一种卫星锂电池地面充电方法及系统的制作方法
【专利摘要】一种卫星锂电池地面充电方法及系统，该方法使用涓流对锂电池进行预充电，使锂电池电压达到初始电压，然后使用恒流对锂电池充电至上限电压，重复多次减小充电电流并对锂电池继续充电到上限电压的过程，直到电流减小至涓流电流值，对锂电池继续充电到上限电压后，充电结束。实现该方法的系统包括供电电源、充电电源、开关和控制器，控制器通过控制供电电源和充电电源实现对锂电池的供电。本发明方法及系统能够将锂电池充饱和，避免针对某一个测试项目的多次充电，极大降低了电池寿命缩短的风险。
【专利说明】
一种卫星锂电池地面充电方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种卫星锂电池地面充电方法及系统，适用于卫星锂电池地面充电。
【背景技术】
[0002] 锂离子蓄电池具有高的重量/体积比能量，可以提高卫星平台的载荷比，降低发射 成本，同时锂离子蓄电池具有热效应小、自放电小和易于模块化等优点，在航天领域应用优 势明显，正成为继镉镍和氢镍电池之后第三代航天用储能电源。
[0003] 卫星整星测试火工品程控功能测试、三系统联试等项目均需要锂电池供电，尤其 是在卫星临射前需将电池充满。传统的卫星镍氢电池充电方法是使用恒流充电，但这种方 法直接应用到锂电池上，将出现不能将锂电池充饱和的问题，为了满足某一个测试项目的 使用要求，只能多次充电。
[0004] 由于锂电池在使用中必须串联才能达到使用电压的需求，在电池组中各单体电池 之间存在不一致性，连续的充放电循环导致的差异将使某些单体电池的容量加速衰减，串 联电池组的容量是由单体电池的最小容量决定的，因此这些差异将使电池组的使用寿命缩 短。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种卫星锂电池地面充电 方法及系统，能够将锂电池充饱和，避免针对某一个测试项目的多次充电，有效降低电池寿 命缩短的风险。
[0006] 本发明的技术解决方案是:一种卫星锂电池地面充电方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤一：判断锂电池电压是否大于等于初始电压，如果是，则进入步骤二，否则使 用涓流对锂电池进行预充电，当锂电池电压达到初始电压时，进入步骤二；
[0008] 步骤二:使用恒流对锂电池充电至上限电压，进入步骤三，所述恒流的电流远大于 涓流电流；
[0009] 步骤三:减小充电电流，对锂电池继续充电到上限电压；
[0010] 步骤四：重复步骤三，直到电流减小至涓流电流值，对锂电池继续充电到上限电压 后，充电结束。
[0011 ]在温度为常温时，涓流电流值为C/100，恒流电流值1〇满足KC/10，其中C为锂电 池容量。
[0012] 所述步骤三中，充电电流减小值为(恒流电流值-涓流电流值)/N，其中N为大于等 于3的自然数。
[0013] 所述步骤二和三中，锂电池温度最大变化小于10°C。
[0014] -种实现上述充电方法的系统，包括1个供电电源、M个充电电源、M+1个开关以及1 个控制器，M为不为0的自然数，其中供电电源通过一个开关与卫星负载连接，用于为卫星负 载供电，每个充电电源分别通过一个开关与锂电池或多个锂电池组成的锂电池组连接，用 于为对应的锂电池或锂电池组充电；
[0015] 充电时，控制器控制供电电源和M个充电电源的输出电流，通过卫星实时采集每个 锂电池或锂电池组的温度和电压，根据每个锂电池或锂电池组电压调整对应充电电源的输 出电流，如果某个锂电池或锂电池组的温度最大变化大于等于l〇°C，则报警;充电结束时， 将供电电源和充电电源清零，并断开所有开关。
[0016] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0017] (1)本发明在恒流区充电结束后进入恒压区时，采用台阶方式降电流，实现对锂电 池组饱和充电（锂电池容量充满（>90 % ))，避免了针对某一个测试项目的多次充电，减少 电池寿命缩短的风险。
[0018] (2)本发明电池温升最大变化小于10°C，从而保证卫星锂电池充电的安全性，避免 变化过大导致电池过热而产生泄露和燃烧等安全事故。。
[0019] (3)本发明充电电流减小值为(恒流电流值-涓流电流值)/N，能够有效保证卫星锂 电池温升最大变化小于10°c，同时保证蓄电池充电耗时小于12小时。
[0020] (4)本发明系统通过控制器控制供电电源和充电电源的电流，同时实时采集锂电 池组的电压和温度，简单实用，避免了人工操作。
【附图说明】
[0021] 图1为锂电池充电特性示意图；
[0022]图2为锂电池恒流恒压的理论充电方法示意图；
[0023]图3为本发明方法流程图；
[0024] 图4为本发明方法的恒流恒压充电曲线；
[0025] 图5为本发明系统不意图；
[0026]图6为本发明实施例充电流程图；
[0027] 图7为本发明实施例锂电池组充电时电流实测图；
[0028] 图8为本发明实施例锂电池组充电时电压实测图；
[0029] 图9为本发明实施例锂电池组充电过程中温度变化实测图。
【具体实施方式】
[0030] 传统的卫星镍氢电池为锂电池充电时存在充电不饱和的问题，为了满足某一个测 试项目的使用要求，只能多次充电，从而导致锂电池寿命缩短。
[0031] 多种研究发现锂电池在充电过程中存在最佳充电曲线：I = I〇eat，式中；1〇为电池 初始充电电流;a为充电接受率;t为充电时间。a和t的值与电池类型、结构和新旧程度有关。 锂电池充电特性如图1所示。
[0032] 结合锂电池的结构和充电特性，应该采用恒流恒压的充电方法对锂电池进行充 电。恒流恒压的理论充电方法如图2所示，充电电流选择结合满足当前最大充电电流限制要 求和当前地面设备最大输出电流考虑;进入恒压区后，充电电流曲线与电池类型、结构和新 旧程度有关。目前工程应用阶段对电池充电方法的研究主要是基于最佳充电曲线来开展， 如果充电电流超过这条最佳充电曲线，不但不能提高充电速率，而且会增加电池的析气量， 加速电池老化；如果小于此最佳充电曲线，虽然不会对电池造成伤害，但是会延长充电时 间，降低充电效率，实际应用中，卫星锂电池充电一般不超过12h。
[0033]基于锂电池的上述特性，为了高效地将卫星锂电池一次充饱和，本发明提出一种 卫星锂电池充电方法，如图3所示，步骤如下：
[0034] 步骤一:判断锂电池电压是否大于等于初始电压，如果是，则进入步骤二，否则使 用涓流对锂电池进行预充电，当锂电池电压达到初始电压时，进入步骤二;常温下涓流电流 值为C/100,其中C为锂电池容量；
[0035] 步骤二:使用恒流对锂电池充电至上限电压，进入步骤三，所述恒流的电流远大于 涓流电流，常温下，恒流电流值10满足< c/10;
[0036] 步骤三:充电电流减小(恒流电流值-涓流电流值)/N，对锂电池继续充电到上限电 压，其中N为大于等于3的自然数；
[0037] 步骤四：重复步骤三，直到电流减小至涓流电流值，对锂电池继续充电到上限电压 后，充电结束。
[0038] 上述过程中，锂电池温度最大变化小于10°C。
[0039] 其中步骤三和步骤四实现了恒压降台阶充电，N即为台阶数。
[0040]本发明方法实现的恒流恒压充电曲线如图4所示，可以看出，在恒压区，充电电流 以台阶式减小，锂电池单体电压在每个台阶处充电到上限电压。该充电曲线能够逼近最佳 充电曲线。
[0041 ] -种实现本发明方法的系统如图5所不，包括1个供电电源、M个充电电源、M+1个开 关以及1个控制器，M为不为0的自然数，其中供电电源通过一个开关与卫星负载连接，用于 为卫星负载供电，每个充电电源分别通过一个开关与一个锂电池或多个锂电池组成的锂电 池组连接，用于为对应的锂电池或锂电池组充电。
[0042] 充电开始时，控制器通过控制供电电源的输出电流为卫星负载供电，同时控制M个 充电电源输出涓流电流，为对应的锂电池或锂电池组供电，然后控制器通过卫星实时采集 每个锂电池或锂电池组的温度和电压，当锂电池组的电压达到初始电压时，控制器控制M个 充电电源输出恒流电流，为对应的锂电池或锂电池组供电，当锂电池或锂电池组的电压达 到上限电压时，减小充电电源输出的充电电流，对锂电池或锂电池组继续充电至上限电压， 重复多次后，电流减小至涓流电流值时，对锂电池继续充电到上限电压后，充电结束。充电 结束时，将供电电源和充电电源清零，并断开所有开关。同时控制器实时采集锂电池或锂电 池组的温度，监控温度的最大变化，如果某个锂电池或锂电池组的温度最大变化大于等于 l〇°C，则报警，由操作人员决定是否结束充电；充电结束时，将供电电源和充电电源清零，并 断开所有开关。
[0043] 实施例：
[0044] 以本发明方法应用于某型号卫星临射前充电为例。
[0045] 在本实施例中N = 4，M=2,在该实施例中，卫星有两个锂电池组，每个锂电池组初 始电压为3.3V，上限电压为4. IV。
[0046] 开始时，每个锂电池组电压小于3.3V，采用如图5所示的系统对锂电池组进行充 电，充电方式为控制系统先控制充电电源输出1.35A(C/100)电流，为锂电池组预充电，控制 系统采集卫星锂电池组的温度和电压，当电压达到3.3V(单体)后，控制充电电源输出恒流 (C/10)，充电至4. IV后转恒压模式降台阶充电，台阶为0阶下充电终止，锂电池电压为4. IV。 充电流程图如图6所示。实际中，为了确保锂电池组安全，防止过电压，充电至4.0V后即转恒 压模式降台阶充电，台阶为〇阶下充电终止，锂电池电压为4.05V。
[0047]表1为本实施例4阶充电方法下锂电池测试数据。
[0048]表1恒流-恒压(4阶)测试数据
[0051] 如图7所示为两个锂电池组充电时电流实测图，图8所示为锂电池组充电时电压实 测图。如图9所示为锂电池组充电过程中温度变化实测图，每一个锂电池组都有多个测温 点，因此图9中有多个温度变化曲线，从图9中可以看出，温度最大变化小于10°C。
[0052] 应用上述方法，对该卫星力学实验进行充电，并另外选取一颗卫星对其临射前以 及力学实验进行充电，对充电数据进行总结后得到锂电池组温度和充电耗时的对比数据， 如表2所示。
[0053]表1充电数据统计分析
[0055]表1、表2数据说明：
[0056] 1、本发明提出的锂电池 N阶充电方法适用于卫星地面充电；
[0057] 2、按照本发明方法，锂电池容量能够一次充满（>90%);
[0058] 3、锂电池温升最大变化小于10°C;
[0059] 4、蓄电池充电耗时小于12小时(蓄电池容量>90%)。
[0060] 试验结果证明，本发明充电方法适用于卫星锂电池地面充电，填补国内该项空白。
[0061]本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
【主权项】
1. 一种卫星锂电池地面充电方法，其特征在于包括如下步骤： 步骤一:判断锂电池电压是否大于等于初始电压，如果是，则进入步骤二，否则使用涓 流对锂电池进行预充电，当锂电池电压达到初始电压时，进入步骤二； 步骤二:使用恒流对锂电池充电至上限电压，进入步骤三，所述恒流的电流远大于涓流 电流； 步骤三:减小充电电流，对锂电池继续充电到上限电压； 步骤四：重复步骤三，直到电流减小至涓流电流值，对锂电池继续充电到上限电压后， 充电结束。2. 根据权利要求1所述的一种卫星锂电池地面充电方法，其特征在于：在温度为常温 时，涓流电流值为C/1OO，恒流电流值I 〇满足I 〇 < C/10，其中C为锂电池容量。3. 根据权利要求1所述的一种卫星锂电池地面充电方法，其特征在于:所述步骤三中， 充电电流减小值为(恒流电流值-涓流电流值)/N，其中N为大于等于3的自然数。4. 根据权利要求3所述的一种卫星锂电池地面充电方法，其特征在于:所述步骤二和三 中，锂电池温度最大变化小于l〇°C。5. -种实现权利要求1所述充电方法的系统，其特征在于:包括1个供电电源、M个充电 电源、M+1个开关以及1个控制器，M为不为0的自然数，其中供电电源通过一个开关与卫星负 载连接，用于为卫星负载供电，每个充电电源分别通过一个开关与锂电池或多个锂电池组 成的锂电池组连接，用于为对应的锂电池或锂电池组充电； 充电时，控制器控制供电电源和M个充电电源的输出电流，通过卫星实时采集每个锂电 池或锂电池组的温度和电压，根据每个锂电池或锂电池组电压调整对应充电电源的输出电 流，如果某个锂电池或锂电池组的温度最大变化大于等于l〇°C，则报警;充电结束时，将供 电电源和充电电源清零，并断开所有开关。
【文档编号】H01M10/44GK105958143SQ201610344872
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】谢华, 魏强, 张斯明, 李明峰, 戴萌, 余文涛, 杜磊
【申请人】中国空间技术研究院