星载蓄电池组软件V/T充电控制技术研究

鄢婉娟 彭健 乔学荣

（航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

1 引言

蓄电池组是卫星电源系统的重要组成部分，负责在地影区或光照区太阳电池阵发电不足时为整星供电，而在太阳电池阵功率富裕时需要被充电，以为下次放电做好准备。因此，在轨蓄电池处于周期性的充放电循环过程中，长期的充放电循环后，蓄电池的性能会逐渐下降，直至不能放电，导致卫星寿命终止，因此某种意义上蓄电池的使用寿命制约着整星寿命。地面试验研究表明，为蓄电池选择合适的充电制度和充电控制手段，确保蓄电池组在轨良好的工作状态，能有效延缓蓄电池性能的衰降速度，延长蓄电池的使用寿命[1-3]。

V/T曲线充电控制技术是目前星上镉镍蓄电池普遍采用的充电控制方法，具有成熟可靠、性能稳定的优点。在一定的蓄电池温度和充电电流下，利用蓄电池的充电电压作为蓄电池是否充满的标志进行充电控制。因为蓄电池电压与温度相关，所以作为充电终止控制的电压不是一个固定值，而是一条电压相对温度的函数关系曲线，即V/T曲线。这种V/T曲线反映的是在相同的荷电状态下，其对应的充电终止电压与温度之间的近似线性的关系。传统的V/T曲线控制采用硬件模拟电路实现，由硬件模拟地面标定好的V/T曲线，但硬件只能模拟近似的直线，而真实的V/T曲线并非是完全线性的，故硬件电路不能保证在全温度范围内充电控制的准确性，同时，由于蓄电池的在轨使用条件和本身的性能参数会发生变化，在轨应有多条V/T曲线可供选择，全部用硬件模拟又增加了体积和重量的代价，同时需要消耗一定的指令和遥测资源。

本文提出一种精确、智能化的V/T曲线充电控制技术——软件V/T曲线控制技术，通过地面试验数据拟合出V/T曲线分温度区间的一次函数数学模型，以此为基础形成电源控制计算机的软件控制算法，实时采集蓄电池的电压和温度，进行公式计算，比较实际电压与充电终止电压，输出相应的控制信号驱动硬件的充电电流调节电路改变充电电流值，实现充电控制的目的。它比传统的硬件V/T曲线控制方式具有更灵活、更准确、占用资源更少的优点，在蓄电池在轨可能的全温度范围内均具有良好的控制性能。

2 V/T曲线充电控制技术的现状

V/T曲线反映的是蓄电池温度和蓄电池充电终止电压的对应关系，而在蓄电池组性能发生变化或有个别单体电池开路或短路失效时，在同样的蓄电池温度下，蓄电池的充电终止电压会有不同。因此，通常不只设立一条V/T曲线，而是采用多条V/T曲线可供选择。图1为一组应用于28V 母线的镍电池组V/T曲线，温度越高，所对应的充电终止电压越低。通常在寿命初期选择较低的曲线，随着蓄电池工作时间的增加，性能下降，极化电阻增加，在寿命末期需要选择较高的曲线，确保蓄电池能够被充满[4]。

图1 蓄电池组充电控制用V/T曲线Fig.1 Battery V/T curve for charging control

目前在轨卫星的电源系统，所采用的V/T曲线控制技术大部分是由硬件实现的，用模拟电路按照蓄电池地面试验标定的V/T曲线进行模拟，为了满足可靠性要求，通常采用3套模拟比较电路，通过3∶2表决电路后，输出最终的控制信号终止蓄电池组的充电。原理如图2所示。

图2 硬件V/T曲线控制原理图Fig.2 V/T curve controller principle in hardware

由于V/T曲线控制采用的是模拟电路技术，器件多、调试点多、准确度差、不能在轨修改，并且增加了电源控制器的体积和重量。

另外，地面试验数据表明，蓄电池V/T曲线在全温度范围内不是标准的直线，如图3所示。在低温时，曲线斜率较大；在高温时，曲线斜率较小。而用模拟电路只能模拟出近似的直线，不能兼顾蓄电池全温度范围内V/T曲线的准确性，因此，在蓄电池温度超出正常范围时，用硬件V/T曲线控制就不够准确，容易造成蓄电池欠充或过充，过充电严重时会引起蓄电池热失控，影响蓄电池组的使用寿命。

图3 蓄电池组V/T曲线试验数据Fig.3 Battery V/T curve experiment data

3 软件V/T曲线充电控制技术

软件V/T曲线充电控制是利用计算机管理电池组的V/T曲线的数学模型，通过电源控制计算机采集的蓄电池温度和电压，进行公式计算，当实测电压达到设定的V/T曲线充电终止电压值时，将蓄电池充电转涓流充电或终止充电[5]。

与硬件V/T曲线充电控制相比，软件V/T曲线控制的优点见表1。

与硬件V/T曲线控制相同，软件V/T曲线同样要确定V/T 之间的函数关系，即充电控制的数学模型。不同的是，由于软件实现的灵活性，软件中的V/T 关系可以做到无限接近实际情况，从而使得充电达到精确控制。

V/T曲线的数学模型有两种：一是用一次函数数学模型，即V＝a×T＋b，a和b为实数，均可在轨上注修改。近似情况下，将（a，b）作为一个数组，根据温度范围的不同，软件自动选择不同的（a1，b1）、（a2，b2）……等，该种情况是假设在某一小段温度范围内V/T曲线近似呈线性关系，如表2所示。V/T曲线模型（V＝a×T＋b）中a、b具有很大的灵活性，可在轨上注调整，对于某一个温度区间，均有无数条V/T曲线可调节。二是用V/T取值列表，通过试验确定蓄电池组任一温度下的V/T一一对应关系，写到软件数据列表中，使用时软件查表取值。按表取值控制准确性更高，但需要事先把所有在轨可能出现的电压和温度的对应关系写入到固化软件中，工作量较大，且不便于在轨修改。

表1 软件V/T曲线控制与硬件V/T曲线控制的比较Table1 Comparison between V/T curve control in software and V/T curve control in hardware

表2 V/T曲线的数学模型Table2 Math model of V/T curve

图4 保护二极管与单体电池并联电路图Fig.4 Protection diode is parallel connected with single cell

为了提高蓄电池的充电效率，蓄电池V/T曲线充电一般为二个阶段充电，对应的V/T曲线有二组，即第一阶段大电流曲线和第二阶段小电流曲线。

蓄电池组的充电仅在光照期进行，满足充电终止条件后发出控制信号停止充电并锁定，直至在卫星进入地影或有大功率负载开机需要蓄电池供电时，才将充电终止信号解锁并在电池停止放电后开始充电。以上的控制逻辑由软件实现，利用V/T曲线的数学模型判断蓄电池是否充满并给出锁定信号；在检测到蓄电池有放电时，将充电终止信号解锁；在蓄电池停止放电后，给出D/A控制信号按照二阶段设定电流为电池充电，直至再次充满。

软件中设置2个用于软件V/T曲线控制的状态标志位，即第一阶段充电终止电平和第二阶段充电终止电平，2个状态标志为0时，表示充电解锁，允许再次充电；2个状态标志为1时，表示第一阶段或第二阶段充电终止。在初始化时，将2个状态标志位置0；在放电电流大于0.5A时，也将2个状态标志位置0，表示充电解锁，可以充电；在满足充电转阶段条件和充电终止条件时，先后将2个状态标志位置1，表示第一阶段和第二阶段充电终止。

在放电电流小于0.5A且第二阶段充电终止电平为0时，即可按相应的V/T曲线进行充电控制，预置D/A输出为1挡，即以大电流充电。充电时软件以固定时间间隔采样蓄电池温度和蓄电池电压，每2s根据电池当前的温度进行公式计算，得到第一阶段充电终止电压或第二阶段充电终止电压，然后进行下列充电终止条件判断。

当实测的蓄电池组电压超过第一阶段充电终止电压时，软件进行以下操作：

将第一阶段充电终止电平标志位置为1；

预置D/A输出为2挡，即以小电流充电。

当实测的蓄电池组电压超过第二阶段充电终止电压时，软件进行以下操作：

将第二阶段充电终止电平标志位置为1；

预置D/A输出为0，停止充电。

D/A输出用作硬件充电电流闭环调节的基准电压信号，充电电流的大小随基准信号呈正比例变化。软件V/T曲线控制的流程如图5所示[6-7]。

图5 软件V/T曲线控制流程图Fig.5 Flow chart of V/T curve control in software

软件V/T曲线控制使用蓄电池控温用的4个热敏电阻进行温度采集，算法采用对4个温度值取中间两值进行算术平均，若温度已经高于蓄电池温度允许的上限时，进入蓄电池过温保护，停止充电。蓄电池过温保护门限可以在轨上注。

软件V/T曲线由于使用计算机进行计算和控制，可以根据电池组在轨的实际情况，如蓄电池性能的衰降情况或单体电池开路或短路失效情况等，通过上注参数进行公式修改，以提高控制的精度。

软件中对不能被经常刷新的重要控制参数，如不同温度区间的V/T曲线参数、蓄电池过温保护门限值、蓄电池单体的开路或短路失效节数等均分3处存储，使用时进行3取2比对；对实时采集的蓄电池组电压和温度均进行算术滤波处理等措施，来提高软件控制的可靠性和准确性。另外，计算机设计为双机冷备份，并具有自主切机功能，在主份计算机不能正常运行时可自主切至备份计算机，确保软件V/T曲线控制的连续性和有效性。

4 试验验证

将安装有软件V/T曲线功能的电源控制计算机插入电源控制器内，与蓄电池组成电源系统进行软件V/T曲线充电控制联试。

试验中通过发送遥控指令将电源控制器内的硬件V/T曲线调置最高，使得硬件V/T曲线的启控点在软件V/T曲线启控点之后，并将安时计充电控制断开，直接考核软件V/T曲线的控制功能。

软件中设置的第一阶段V/T曲线默认值为V＝-0.041 4×T＋26.769 6（0℃＜T＜10℃），V ＝-0.066 6×T＋27.190 8（10℃＜T＜20℃）；第二阶段V/T曲线默认值为V＝-0.045×T＋27.079 2（0℃＜T＜10℃），V＝-0.073 8×T＋27.531（10℃＜T＜20℃）。公式中的系数是试验时标定的值。

分别将蓄电池置于冰柜（5℃左右）和常温下（20℃左右），考核在蓄电池不同温度下，软件V/T曲线控制的准确性。整机加电后，蓄电池开始充电，软件V/T曲线的2个状态标志位即软件V/T 第一阶段充电终止电平和软件V/T 第二阶段充电终止电平通过遥测下传，这2个充电终止电平的标志位均经历了由0到1的跳变，充电电流也经历了由大电流13.2A、小电流5.5A到0的过程，充电终止电压与预设的当前温度下的V/T曲线终止电压相符，表明软件V/T曲线的第二阶段充电控制功能正确，在蓄电池开始放电后，软件V/T 第一阶段充电终止电平和软件V/T 第二阶段充电终止电平的标志位又经历了由1到0的跳变，表明软件V/T曲线控制功能解锁，再次充电后又可起到控制作用。

另外，通过上注功能修改软件V/T曲线的参数，调整蓄电池的充电受控终压，实测蓄电池的充电终压与设置值一致，表明软件V/T曲线功能正常。

5 结束语

软件V/T曲线控制技术通过建立不同温度区间及可能出现单体开路或短路失效故障下的蓄电池V/T曲线模型，实时采集蓄电池组的电压和温度，通过模型计算，发出蓄电池充电转阶段信号或充电终止信号，驱动相应的硬件电路实现对蓄电池的充电控制。该技术解决了传统硬件V/T曲线控制中电路调试量大、不能保证蓄电池全温度范围内控制的准确度、需要的重量、体积、遥测和遥控资源较多的缺点，利用安装在电源控制计算机软件中的一个功能模块实现蓄电池充电终止控制逻辑，蓄电池V/T曲线的选择和V/T曲线参数的调整均可通过上注数据实现，可以保证全温度范围内V/T曲线控制的准确性。

（References）

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