在軌衛星用鋰離子蓄電池組充電控制與保護策略

孫清文 王永康 熊友

摘要：目前鋰離子蓄電池組正大規模用于在軌衛星用電，蓄電池本身的充電過程是一個滿足衛星能源平衡非常重要的一環，同時因為鋰離子蓄電池充電本身的特性，防止鋰離子蓄電池過充一直是衛星供配電系統中重點設計的一環?，F在大多鋰電池采用限壓限流充電曲線硬件電路來保障鋰電池在軌充電的可靠性，本文根據此基本工作方案提出一種軟件自主控制下的備份防過充保護策略，以加強蓄電池充電的可靠性和在軌運行的穩定性。

關鍵詞：衛星用電;鋰電池防過充;軟件自主控制策略

1 引言

在軌衛星系統是大的系統工程，各分系統之間協同工作，其中電源分系統作為整星系統的“心臟”，其可靠性和穩定性決定到整星可工作和壽命。蓄電池組尤其是鋰離子蓄電池組作為目前衛星電源最大趨勢是電源分系統重要的一環，其是系統內唯一儲能部分，是衛星系統陰影期唯一的能源來源，而鋰離子蓄電池組儲能是通過太陽陣對其進行充電完成的，所以鋰電池組充電的可靠性和安全性就顯得尤為重要。

目前衛星電源分系統對于蓄電池充電基本采用太陽陣通過S3R或者S4R電路結構進行充電，充電控制上主要采用蓄電池電壓誤差放大電路控制蓄電池電壓的方式控制充電，這樣主要是為了防止長時間充電造成蓄電池過充，蓄電池電壓過高，進而保護蓄電池組。

針對目前的控制電路形式，主要依賴于蓄電池電壓誤差放大電路的可靠性，保證好蓄電池電壓誤差放大電路正常工作的同時，還需要保證太陽陣充電通路上的可靠性，在對于蓄電池組充電保護上也太過于單一，鑒于蓄電池組充電的重要性，需要設計更多的保護方式來提高蓄電池充電可靠性。

上述風險都屬于硬件電路范圍，可以通過軟件保護控制策略的設計來加強充電電路的可靠性。因為鋰離子蓄電池組內的可靠性需要考慮整組電壓和單體電壓兩個方面，所以針對這兩個方面分別設計了鋰電池組電壓過充保護設計和鋰電池組單體電壓過充保護設計，這些軟件策略都可以通過下位機軟件算法實現，并通過簡單的硬件電路實現。

2 限壓恒流充電設計

鋰電池充電過程是太陽陣通過充電分流電路轉換實現的。衛星在軌工作時，太陽陣供載富足的功率首先不會被分流而是去給蓄電池充電，在滿足充電需求后多余的功率才會被分掉，因此需要設置充電邏輯控制電路來協調分流管和充電管的工作。當太陽陣有富裕功率時，充電需求信號由充電邏輯控制電路給出，當充電邏輯控制電路為“1”時說明需要充電此時驅動電路打開充電管關閉分流管，反之，當充電邏輯控制電路為“0”時驅動電路關閉充電管打開分流管;當太陽陣功率匱乏時，不管充電邏輯控制電路是何值充電管和分流管均關閉。表2-1給出了上述邏輯關系。

由表可以得出：

BEA是蓄電池組的主誤差放大信號，也是充電邏輯控制電路。BEA電路負責完成對蓄電池充電的控制，主要實現以下功能：

1、限流充電

2、限壓充電

3、限流和限壓之間的互換。

電源控制器通過BEA能夠實現對蓄電池的多條限壓恒流充電曲線的控制，BEA電路主要包括限流控制和限壓控制兩個部分，限流充電時，充電電流按照一恒定電流值進行充電，當滿足恒壓充電條件時，限壓充電過程中，充電電流不斷減小。

限壓恒流充電設計很好的解決了在軌太陽陣能源分配控制問題，同時也滿足鋰電池在軌安全充電的需求，同時這一設計的可靠性依賴于BEA電路的可靠性同時也需要蓄電池采樣電路的工作可靠，直接堆積更多的硬件電路會發生同樣性質的問題存在，同時會直接增大電源系統的體積和重量，所以直接采用軟件自主控制的方式是解決這兩個問題同時又增加可靠性的設計方法。

3 軟件自主控制防過充策略

硬件充電電路可以滿足鋰電池組充電平衡的需求，也可以達到防過充的目的，但這源自硬件BEA充電控制電路的高可靠性來實現，所以對于這一環節，設計一個軟件自主可控的防護備份設計就顯得很有必要。

根據衛星電源使用情況，鋰電池充電過壓主要是組電壓過壓現象影響較大，同時充電保護措施不可以影響衛星用電能量平衡的基本工作，考慮到過充的應急性本文設計了兩種保護策略，結合工作可以起到備份保護防過充的目的，同時因為主要是軟件自主控制方式，對衛星整體設計影響不大。

考慮到鋰電池充電電路設計實際和軟件自主可控設計，采用軟件算法形式對蓄電池充電控制備份設計，直接對蓄電池充電電壓進行過壓閾值保護，對蓄電池充放電能量進行控制防止充電過充發生，從而防止蓄電池組因充電過充形成過壓損壞。

3.1蓄電池組電壓過充保護策略

鋰離子蓄電池組過充保護控制功能，目的是通過監測鋰離子蓄電池組因充電不斷增加的組電壓作為判斷基礎，保證在鋰離子蓄電池組電壓在大于設定的上限保護值前進行斷充操作，避免鋰離子蓄電池組因過充而損壞。

軟件可以進行充電保護自主行為，在充電過程中，充電保護的控制過程見圖3-1所示。

為確保判別正確，對蓄電池組電壓的采樣來自不同采樣電路對以上三個遙測聯合判讀。

蓄電池單體保護充電控制功能，目的是通過自主調節鋰離子蓄電池組充電限壓曲線，保證鋰離子蓄電池組所有單體電壓不大于單體電壓上限保護值，避免鋰離子蓄電池單體過充。

過充保護軟件功能通過三路硬件采樣電路實現鋰離子蓄電池組電壓的采集， 以此為依據進行軟件判斷和過充保護功能實現，按照圖3-1所示具體工作過程如下：

1、鋰離子蓄電池在充電過程中，衛星電源下位機過程中通過檢測電路對蓄電池電壓進行持續監測;

2、將采集的數據持續與軟件設定好的蓄電池組電壓閾值進行比較;

3、三路采集全部符合條件時，下位機軟件會直接設置遙測顯示過壓信息;

4、通過過壓遙測信息，進行進一步判斷充電電路故障;

5、記錄充電電路故障信息并進一步判斷充電故障路數;

6、考慮到整星能量平衡和充電電路重要性，軟件自主動作在確認有且僅有一路充電電路故障時，直接切除此充電電路功率輸出，防止鋰離子蓄電池因過充而損壞;

7、三路硬件電路采樣作為備份冗余，若發生采樣故障，出現一路采樣值偏差較大時，則選取差值較小兩路采樣值作為蓄電池組有效采樣電壓值，并以值重復2-6步操作，此步可保障軟件功能的可靠性。

蓄電池組過充保護功能作為衛星鋰離子蓄電池組防過充電備份保護手段，衛星正常運轉時不會參與整星工作，所以可設置硬件使能開關，以地面決定在意外情況下是否開啟此軟件保護功能。

4 軟件策略驗證情況

目前該設計在多個型號的衛星電源系統平臺上都有設計和使用，無論是在軌備份保護還是實際系統測試中都起到了設計要求中的作用，軟件自主控制上做到了為電源系統備份保護的要求，提高了衛星供電系統的可靠性。

5 結束語

本文分析了目前在軌鋰電池組充電上方式方法，同時針對此提出了軟件自主控制進行備份保護從而提高在軌蓄電池充電可靠性的設計策略，從目前應用來看，軟件自主控制策略安全可靠，并可以起到備份保護的作用，提高了在軌充電工作的可靠性。

參考文獻

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