一種衛(wèi)星鋰電池地面充電方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種衛(wèi)星鋰電池地面充電方法及系統(tǒng)，該方法使用涓流對鋰電池進行預充電，使鋰電池電壓達到初始電壓，然后使用恒流對鋰電池充電至上限電壓，重復多次減小充電電流并對鋰電池繼續(xù)充電到上限電壓的過程，直到電流減小至涓流電流值，對鋰電池繼續(xù)充電到上限電壓后，充電結(jié)束。實現(xiàn)該方法的系統(tǒng)包括供電電源、充電電源、開關(guān)和控制器，控制器通過控制供電電源和充電電源實現(xiàn)對鋰電池的供電。本發(fā)明方法及系統(tǒng)能夠?qū)囯姵爻滹柡?，避免針對某一個測試項目的多次充電，極大降低了電池壽命縮短的風險。
【專利說明】
一種衛(wèi)星鋰電池地面充電方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星鋰電池地面充電方法及系統(tǒng)，適用于衛(wèi)星鋰電池地面充電。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋰離子蓄電池具有高的重量/體積比能量，可以提高衛(wèi)星平臺的載荷比，降低發(fā)射 成本，同時鋰離子蓄電池具有熱效應小、自放電小和易于模塊化等優(yōu)點，在航天領(lǐng)域應用優(yōu) 勢明顯，正成為繼鎘鎳和氫鎳電池之后第三代航天用儲能電源。
[0003] 衛(wèi)星整星測試火工品程控功能測試、三系統(tǒng)聯(lián)試等項目均需要鋰電池供電，尤其 是在衛(wèi)星臨射前需將電池充滿。傳統(tǒng)的衛(wèi)星鎳氫電池充電方法是使用恒流充電，但這種方 法直接應用到鋰電池上，將出現(xiàn)不能將鋰電池充飽和的問題，為了滿足某一個測試項目的 使用要求，只能多次充電。
[0004] 由于鋰電池在使用中必須串聯(lián)才能達到使用電壓的需求，在電池組中各單體電池 之間存在不一致性，連續(xù)的充放電循環(huán)導致的差異將使某些單體電池的容量加速衰減，串 聯(lián)電池組的容量是由單體電池的最小容量決定的，因此這些差異將使電池組的使用壽命縮 短。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種衛(wèi)星鋰電池地面充電 方法及系統(tǒng)，能夠?qū)囯姵爻滹柡?，避免針對某一個測試項目的多次充電，有效降低電池壽 命縮短的風險。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種衛(wèi)星鋰電池地面充電方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟一：判斷鋰電池電壓是否大于等于初始電壓，如果是，則進入步驟二，否則使 用涓流對鋰電池進行預充電，當鋰電池電壓達到初始電壓時，進入步驟二；
[0008] 步驟二:使用恒流對鋰電池充電至上限電壓，進入步驟三，所述恒流的電流遠大于 涓流電流；
[0009] 步驟三:減小充電電流，對鋰電池繼續(xù)充電到上限電壓；
[0010] 步驟四：重復步驟三，直到電流減小至涓流電流值，對鋰電池繼續(xù)充電到上限電壓 后，充電結(jié)束。
[0011 ]在溫度為常溫時，涓流電流值為C/100，恒流電流值1〇滿足KC/10，其中C為鋰電 池容量。
[0012] 所述步驟三中，充電電流減小值為(恒流電流值-涓流電流值)/N，其中N為大于等 于3的自然數(shù)。
[0013] 所述步驟二和三中，鋰電池溫度最大變化小于10°C。
[0014] -種實現(xiàn)上述充電方法的系統(tǒng)，包括1個供電電源、M個充電電源、M+1個開關(guān)以及1 個控制器，M為不為0的自然數(shù)，其中供電電源通過一個開關(guān)與衛(wèi)星負載連接，用于為衛(wèi)星負 載供電，每個充電電源分別通過一個開關(guān)與鋰電池或多個鋰電池組成的鋰電池組連接，用 于為對應的鋰電池或鋰電池組充電；
[0015] 充電時，控制器控制供電電源和M個充電電源的輸出電流，通過衛(wèi)星實時采集每個 鋰電池或鋰電池組的溫度和電壓，根據(jù)每個鋰電池或鋰電池組電壓調(diào)整對應充電電源的輸 出電流，如果某個鋰電池或鋰電池組的溫度最大變化大于等于l〇°C，則報警;充電結(jié)束時， 將供電電源和充電電源清零，并斷開所有開關(guān)。
[0016] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0017] (1)本發(fā)明在恒流區(qū)充電結(jié)束后進入恒壓區(qū)時，采用臺階方式降電流，實現(xiàn)對鋰電 池組飽和充電（鋰電池容量充滿（>90 % ))，避免了針對某一個測試項目的多次充電，減少 電池壽命縮短的風險。
[0018] (2)本發(fā)明電池溫升最大變化小于10°C，從而保證衛(wèi)星鋰電池充電的安全性，避免 變化過大導致電池過熱而產(chǎn)生泄露和燃燒等安全事故。。
[0019] (3)本發(fā)明充電電流減小值為(恒流電流值-涓流電流值)/N，能夠有效保證衛(wèi)星鋰 電池溫升最大變化小于10°c，同時保證蓄電池充電耗時小于12小時。
[0020] (4)本發(fā)明系統(tǒng)通過控制器控制供電電源和充電電源的電流，同時實時采集鋰電 池組的電壓和溫度，簡單實用，避免了人工操作。
【附圖說明】
[0021] 圖1為鋰電池充電特性示意圖；
[0022]圖2為鋰電池恒流恒壓的理論充電方法示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明方法流程圖；
[0024] 圖4為本發(fā)明方法的恒流恒壓充電曲線；
[0025] 圖5為本發(fā)明系統(tǒng)不意圖；
[0026]圖6為本發(fā)明實施例充電流程圖；
[0027] 圖7為本發(fā)明實施例鋰電池組充電時電流實測圖；
[0028] 圖8為本發(fā)明實施例鋰電池組充電時電壓實測圖；
[0029] 圖9為本發(fā)明實施例鋰電池組充電過程中溫度變化實測圖。
【具體實施方式】
[0030] 傳統(tǒng)的衛(wèi)星鎳氫電池為鋰電池充電時存在充電不飽和的問題，為了滿足某一個測 試項目的使用要求，只能多次充電，從而導致鋰電池壽命縮短。
[0031] 多種研究發(fā)現(xiàn)鋰電池在充電過程中存在最佳充電曲線：I = I〇eat，式中；1〇為電池 初始充電電流;a為充電接受率;t為充電時間。a和t的值與電池類型、結(jié)構(gòu)和新舊程度有關(guān)。 鋰電池充電特性如圖1所示。
[0032] 結(jié)合鋰電池的結(jié)構(gòu)和充電特性，應該采用恒流恒壓的充電方法對鋰電池進行充 電。恒流恒壓的理論充電方法如圖2所示，充電電流選擇結(jié)合滿足當前最大充電電流限制要 求和當前地面設(shè)備最大輸出電流考慮;進入恒壓區(qū)后，充電電流曲線與電池類型、結(jié)構(gòu)和新 舊程度有關(guān)。目前工程應用階段對電池充電方法的研究主要是基于最佳充電曲線來開展， 如果充電電流超過這條最佳充電曲線，不但不能提高充電速率，而且會增加電池的析氣量， 加速電池老化；如果小于此最佳充電曲線，雖然不會對電池造成傷害，但是會延長充電時 間，降低充電效率，實際應用中，衛(wèi)星鋰電池充電一般不超過12h。
[0033]基于鋰電池的上述特性，為了高效地將衛(wèi)星鋰電池一次充飽和，本發(fā)明提出一種 衛(wèi)星鋰電池充電方法，如圖3所示，步驟如下：
[0034] 步驟一:判斷鋰電池電壓是否大于等于初始電壓，如果是，則進入步驟二，否則使 用涓流對鋰電池進行預充電，當鋰電池電壓達到初始電壓時，進入步驟二;常溫下涓流電流 值為C/100,其中C為鋰電池容量；
[0035] 步驟二:使用恒流對鋰電池充電至上限電壓，進入步驟三，所述恒流的電流遠大于 涓流電流，常溫下，恒流電流值10滿足< c/10;
[0036] 步驟三:充電電流減小(恒流電流值-涓流電流值)/N，對鋰電池繼續(xù)充電到上限電 壓，其中N為大于等于3的自然數(shù)；
[0037] 步驟四：重復步驟三，直到電流減小至涓流電流值，對鋰電池繼續(xù)充電到上限電壓 后，充電結(jié)束。
[0038] 上述過程中，鋰電池溫度最大變化小于10°C。
[0039] 其中步驟三和步驟四實現(xiàn)了恒壓降臺階充電，N即為臺階數(shù)。
[0040]本發(fā)明方法實現(xiàn)的恒流恒壓充電曲線如圖4所示，可以看出，在恒壓區(qū)，充電電流 以臺階式減小，鋰電池單體電壓在每個臺階處充電到上限電壓。該充電曲線能夠逼近最佳 充電曲線。
[0041 ] -種實現(xiàn)本發(fā)明方法的系統(tǒng)如圖5所不，包括1個供電電源、M個充電電源、M+1個開 關(guān)以及1個控制器，M為不為0的自然數(shù)，其中供電電源通過一個開關(guān)與衛(wèi)星負載連接，用于 為衛(wèi)星負載供電，每個充電電源分別通過一個開關(guān)與一個鋰電池或多個鋰電池組成的鋰電 池組連接，用于為對應的鋰電池或鋰電池組充電。
[0042] 充電開始時，控制器通過控制供電電源的輸出電流為衛(wèi)星負載供電，同時控制M個 充電電源輸出涓流電流，為對應的鋰電池或鋰電池組供電，然后控制器通過衛(wèi)星實時采集 每個鋰電池或鋰電池組的溫度和電壓，當鋰電池組的電壓達到初始電壓時，控制器控制M個 充電電源輸出恒流電流，為對應的鋰電池或鋰電池組供電，當鋰電池或鋰電池組的電壓達 到上限電壓時，減小充電電源輸出的充電電流，對鋰電池或鋰電池組繼續(xù)充電至上限電壓， 重復多次后，電流減小至涓流電流值時，對鋰電池繼續(xù)充電到上限電壓后，充電結(jié)束。充電 結(jié)束時，將供電電源和充電電源清零，并斷開所有開關(guān)。同時控制器實時采集鋰電池或鋰電 池組的溫度，監(jiān)控溫度的最大變化，如果某個鋰電池或鋰電池組的溫度最大變化大于等于 l〇°C，則報警，由操作人員決定是否結(jié)束充電；充電結(jié)束時，將供電電源和充電電源清零，并 斷開所有開關(guān)。
[0043] 實施例：
[0044] 以本發(fā)明方法應用于某型號衛(wèi)星臨射前充電為例。
[0045] 在本實施例中N = 4，M=2,在該實施例中，衛(wèi)星有兩個鋰電池組，每個鋰電池組初 始電壓為3.3V，上限電壓為4. IV。
[0046] 開始時，每個鋰電池組電壓小于3.3V，采用如圖5所示的系統(tǒng)對鋰電池組進行充 電，充電方式為控制系統(tǒng)先控制充電電源輸出1.35A(C/100)電流，為鋰電池組預充電，控制 系統(tǒng)采集衛(wèi)星鋰電池組的溫度和電壓，當電壓達到3.3V(單體)后，控制充電電源輸出恒流 (C/10)，充電至4. IV后轉(zhuǎn)恒壓模式降臺階充電，臺階為0階下充電終止，鋰電池電壓為4. IV。 充電流程圖如圖6所示。實際中，為了確保鋰電池組安全，防止過電壓，充電至4.0V后即轉(zhuǎn)恒 壓模式降臺階充電，臺階為〇階下充電終止，鋰電池電壓為4.05V。
[0047]表1為本實施例4階充電方法下鋰電池測試數(shù)據(jù)。
[0048]表1恒流-恒壓(4階)測試數(shù)據(jù)
[0051] 如圖7所示為兩個鋰電池組充電時電流實測圖，圖8所示為鋰電池組充電時電壓實 測圖。如圖9所示為鋰電池組充電過程中溫度變化實測圖，每一個鋰電池組都有多個測溫 點，因此圖9中有多個溫度變化曲線，從圖9中可以看出，溫度最大變化小于10°C。
[0052] 應用上述方法，對該衛(wèi)星力學實驗進行充電，并另外選取一顆衛(wèi)星對其臨射前以 及力學實驗進行充電，對充電數(shù)據(jù)進行總結(jié)后得到鋰電池組溫度和充電耗時的對比數(shù)據(jù)， 如表2所示。
[0053]表1充電數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析
[0055]表1、表2數(shù)據(jù)說明：
[0056] 1、本發(fā)明提出的鋰電池 N階充電方法適用于衛(wèi)星地面充電；
[0057] 2、按照本發(fā)明方法，鋰電池容量能夠一次充滿（>90%);
[0058] 3、鋰電池溫升最大變化小于10°C;
[0059] 4、蓄電池充電耗時小于12小時(蓄電池容量>90%)。
[0060] 試驗結(jié)果證明，本發(fā)明充電方法適用于衛(wèi)星鋰電池地面充電，填補國內(nèi)該項空白。
[0061]本發(fā)明未詳細說明部分屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。
【主權(quán)項】
1. 一種衛(wèi)星鋰電池地面充電方法，其特征在于包括如下步驟： 步驟一:判斷鋰電池電壓是否大于等于初始電壓，如果是，則進入步驟二，否則使用涓 流對鋰電池進行預充電，當鋰電池電壓達到初始電壓時，進入步驟二； 步驟二:使用恒流對鋰電池充電至上限電壓，進入步驟三，所述恒流的電流遠大于涓流 電流； 步驟三:減小充電電流，對鋰電池繼續(xù)充電到上限電壓； 步驟四：重復步驟三，直到電流減小至涓流電流值，對鋰電池繼續(xù)充電到上限電壓后， 充電結(jié)束。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種衛(wèi)星鋰電池地面充電方法，其特征在于：在溫度為常溫 時，涓流電流值為C/1OO，恒流電流值I 〇滿足I 〇 < C/10，其中C為鋰電池容量。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種衛(wèi)星鋰電池地面充電方法，其特征在于:所述步驟三中， 充電電流減小值為(恒流電流值-涓流電流值)/N，其中N為大于等于3的自然數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種衛(wèi)星鋰電池地面充電方法，其特征在于:所述步驟二和三 中，鋰電池溫度最大變化小于l〇°C。5. -種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述充電方法的系統(tǒng)，其特征在于:包括1個供電電源、M個充電 電源、M+1個開關(guān)以及1個控制器，M為不為0的自然數(shù)，其中供電電源通過一個開關(guān)與衛(wèi)星負 載連接，用于為衛(wèi)星負載供電，每個充電電源分別通過一個開關(guān)與鋰電池或多個鋰電池組 成的鋰電池組連接，用于為對應的鋰電池或鋰電池組充電； 充電時，控制器控制供電電源和M個充電電源的輸出電流，通過衛(wèi)星實時采集每個鋰電 池或鋰電池組的溫度和電壓，根據(jù)每個鋰電池或鋰電池組電壓調(diào)整對應充電電源的輸出電 流，如果某個鋰電池或鋰電池組的溫度最大變化大于等于l〇°C，則報警;充電結(jié)束時，將供 電電源和充電電源清零，并斷開所有開關(guān)。
【文檔編號】H01M10/44GK105958143SQ201610344872
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】謝華, 魏強, 張斯明, 李明峰, 戴萌, 余文濤, 杜磊
【申請人】中國空間技術(shù)研究院