在轨卫星用锂离子蓄电池组充电控制与保护策略

孙清文 王永康 熊友

摘要：目前锂离子蓄电池组正大规模用于在轨卫星用电，蓄电池本身的充电过程是一个满足卫星能源平衡非常重要的一环，同时因为锂离子蓄电池充电本身的特性，防止锂离子蓄电池过充一直是卫星供配电系统中重点设计的一环。现在大多锂电池采用限压限流充电曲线硬件电路来保障锂电池在轨充电的可靠性，本文根据此基本工作方案提出一种软件自主控制下的备份防过充保护策略，以加强蓄电池充电的可靠性和在轨运行的稳定性。

关键词：卫星用电;锂电池防过充;软件自主控制策略

1 引言

在轨卫星系统是大的系统工程，各分系统之间协同工作，其中电源分系统作为整星系统的“心脏”，其可靠性和稳定性决定到整星可工作和寿命。蓄电池组尤其是锂离子蓄电池组作为目前卫星电源最大趋势是电源分系统重要的一环，其是系统内唯一储能部分，是卫星系统阴影期唯一的能源来源，而锂离子蓄电池组储能是通过太阳阵对其进行充电完成的，所以锂电池组充电的可靠性和安全性就显得尤为重要。

目前卫星电源分系统对于蓄电池充电基本采用太阳阵通过S3R或者S4R电路结构进行充电，充电控制上主要采用蓄电池电压误差放大电路控制蓄电池电压的方式控制充电，这样主要是为了防止长时间充电造成蓄电池过充，蓄电池电压过高，进而保护蓄电池组。

针对目前的控制电路形式，主要依赖于蓄电池电压误差放大电路的可靠性，保证好蓄电池电压误差放大电路正常工作的同时，还需要保证太阳阵充电通路上的可靠性，在对于蓄电池组充电保护上也太过于单一，鉴于蓄电池组充电的重要性，需要设计更多的保护方式来提高蓄电池充电可靠性。

上述风险都属于硬件电路范围，可以通过软件保护控制策略的设计来加强充电电路的可靠性。因为锂离子蓄电池组内的可靠性需要考虑整组电压和单体电压两个方面，所以针对这两个方面分别设计了锂电池组电压过充保护设计和锂电池组单体电压过充保护设计，这些软件策略都可以通过下位机软件算法实现，并通过简单的硬件电路实现。

2 限压恒流充电设计

锂电池充电过程是太阳阵通过充电分流电路转换实现的。卫星在轨工作时，太阳阵供载富足的功率首先不会被分流而是去给蓄电池充电，在满足充电需求后多余的功率才会被分掉，因此需要设置充电逻辑控制电路来协调分流管和充电管的工作。当太阳阵有富裕功率时，充电需求信号由充电逻辑控制电路给出，当充电逻辑控制电路为“1”时说明需要充电此时驱动电路打开充电管关闭分流管，反之，当充电逻辑控制电路为“0”时驱动电路关闭充电管打开分流管;当太阳阵功率匮乏时，不管充电逻辑控制电路是何值充电管和分流管均关闭。表2-1给出了上述逻辑关系。

由表可以得出：

BEA是蓄电池组的主误差放大信号，也是充电逻辑控制电路。BEA电路负责完成对蓄电池充电的控制，主要实现以下功能：

1、限流充电

2、限压充电

3、限流和限压之间的互换。

电源控制器通过BEA能够实现对蓄电池的多条限压恒流充电曲线的控制，BEA电路主要包括限流控制和限压控制两个部分，限流充电时，充电电流按照一恒定电流值进行充电，当满足恒压充电条件时，限压充电过程中，充电电流不断减小。

限压恒流充电设计很好的解决了在轨太阳阵能源分配控制问题，同时也满足锂电池在轨安全充电的需求，同时这一设计的可靠性依赖于BEA电路的可靠性同时也需要蓄电池采样电路的工作可靠，直接堆积更多的硬件电路会发生同样性质的问题存在，同时会直接增大电源系统的体积和重量，所以直接采用软件自主控制的方式是解决这两个问题同时又增加可靠性的设计方法。

3 软件自主控制防过充策略

硬件充电电路可以满足锂电池组充电平衡的需求，也可以达到防过充的目的，但这源自硬件BEA充电控制电路的高可靠性来实现，所以对于这一环节，设计一个软件自主可控的防护备份设计就显得很有必要。

根据卫星电源使用情况，锂电池充电过压主要是组电压过压现象影响较大，同时充电保护措施不可以影响卫星用电能量平衡的基本工作，考虑到过充的应急性本文设计了两种保护策略，结合工作可以起到备份保护防过充的目的，同时因为主要是软件自主控制方式，对卫星整体设计影响不大。

考虑到锂电池充电电路设计实际和软件自主可控设计，采用软件算法形式对蓄电池充电控制备份设计，直接对蓄电池充电电压进行过压阈值保护，对蓄电池充放电能量进行控制防止充电过充发生，从而防止蓄电池组因充电过充形成过压损坏。

3.1蓄电池组电压过充保护策略

锂离子蓄电池组过充保护控制功能，目的是通过监测锂离子蓄电池组因充电不断增加的组电压作为判断基础，保证在锂离子蓄电池组电压在大于设定的上限保护值前进行断充操作，避免锂离子蓄电池组因过充而损坏。

软件可以进行充电保护自主行为，在充电过程中，充电保护的控制过程见图3-1所示。

为确保判别正确，对蓄电池组电压的采样来自不同采样电路对以上三个遥测联合判读。

蓄电池单体保护充电控制功能，目的是通过自主调节锂离子蓄电池组充电限压曲线，保证锂离子蓄电池组所有单体电压不大于单体电压上限保护值，避免锂离子蓄电池单体过充。

过充保护软件功能通过三路硬件采样电路实现锂离子蓄电池组电压的采集， 以此为依据进行软件判断和过充保护功能实现，按照图3-1所示具体工作过程如下：

1、锂离子蓄电池在充电过程中，卫星电源下位机过程中通过检测电路对蓄电池电压进行持续监测;

2、将采集的数据持续与软件设定好的蓄电池组电压阈值进行比较;

3、三路采集全部符合条件时，下位机软件会直接设置遥测显示过压信息;

4、通过过压遥测信息，进行进一步判断充电电路故障;

5、记录充电电路故障信息并进一步判断充电故障路数;

6、考虑到整星能量平衡和充电电路重要性，软件自主动作在确认有且仅有一路充电电路故障时，直接切除此充电电路功率输出，防止锂离子蓄电池因过充而损坏;

7、三路硬件电路采样作为备份冗余，若发生采样故障，出现一路采样值偏差较大时，则选取差值较小两路采样值作为蓄电池组有效采样电压值，并以值重复2-6步操作，此步可保障软件功能的可靠性。

蓄电池组过充保护功能作为卫星锂离子蓄电池组防过充电备份保护手段，卫星正常运转时不会参与整星工作，所以可设置硬件使能开关，以地面决定在意外情况下是否开启此软件保护功能。

4 软件策略驗证情况

目前该设计在多个型号的卫星电源系统平台上都有设计和使用，无论是在轨备份保护还是实际系统测试中都起到了设计要求中的作用，软件自主控制上做到了为电源系统备份保护的要求，提高了卫星供电系统的可靠性。

5 结束语

本文分析了目前在轨锂电池组充电上方式方法，同时针对此提出了软件自主控制进行备份保护从而提高在轨蓄电池充电可靠性的设计策略，从目前应用来看，软件自主控制策略安全可靠，并可以起到备份保护的作用，提高了在轨充电工作的可靠性。

参考文献

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