、（a2，b2）……等，該種情況是假設(shè)在某一小段溫度范圍內(nèi)V/T曲線近似呈線性關(guān)系，如表2所示。V/T曲線模型（V＝a×T＋b）中a、b具有很大的靈活性，可在軌上注調(diào)整，對于某一個溫度區(qū)間，均有無數(shù)條V/T曲線可調(diào)節(jié)。二是用V/T取值列表，通過試驗(yàn)確定蓄電池組任一溫度下的V/T一一對應(yīng)關(guān)系，寫到軟件數(shù)據(jù)列表中，使用時軟件查表取值。按表取值控制準(zhǔn)確性更高，但需要事先把所有在軌可能出現(xiàn)的電壓和溫度的對應(yīng)關(guān)系寫入到固化軟件中，工作量較大，且不便于在軌修改。

表1 軟件V/T曲線控制與硬件V/T曲線控制的比較Table1 Comparison between V/T curve control in software and V/T curve control in hardware

表2 V/T曲線的數(shù)學(xué)模型Table2 Math model of V/T curve

圖4 保護(hù)二極管與單體電池并聯(lián)電路圖Fig.4 Protection diode is parallel connected with single cell

為了提高蓄電池的充電效率，蓄電池V/T曲線充電一般為二個階段充電，對應(yīng)的V/T曲線有二組，即第一階段大電流曲線和第二階段小電流曲線。

蓄電池組的充電僅在光照期進(jìn)行，滿足充電終止條件后發(fā)出控制信號停止充電并鎖定，直至在衛(wèi)星進(jìn)入地影或有大功率負(fù)載開機(jī)需要蓄電池供電時，才將充電終止信號解鎖并在電池停止放電后開始充電。以上的控制邏輯由軟件實(shí)現(xiàn)，利用V/T曲線的數(shù)學(xué)模型判斷蓄電池是否充滿并給出鎖定信號；在檢測到蓄電池有放電時，將充電終止信號解鎖；在蓄電池停止放電后，給出D/A控制信號按照二階段設(shè)定電流為電池充電，直至再次充滿。

軟件中設(shè)置2個用于軟件V/T曲線控制的狀態(tài)標(biāo)志位，即第一階段充電終止電平和第二階段充電終止電平，2個狀態(tài)標(biāo)志為0時，表示充電解鎖，允許再次充電；2個狀態(tài)標(biāo)志為1時，表示第一階段或第二階段充電終止。在初始化時，將2個狀態(tài)標(biāo)志位置0；在放電電流大于0.5A時，也將2個狀態(tài)標(biāo)志位置0，表示充電解鎖，可以充電；在滿足充電轉(zhuǎn)階段條件和充電終止條件時，先后將2個狀態(tài)標(biāo)志位置1，表示第一階段和第二階段充電終止。

在放電電流小于0.5A且第二階段充電終止電平為0時，即可按相應(yīng)的V/T曲線進(jìn)行充電控制，預(yù)置D/A輸出為1擋，即以大電流充電。充電時軟件以固定時間間隔采樣蓄電池溫度和蓄電池電壓，每2s根據(jù)電池當(dāng)前的溫度進(jìn)行公式計(jì)算，得到第一階段充電終止電壓或第二階段充電終止電壓，然后進(jìn)行下列充電終止條件判斷。

當(dāng)實(shí)測的蓄電池組電壓超過第一階段充電終止電壓時，軟件進(jìn)行以下操作：

將第一階段充電終止電平標(biāo)志位置為1；

預(yù)置D/A輸出為2擋，即以小電流充電。

當(dāng)實(shí)測的蓄電池組電壓超過第二階段充電終止電壓時，軟件進(jìn)行以下操作：

將第二階段充電終止電平標(biāo)志位置為1；

預(yù)置D/A輸出為0，停止充電。

D/A輸出用作硬件充電電流閉環(huán)調(diào)節(jié)的基準(zhǔn)電壓信號，充電電流的大小隨基準(zhǔn)信號呈正比例變化。軟件V/T曲線控制的流程如圖5所示[6-7]。

圖5 軟件V/T曲線控制流程圖Fig.5 Flow chart of V/T curve control in software

軟件V/T曲線控制使用蓄電池控溫用的4個熱敏電阻進(jìn)行溫度采集，算法采用對4個溫度值取中間兩值進(jìn)行算術(shù)平均，若溫度已經(jīng)高于蓄電池溫度允許的上限時，進(jìn)入蓄電池過溫保護(hù)，停止充電。蓄電池過溫保護(hù)門限可以在軌上注。

軟件V/T曲線由于使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和控制，可以根據(jù)電池組在軌的實(shí)際情況，如蓄電池性能的衰降情況或單體電池開路或短路失效情況等，通過上注參數(shù)進(jìn)行公式修改，以提高控制的精度。

軟件中對不能被經(jīng)常刷新的重要控制參數(shù)，如不同溫度區(qū)間的V/T曲線參數(shù)、蓄電池過溫保護(hù)門限值、蓄電池單體的開路或短路失效節(jié)數(shù)等均分3處存儲，使用時進(jìn)行3取2比對；對實(shí)時采集的蓄電池組電壓和溫度均進(jìn)行算術(shù)濾波處理等措施，來提高軟件控制的可靠性和準(zhǔn)確性。另外，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)為雙機(jī)冷備份，并具有自主切機(jī)功能，在主份計(jì)算機(jī)不能正常運(yùn)行時可自主切至備份計(jì)算機(jī)，確保軟件V/T曲線控制的連續(xù)性和有效性。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

將安裝有軟件V/T曲線功能的電源控制計(jì)算機(jī)插入電源控制器內(nèi)，與蓄電池組成電源系統(tǒng)進(jìn)行軟件V/T曲線充電控制聯(lián)試。

試驗(yàn)中通過發(fā)送遙控指令將電源控制器內(nèi)的硬件V/T曲線調(diào)置最高，使得硬件V/T曲線的啟控點(diǎn)在軟件V/T曲線啟控點(diǎn)之后，并將安時計(jì)充電控制斷開，直接考核軟件V/T曲線的控制功能。

軟件中設(shè)置的第一階段V/T曲線默認(rèn)值為V＝-0.041 4×T＋26.769 6（0℃＜T＜10℃），V ＝-0.066 6×T＋27.190 8（10℃＜T＜20℃）；第二階段V/T曲線默認(rèn)值為V＝-0.045×T＋27.079 2（0℃＜T＜10℃），V＝-0.073 8×T＋27.531（10℃＜T＜20℃）。公式中的系數(shù)是試驗(yàn)時標(biāo)定的值。

分別將蓄電池置于冰柜（5℃左右）和常溫下（20℃左右），考核在蓄電池不同溫度下，軟件V/T曲線控制的準(zhǔn)確性。整機(jī)加電后，蓄電池開始充電，軟件V/T曲線的2個狀態(tài)標(biāo)志位即軟件V/T 第一階段充電終止電平和軟件V/T 第二階段充電終止電平通過遙測下傳，這2個充電終止電平的標(biāo)志位均經(jīng)歷了由0到1的跳變，充電電流也經(jīng)歷了由大電流13.2A、小電流5.5A到0的過程，充電終止電壓與預(yù)設(shè)的當(dāng)前溫度下的V/T曲線終止電壓相符，表明軟件V/T曲線的第二階段充電控制功能正確，在蓄電池開始放電后，軟件V/T 第一階段充電終止電平和軟件V/T 第二階段充電終止電平的標(biāo)志位又經(jīng)歷了由1到0的跳變，表明軟件V/T曲線控制功能解鎖，再次充電后又可起到控制作用。

另外，通過上注功能修改軟件V/T曲線的參數(shù)，調(diào)整蓄電池的充電受控終壓，實(shí)測蓄電池的充電終壓與設(shè)置值一致，表明軟件V/T曲線功能正常。

5 結(jié)束語

軟件V/T曲線控制技術(shù)通過建立不同溫度區(qū)間及可能出現(xiàn)單體開路或短路失效故障下的蓄電池V/T曲線模型，實(shí)時采集蓄電池組的電壓和溫度，通過模型計(jì)算，發(fā)出蓄電池充電轉(zhuǎn)階段信號或充電終止信號，驅(qū)動相應(yīng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)對蓄電池的充電控制。該技術(shù)解決了傳統(tǒng)硬件V/T曲線控制中電路調(diào)試量大、不能保證蓄電池全溫度范圍內(nèi)控制的準(zhǔn)確度、需要的重量、體積、遙測和遙控資源較多的缺點(diǎn)，利用安裝在電源控制計(jì)算機(jī)軟件中的一個功能模塊實(shí)現(xiàn)蓄電池充電終止控制邏輯，蓄電池V/T曲線的選擇和V/T曲線參數(shù)的調(diào)整均可通過上注數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)，可以保證全溫度范圍內(nèi)V/T曲線控制的準(zhǔn)確性。

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