卫星用氢镍蓄电池放电终压自主诊断方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010072973.1 (22)申请日 2020.01.21 (71)申请人 北京空间飞行器总体设计部 地址 100094 北京市海淀区友谊路104号 (72)发明人 左子瑾刘震王大轶王超 谭博能王巍巍高瑾博 (74)专利代理机构 中国航天科技专利中心 11009 代理人 刘秀祥 (51)Int.Cl. G01R 31/378(2019.01) G01R 31/367(2019.01) G01R 31/382(2019.01) (54)发明名称 一种卫星用氢镍蓄电池放电终压。

2、自主诊断 方法 (57)摘要 一种卫星用氢镍蓄电池放电终压自主诊断 方法， 属于卫星用电池技术领域， 为解决蓄电池 长寿命在轨使用需求与确定蓄电池在轨充电管 理策略调整时机之间的矛盾， 在充分分析了放电 深度、 温度、 过充电量、 过充电速率、 寿命时间、 电 池贮存的耗损等影响因素的基础上， 提出了一种 简化的氢镍蓄电池放电终压预测模型， 从而更准 确合理地选择时机进行蓄电池的在轨维护， 延长 氢镍蓄电池在轨寿命的同时， 大大降低了在轨蓄 电池欠压使用的风险。 此模型在应用于在轨卫星 蓄电池监测及自主诊断时计算量适中， 便于工程 实现。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 11133。

3、7835 A 2020.06.26 CN 111337835 A 1.一种卫星用氢镍蓄电池放电终压自主诊断方法， 其特征在于， 包括如下步骤： S1、 根据单个地影季包含的天数d、 氢镍蓄电池每天的充放电循环次数n， 确定截止到某 一日期氢镍蓄电池的充放电循环次数N； 其中截止到某一日期氢镍蓄电池的经历的地影季 的个数为m； S2、 选取卫星发射入轨后的首个地影季的关注时段， 获取氢镍蓄电池在首个地影季的 关注时段的初始放电终压V0； 其中每个地影季的关注时段包括该地影季的中心日及前后各 M天； S3、 在每个地影季的关注时段的充放电循环中， 计算氢镍蓄电池的最大放电深度DODj(j 1,2,。

4、)和最大放电深度对应的氢镍蓄电池温度Tj(j1,2,)； S4、 根据S3中所述的氢镍蓄电池的最大放电深度DODj(j1,2,)的上下限和最大放电 深度对应的氢镍蓄电池温度Tj(j1,2,)的上下限、 S2中所述的首个地影季的关注时段 的初始放电终压V0， 建立充放电循环次数N时氢镍蓄电池的放电终压预测模型； S5、 根据S4中所述的氢镍蓄电池的放电终压预测模型， 确定S1中所述某一日期的氢镍 蓄电池的理论放电终压V理 论， 当S1中所述某一日期的镉镍蓄电池的实际放电终压低于所述 的理论放电终压V理 论的下限时， 提示报警。 2.根据权利要求1所述的一种卫星用氢镍蓄电池放电终压自主诊断方法， 。

5、其特征在于， 在S5之后， 当S1中所述某一日期的氢镍蓄电池的实际放电终压低于所述的理论放电终压 V理 论的下限时， 则进行氢镍蓄电池的充电策略调整。 3.根据权利要求1所述的一种卫星用氢镍蓄电池放电终压自主诊断方法， 其特征在于， 当调整氢镍蓄电池的充电策略后， 在后续卫星运行过程中， 如果蓄电池实际的放电终压高 于所述的理论放电终压V理 论的下限， 则氢镍蓄电池的充电策略调整有效。 4.根据权利要求13之一所述的一种卫星用氢镍蓄电池放电终压自主诊断方法， 其特 征在于， S4中充放电循环次数N时氢镍蓄电池的放电终压预测模型为： 式中， T为S1中所述某一日期的氢镍蓄电池的温度上下限， DO。

6、D为S1中所述某一日期的 氢镍蓄电池的最大放电深度上下限。 5.根据权利要求2所述的一种卫星用氢镍蓄电池放电终压自主诊断方法， 其特征在于， 所述氢镍蓄电池的充电策略调整包括但不限于增大倍流充电终止电压或增大涓流充电时 间或增大充放电电量比。 6.根据权利要求4所述的一种卫星用氢镍蓄电池放电终压自主诊断方法， 其特征在于， S3中， 在每个地影季的关注时段的充放电循环中， 计算氢镍蓄电池的最大放电深度DODj(j 1,2,)时， 对该地影季的关注时段的每次充放电循环中的最大放电深度取平均值作为 对该地影季的关注时段的氢镍蓄电池的最大放电深度DODj(j1,2,)。 7.根据权利要求4所述的一种。

7、卫星用氢镍蓄电池放电终压自主诊断方法， 其特征在于， S3中， 在每个地影季的关注时段的充放电循环中， 计算最大放电深度对应的氢镍蓄电池温 度Tj(j1,2,)时， 对该地影季的关注时段的每次充放电循环中的最大放电深度对应的 氢镍蓄电池温度取平均值作为对该地影季的关注时段的氢镍蓄电池的最大放电深度对应 权利要求书 1/2 页 2 CN 111337835 A 2 的氢镍蓄电池温度Tj(j1,2,)。 8.根据权利要求7所述的一种卫星用氢镍蓄电池放电终压自主诊断方法， 其特征在于， T分别取Tj(j1,2,)的最大值和最小值。 9.根据权利要求6所述的一种卫星用氢镍蓄电池放电终压自主诊断方法， 。

8、其特征在于， DOD分别取DODj(j1,2,)的最大值和最小值。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111337835 A 3 一种卫星用氢镍蓄电池放电终压自主诊断方法 技术领域 0001 本发明涉及一种卫星用氢镍蓄电池放电终压自主诊断方法， 特别是涉及一种卫星 用氢镍蓄电池在轨放电终压的拟合预测和自主诊断方法， 属于卫星用电池技术领域。 背景技术 0002 电源系统是为航天器提供能源的服务系统， 其中氢镍蓄电池是利用物质在化学反 应时得失电子的特性制造的储能装置， 是目前长寿命航天器常用的多种储能装置之一， 其 电性能设计的主要目的是满足航天器在地影期的电能需求或短期峰值电能需求。 000。

9、3 氢镍蓄电池与其他形式的储能装置相比， 具有可靠性高、 易于维护等优点， 使其在 空间应用中获得了广泛的发展。 然而氢镍蓄电池属于电化学装置， 与单纯的电子装置相比， 随在轨工作时间的增加性能衰减较明显。 主要表现为： 在相同荷电状态、 相同放电电流条件 下， 氢镍蓄电池的输出电压逐渐减小， 从而导致放电终压逐渐减小。 内在机理为： 在充放电 循环中， 虽然是可逆的化学反应， 但化学物质的形态无法确保严格可逆， 因此随着充放电循 环数量的增大， 氢镍蓄电池的内阻逐渐增大。 综上， 在极端情况下， 氢镍蓄电池受外界和自 身的影响可能导致卫星寿命末期地影期整星供电能力不足。 因此为保障卫星在轨正。

10、常工 作、 必要时进行氢镍蓄电池在轨充电策略调整或负载功率调整， 需要开展对氢镍蓄电池的 实时监测和故障诊断工作。 0004 然而目前氢镍蓄电池监测及自主诊断手段匮乏， 因此需要进一步加强进而提高其 在轨管理水平。 开展氢镍蓄电池的在轨管理， 避免出现灾难性故障， 延缓氢镍蓄电池的性能 衰减， 最终实现高性能、 高可靠、 长寿命的任务目标。 0005 氢镍蓄电池输出电压是反映氢镍蓄电池在轨性能的重要参数之一。 如果只是利用 固定门限监测手段对氢镍蓄电池输出电压进行在轨故障诊断， 就容易出现漏报的现象。 如 2014年某卫星氢镍蓄电池受某些因素影响造成非预期的性能衰减， 基于固定门限的诊断方 法。

11、未及时监测出该故障。 因此， 需要对氢镍蓄电池输出电压的变化规律开展深入研究， 通过 精细化监测和自主诊断方法， 及时识别氢镍蓄电池性能衰减及故障， 为及时调整氢镍蓄电 池在轨充电策略提供依据， 或为重大故障处置决策节省时间， 最终为高性能、 高可靠、 长寿 命的任务目标提供有力保障 发明内容 0006 本发明要解决的技术问题是： 克服现有技术的不足， 提供了一种卫星用氢镍蓄电 池放电终压自主诊断方法， 为解决蓄电池长寿命在轨使用需求与确定蓄电池在轨充电管理 策略调整时机之间的矛盾， 充分分析了放电深度、 温度、 过充电量、 过充电速率、 寿命时间、 电池贮存的耗损等影响因素， 对于正常使用且。

12、合理贮存的蓄电池来说， 影响其寿命的主要 应力因子有： 放电深度、 温度、 过充电。 过充电是非正常使用方式， 一般必须避免； 然后提出 了一种简化的氢镍蓄电池放电终压预测模型， 从而更准确合理地选择时机进行蓄电池的在 轨维护， 延长氢镍蓄电池在轨寿命的同时， 大大降低了在轨蓄电池欠压使用的风险。 此模型 说明书 1/6 页 4 CN 111337835 A 4 在应用于在轨卫星蓄电池监测及自主诊断时计算量适中， 便于工程实现。 0007 本发明目的通过以下技术方案予以实现： 0008 一种卫星用氢镍蓄电池放电终压自主诊断方法， 包括如下步骤： 0009 S1、 根据单个地影季包含的天数d、 。

13、氢镍蓄电池每天的充放电循环次数n， 确定截止 到某一日期氢镍蓄电池的充放电循环次数N； 其中截止到某一日期氢镍蓄电池的经历的地 影季的个数为m； 0010 S2、 选取卫星发射入轨后的首个地影季的关注时段， 获取氢镍蓄电池在首个地影 季的关注时段的初始放电终压V0； 其中每个地影季的关注时段包括该地影季的中心日及前 后各M天； 0011 S3、 在每个地影季的关注时段的充放电循环中， 计算氢镍蓄电池的最大放电深度 DODj(j1,2,)和最大放电深度对应的氢镍蓄电池温度Tj(j1,2,)； 0012 S4、 根据S3中所述的氢镍蓄电池的最大放电深度DODj(j1,2,)的上下限和最 大放电深度。

14、对应的氢镍蓄电池温度Tj(j1,2,)的上下限、 S2中所述的首个地影季的关 注时段的初始放电终压V0， 建立充放电循环次数N时氢镍蓄电池的放电终压预测模型； 0013 S5、 根据S4中所述的氢镍蓄电池的放电终压预测模型， 确定S1中所述某一日期的 氢镍蓄电池的理论放电终压V理 论， 当S1中所述某一日期的镉镍蓄电池的实际放电终压低于 所述的理论放电终压V理 论的下限时， 提示报警。 0014 优选的， 在S5之后， 当S1中所述某一日期的氢镍蓄电池的实际放电终压低于所述 的理论放电终压V理 论的下限时， 则进行氢镍蓄电池的充电策略调整。 0015 优选的， 当调整氢镍蓄电池的充电策略后， 。

15、在后续卫星运行过程中， 如果蓄电池实 际的放电终压高于所述的理论放电终压V理 论的下限， 则氢镍蓄电池的充电策略调整有效。 0016 优选的， S4中充放电循环次数N时氢镍蓄电池的放电终压预测模型为： 0017 0018 式中， T为S1中所述某一日期的氢镍蓄电池的温度上下限， DOD为S1中所述某一日 期的氢镍蓄电池的最大放电深度上下限。 0019 优选的， 所述氢镍蓄电池的充电策略调整包括但不限于增大倍流充电终止电压或 增大涓流充电时间或增大充放电电量比。 0020 优选的， S3中， 在每个地影季的关注时段的充放电循环中， 计算氢镍蓄电池的最大 放电深度DODj(j1,2,)时， 对该地。

16、影季的关注时段的每次充放电循环中的最大放电深 度取平均值作为对该地影季的关注时段的氢镍蓄电池的最大放电深度DODj(j1,2,)。 0021 优选的， S3中， 在每个地影季的关注时段的充放电循环中， 计算最大放电深度对应 的氢镍蓄电池温度Tj(j1,2,)时， 对该地影季的关注时段的每次充放电循环中的最大 放电深度对应的氢镍蓄电池温度取平均值作为对该地影季的关注时段的氢镍蓄电池的最 大放电深度对应的氢镍蓄电池温度Tj(j1,2,)。 0022 优选的， T分别取Tj(j1,2,)的最大值和最小值。 0023 优选的， DOD分别取DODj(j1,2,)的最大值和最小值。 0024 本发明相比。

17、于现有技术具有如下有益效果： 说明书 2/6 页 5 CN 111337835 A 5 0025 本发明的研究结果是基于大量地面测试数据和卫星在轨真实的遥测数据得出 的， 融合了蓄电池的物理特性、 测试数据和在轨数据， 能够更确切地反映蓄电池的在轨性能 的变化情况； 0026 本发明是在分析了氢镍蓄电池物理特性和大量数据后得出的， 具有一定的普适 性； 0027 在卫星负载较为稳定的前提下， 本发明中得到的氢镍蓄电池理论放电终压主要 与时间(充放电循环次数)相关， 利用该公式计算当前的理论放电终压， 简单高效、 可行可 靠； 0028 由本发明得到的氢镍蓄电池放电终压理论范围， 可支持卫星蓄电。

18、池的在轨监 测、 自主诊断及在轨维护工作， 具有实际应用价值。 附图说明 0029 图1为卫星用氢镍蓄电池放电终压自主诊断及在轨维护流程图； 0030 图2为某卫星单次充放电循环中蓄电池电压变化情况图； 0031 图3为某卫星单次充放电循环中蓄电池放电电流变化情况图； 0032 图4为某卫星的理论放电终压的预测范围图； 0033 图5为某卫星充电策略调整前后的实际放电终压与预测范围的对比图； 0034 图6为某卫星全寿命周期未调整充电策略情况下的实际放电终压与预测范围的对 比图。 具体实施方式 0035 为使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合附图对本发明的实施 方式作进一步详。

19、细描述。 0036 实施例1： 0037 一种卫星用氢镍蓄电池放电终压自主诊断方法， 包括如下步骤： 0038 (1)计算单个地影季的天数 0039 根据卫星轨道， 并查询卫星发射后至当前的遥测数据， 计算该卫星单个地影季包 含的天数d。 0040 (2)确定在需要预测的日期时， 蓄电池充放电循环次数 0041 根据该卫星单个地影季包含的天数d、 蓄电池每天的充放电循环次数n， 以及在需 要预测的日期时， 蓄电池将经历的地影季的个数m， 计算在需要预测的日期时， 蓄电池将具 有的充放电循环次数Ndnm。 0042 (3)选定蓄电池在首个地影季中所关注的充放电循环 0043 为了减小数据的随机性。

20、对预测结果造成的误差， 在首个地影季中， 获取该地影季 中心日期及其之前和之后各M天的遥测数据， 一般地， 可取M2。 因此在上述5天中， 蓄电池 经历的充放电循环次数为： 5n。 将它们定义为： 关注时段的充放电循环。 0044 (4)计算蓄电池在首个地影季中的放电终压 0045 在所关注时段的充放电循环中， 分别获取蓄电池的放电终压V0,i(i1,2,5n)， 并求平均值， 得到蓄电池在首个地影季中的关注时段的初始放电终压V0。 说明书 3/6 页 6 CN 111337835 A 6 0046 (5)计算蓄电池在首个地影季的关注时段的充放电循环中的最大放电深度及所对 应的蓄电池温度 00。

21、47 在首个地影季的关注时段的充放电循环中， 查询蓄电池放电电流I放及其对应的时 刻t放， 计算蓄电池在该充放电循环中的最大放电深度 0048 DOD1,1所对应的蓄电池温度为T1,1， T1,1取时间段t放 首,t放 末内蓄电池温度遥测参数 的最大值。 0049 (6)计算蓄电池在首个地影季中的最大放电深度及所对应的蓄电池温度 0050 针对每个所关注的充放电循环， 分别采用第(5)步的方法， 计算蓄电池的最大放电 深度DOD1,i(i1,2,5n)及所对应的蓄电池温度T1,i(i1,2,5n)并求平均值， 得到蓄 电池在首个地影季中的最大放电深度DOD1及所对应的蓄电池温度T1。 0051。

22、 (7)计算蓄电池在每个地影季中的最大放电深度及所对应的蓄电池温度 0052 针对该卫星发射后至当前的每个地影季， 分别采用第(3)步、 第(6)步的方法， 计算 蓄电池在每个地影季中的最大放电深度DODj(j1,2,)及所对应的蓄电池温度Tj(j1, 2,)。 0053 (8)确定在需要预测的日期时， 蓄电池的最大放电深度DOD及所对应的蓄电池温度 T的取值范围 0054 根据经验， 在需要预测的日期时， 蓄电池的最大放电深度DOD的取值范围应在第 (7)步得到的DODj(j1,2,)的5区间内； 所对应的蓄电池温度T的取值范围应在第 (7)步得到的Tj(j1,2,)的0,+5区间内。 00。

23、55 (9)预测蓄电池的放电终压 0056 经过大量地面试验验证， 当氢镍蓄电池环境温度控制在其合理使用温度范围内时 (一般为-1020)， 蓄电池寿命(即其充放电循环次数)主要受温度T和放电深度DOD的 影响。 根据蓄电池最大放电深度、 当前的充放电循环次数、 当前蓄电池温度、 蓄电池实际初 始放电终压， 拟合得到N次充放电循环时对应的蓄电池放电终压预测模型为： 0057 0058 (10)放电终压自主诊断 0059 进行蓄电池放电终压在轨监测和自主诊断时， 根据步骤9的蓄电池放电终压预测 模型计算得到理论放电终压范围， 将此电压值范围下限上浮一定比例后作为自主诊断的报 警门限。 当出影后蓄。

24、电池放电终压低于报警门限时， 则进行提示报警。 0060 (11)利用预测模型对蓄电池进行在轨维护 0061 当蓄电池实际的放电终压低于V理 论下限时， 需要对蓄电池进行在轨维护， 调整充电 策略， 以提高其放电终压， 进而延长蓄电池在轨寿命。 0062 采用有效的充电策略调整方案后， 在后续地影季中， 蓄电池实际的放电终压将会 位于V理 论范围的偏上部， 甚至超出其范围上限， 说明蓄电池实际工作性能优于预测， 调整后 的充电策略效果较好。 说明书 4/6 页 7 CN 111337835 A 7 0063 实施例2： 0064 本发明的卫星用氢镍蓄电池放电终压预测及在轨维护流程如附图1所示。。

25、 下面结 合某两颗在轨导航卫星(分别记为卫星A和卫星B)为例进一步说明本发明的预测和在轨维 护方法。 0065 一、 根据卫星轨道， 并查询卫星发射后至当前的遥测数据， 计算该卫星单个地影季 包含的天数d。 0066 二、 根据该卫星单个地影季包含的天数d、 蓄电池每天的充放电循环次数n， 以及在 需要预测的日期时， 蓄电池将经历的地影季的个数m， 计算在需要预测的日期时， 蓄电池将 具有的充放电循环次数N： 0067 Ndnm 0068 三、 为了减小数据的随机性对预测结果造成的误差， 在首个地影季中， 获取该地影 季中心日期及其之前和之后各2天的遥测数据。 将上述5天作为关注时段， 在上述。

26、5天中， 蓄 电池经历的充放电循环次数为： 5n。 它们定义为： 关注时段的充放电循环。 0069 四、 卫星A某单次充放电循环中蓄电池电压变化情况如图2， 在首个地影季的关注 时段的充放电循环中， 分别获取蓄电池的放电终压V0,i(i1,2,5n)， 计算蓄电池在首个 地影季中的放电终压V0： 0070 0071 五、 卫星A某单次充放电循环中蓄电池放电电流变化情况如图3， 在单次充放电循 环中， 获取蓄电池放电电流I放及其对应的时刻t放， 计算蓄电池在该充放电循环中的最大放 电深度DOD1,1： 0072 0073 其中： 0074 C额为蓄电池额定容量， 在蓄电池生产时即可确定； 007。

27、5 t放 首为I放的首值对应的时刻； 0076 t放 末为I放的末值对应的时刻。 0077 DOD1,1所对应的蓄电池温度为T1,1， T1,1取时间段t放 首,t放 末内蓄电池温度遥测参数 的最大值。 0078 六、 在首个地影季的关注时段的充放电循环中， 采用第五步的方法计算蓄电池的 最大放电深度DOD1,i(i1,2,5n)及其所对应的蓄电池温度T1,i(i1,2,5n)， 进而计算 蓄电池在首个地影季中的最大放电深度DOD1及其所对应的蓄电池温度T1： 0079 0080 说明书 5/6 页 8 CN 111337835 A 8 0081 七、 针对该卫星发射后的每个地影季， 分别采用。

28、第三步、 第六步的方法计算蓄电池 在每个地影季中的最大放电深度DODj(j1,2,)及所对应的蓄电池温度Tj(j1,2,)。 0082 八、 在需要预测的日期时， 蓄电池的最大放电深度DOD的取值范围应在DODmin, DODmax区间内： 0083 DODminMINDODj(j1,2,)-5 0084 DODmaxMAXDODj(j1,2,)+5 0085 其中： 0086 MINDODj(j1,2,)为DODj(j1,2,)中的最小值； 0087 MAXDODj(j1,2,)为DODj(j1,2,)中的最大值。 0088 所对应的蓄电池温度T的取值范围应在Tmin,Tmax区间内： 00。

29、89 TminMINTj(j1,2,) 0090 TmaxMAXTj(j1,2,)+5 0091 其中： 0092 MINTj(j1,2,)为Tj(j1,2,)中的最小值； 0093 MAXTj(j1,2,)为Tj(j1,2,)中的最大值。 0094 九、 将以上计算的N、 V0代入， DOD分别取DODmin、 DODmax， T分别取Tmin、 Tmax， 且DOD和T 同时取最小值或同时取最大值， 计算蓄电池在第N个充放电循环中的放电终压V理 论的预测范 围， 该范围作为自主诊断的判据： 0095 0096 N(-0.00008T2-0.0001T+1.0006)(-18149ln(DO。

30、D)+82230) 0097 根据卫星A相关数据计算的放电终压V理 论的预测范围如图4。 0098 十、 查询卫星实际在轨遥测数据， 将历次卫星出影前的放电终压记为V实 际， 将V理 论下 限上浮0.5记为V门 限， 作为自主诊断的报警门限， 利用实时诊断报警软件将V实 际与V门 限进行 比较， 当V实 际低于V门 限时， 则进行提示报警， 并警示相关人员密切关注且制定适当的新充电策 略以作备用。 0099 十一、 利用预测模型对蓄电池进行在轨维护的具体实施方式为： 0100 利用实时诊断报警软件将蓄电池实际的放电终压V实 际与V理论的范围进行比较： 当 V实 际低于V理 论的下限时， 则警示。

31、相关人员需对蓄电池进行在轨维护， 实施制定的新充电策略。 充电策略的调整方法一般包括： 增大倍流充电终止电压、 增大涓流充电时间、 增大充放电电 量比等。 0101 卫星A和卫星B在轨实际放电终压变化情况如图5和图6， 其中卫星A在轨进行了充 电策略调整， 调整后放电终压逐渐优于预测值。 0102 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。 0103 本发明虽然已以较佳实施例公开如上， 但其并不是用来限定本发明， 任何本领域 技术人员在不脱离本发明的精神和范围内， 都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发 明技术方案做出可能的变动和修改， 因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容， 依据本发明 的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、 等同变化及修饰， 均属于本发明技术方案 的保护范围。 说明书 6/6 页 9 CN 111337835 A 9 图1 说明书附图 1/4 页 10 CN 111337835 A 10 图2 图3 说明书附图 2/4 页 11 CN 111337835 A 11 图4 图5 说明书附图 3/4 页 12 CN 111337835 A 12 图6 说明书附图 4/4 页 13 CN 111337835 A 13 。