锂离子蓄电池过放保护控制系统及过放保护方法技术领域
本发明涉及一种适用于航天电源控制技术领域的电池过放保护方法，具体涉及一种应用于月球探测器电源系统的锂离子蓄电池过放保护控制系统及过放保护方法。
背景技术
锂离子蓄电池是指以Li+嵌入化合物作为正、负极活性物质的二次电池。与传统的锌银电池、镉镍、氢镍蓄电池相比，锂离子蓄电池的比能量高、工作电压高、应用温度范围广、自放电率低、循环寿命长、安全性好。因此，在航天领域中，锂离子蓄电池成为替代目前主流应用的镉镍、氢镍蓄电池的第三代卫星用储能电源。如果用锂离子电池取代目前卫星等航天器所用的储能电源，可将储能电源在电源分系统中所占的质量由30%~40%降低至10%~15%，大大降低发射成本，增加有效载荷。
蓄电池放电到终止电压后，继续放电称为过放电。锂离子蓄电池过放电时，负极的性能会收到严重的破坏，由于脱嵌过多的锂离子，严重时可导致晶格坍塌，同时会造成负极表面上的SEI膜的分解，致使在充电过程中再生成的SEI膜结构不致密，造成内阻增加，还会消耗活性锂，使得容量降低。但是真正引起电池失效的原因是铜集流体被腐蚀，产生了铜离子，这也会增加电池的内阻，同时在接下来的充放电过程中可能会形成铜枝晶，刺穿隔膜，造成内部短路，从而使得电池失效。可见过放电会严重损害蓄电池，对蓄电池的电气性能及循环寿命极为不利。
为了有效延长锂离子蓄电池的使用寿命，提高电源分系统的安全性，通常卫星电源分系统需要采取防锂离子蓄电池过放电保护措施。目前国内卫星电源系统中防锂离子蓄电池过放电保护多采取硬件控制方式，即通过过放保护电路将锂离子蓄电池组电压和蓄电池组放电终止电压进行比较，当锂离子蓄电池组采样电压低于蓄电池组放电终止电压时，放电开关自动断开，实现锂离子蓄电池组过放保护。但是这种过放保护方式仅仅针对锂离子蓄电池组过放进行保护，没有蓄电池单体过放保护措施。此时如果一节或多节单体出现过放电造成单体电压过低，但蓄电池组采样电压仍高于蓄电池组放电终止电压，则系统不采取过放保护，在这种情况下也会对蓄电池单体造成损害，因而蓄电池单体无过放保护措施将会严重影响蓄电池过放保护的效果。
本发明提出一种应用于月球探测器电源系统锂离子蓄电池过放保护的方法，该方法通过综合电子分系统软件控制方式及电源控制器硬件控制方式实现了如下几种锂离子蓄电池过放保护措施：
1、蓄电池单体过放保护：
由探测器综合电子分系统检测蓄电池单体电压，当蓄电池有1节单体电压低于3.3V时，综合电子分系统发指令断开峰值负载使系统工作在最小平台负载，系统继续检测蓄电池单体电压，如果有两节单体电压低于3.0V，则认为蓄电池处于过放电状态，此时综合电子分系统发放电开关断开指令断开放电开关，完成过放电保护；
2、蓄电池组过放保护：
综合电子分系统放电开关断开指令是过放保护的关键，如果该指令发生不动作故障将致使过放保护失效，此时蓄电池组过放保护将产生作用，当蓄电池组电压低于17V，电源控制器过放保护电路将控制放电开关断开，从而起到防止蓄电池组过放的作用；
3、蓄电池单体故障排除：
当综合电子分系统检测蓄电池单体中有1节单体电压低于3.3V时，蓄电池有可能处于1节单体故障状态。在蓄电池有充电电流的情况下，断开峰值负载以后，充电电流将变大，使除故障单体外的其余6节单体电压逐渐升高至3.6V，而故障单体由于充不进电，其单体电压会下降至3V以下，由于系统采用两节单体电压低于3.0V才断开放电开关，因此不采取过放保护，由蓄电池向负载正常供电，保证轨道器负载能量的供应；
4、综合电子分系统指令误动作故障排除：
电源分系统还设置了过放使能开关，以防止综合电子分系统放电开关断开指令误动作致使放电开关不正常断开，引起整星掉电故障。过放使能开关状态由综合电子分系统发指令进行控制，只有在过放使能开关通的情况下，综合电子分系统发送的放电开关断指令才能生效，有效地防止了放电开关断开指令误动作的发生。
与现有技术相比，本发明提出的一种应用于月球探测器电源系统锂离子蓄电池过放保护的方法，克服了蓄电池单体无过放保护措施，过放保护效果不好的缺点。本发明简单可行、易于工程实现，能够有效的防止锂离子蓄电池过放电现象的产生，很好的实现了锂离子蓄电池过放电保护，提高了卫星电源系统的可靠性和安全性。目前国内外无相关论文或专利文献。
发明内容
本发明提供一种锂离子蓄电池过放保护控制系统及过放保护方法，该方法通过综合电子分系统软件控制方式及电源控制器硬件控制方式很好的实现了锂离子蓄电池过放电保护，提高了卫星电源系统的可靠性和安全性。
为实现上述目的，本发明提供一种锂离子蓄电池过放保护控制系统，其特点是，其应用于月球探测器电源系统，该锂离子蓄电池过放保护控制系统包含：
串联连接的锂离子蓄电池组、放电开关、峰值负载控制开关和峰值负载；锂离子蓄电池组包含串联或并联连接的若干蓄电池单体；
最小平台负载，其与峰值负载控制开关和峰值负载并联连接；
过放使能开关，其向放电开关发送放电开关通/断控制信号；
综合电子分系统，其接收锂离子蓄电池组输出的蓄电池单体电压采样信号；并向峰值负载控制开关发送峰值负载通/断指令；向过放使能开关发送过放使能开关通/断指令及放电开关通/断指令； 向放电开关发送放点开关通/断指令；
过放保护电路，其接收锂离子蓄电池组输出的蓄电池组电压采样信号与锂离子蓄电池组的电池特性决定的蓄电池组放电终压；通过比较蓄电池组电压采样信号与蓄电池组放电终压，向过放使能开关发送硬件放电开关通/断指令。
上述的过放保护电路包含三路过放保护单元电路，并采用三取二表决输出方式发送硬件放电开关通/断指令。
上述的蓄电池组放电终压V2略小于n×V1，其中n为锂离子蓄电池组中蓄电池单体的串联数，V1为蓄电池单体放电终压。
一种锂离子蓄电池过放保护控制系统的过放保护方法，其特点是，其应用于月球探测器电源系统，该过放保护方法包含以下步骤：
步骤1、综合电子分系统检测蓄电池单体电压，当检测到有蓄电池单体出现过放电或故障时，则断开峰值负载；
步骤1.1、综合电子分系统接收蓄电池单体电压采样信号并检测蓄电池单体电压；
步骤1.2、综合电子分系统判断是否有节单体电压低于预设的断开或接通峰值负载时的蓄电池单体基准电压，若是，则跳转到步骤1.3，若否，则跳转到步骤1.1；其中，断开或接通峰值负载时的蓄电池单体基准电压略大于蓄电池单体放电终压，该蓄电池单体放电终压根据锂离子蓄电池组的电池特性决定；
步骤1.3、综合电子分系统向峰值负载控制开关发送峰值负载断指令，断开峰值负载；
步骤1.4、综合电子分系统向过放使能开关发送过放使能开关通指令；
步骤1.5、综合电子分系统判断过放使能开关状态是否为连通，若是，则跳转到步骤2，若否，则跳转到步骤1.4；
步骤2、综合电子分系统继续检测蓄电池单体电压，判断蓄电池单体处于单体过放状态或单体故障状态，若蓄电池单体处于单体过放状态，则跳转到步骤3；若蓄电池单体处于单体故障状态，则跳转到步骤4；
步骤3、综合电子分系统进行蓄电池单体过放保护，判断放电开关状态，若放电开关已断开，则过放保护完成，若放电开关未断开，则跳转到步骤5；
步骤3.1、综合电子分系统向放电开关发送放电开关断指令；
步骤3.2、综合电子分系统判断放电开关状态为是否为断开，若是，则过放保护完成，若否，则跳转到步骤5；
步骤4、综合电子分系统进行蓄电池单体故障排除；
步骤4.1、综合电子分系统向过放使能开关发送过放使能开关断指令；
步骤4.2、综合电子分系统判断过放使能开关状态是否为断开，若是，则跳转到步骤4.3，若否，则跳转到步骤4.1；
步骤4.3、综合电子分系统同时向峰值负载控制开关发送峰值负载通指令，接通峰值负载；
步骤4.4、综合电子分系统检测蓄电池单体电压，判断与故障蓄电池单体串联的其余蓄电池单体的蓄电池单体电压是否高于预设的断开或接通峰值负载时的蓄电池单体基准电压，若是，则系统恢复正常工作状态，若否，则跳转到步骤1.3；
步骤5、过放保护电路进行硬件蓄电池组过放保护。
步骤5.1、过放保护电路接收蓄电池组电压采样信号并判断蓄电池组电压是否低于蓄电池组放电终压，若是，则跳转到步骤5.2，若否，则放电开关导通，系统正常工作；其中蓄电池组放电终压根据锂离子蓄电池组的电池特性决定；
步骤5.2、过放保护电路向过放使能开关发送硬件放电开关断指令，由于此时过放使能开关处于导通状态，则过放使能开关向放电开关发送放电开关断控制信号，使放电开关断开，完成过放保护。
本发明锂离子蓄电池过放保护控制系统及过放保护方法和现有技术相比，其优点在于，本发明提出的一种应用于月球探测器电源系统锂离子蓄电池过放保护的方法，由综合电子分系统采用软件控制方式实现蓄电池单体过放保护，克服了蓄电池单体无过放保护措施，过放保护效果不好的缺点；
本发明综合电子分系统放电开关断开指令发生不动作故障时，由电源控制器过放保护电路控制放电开关断开，从而起到防止蓄电池组过放的作用。该硬件保护有效的防止了综合电子分系统放电开关断开指令不动作故障致使过放保护失效；
本发明电源分系统内设置了过放使能开关，以防止综合电子分系统放电开关断开指令误动作致使放电开关不正常断开，引起整星掉电故障；
本发明锂离子蓄电池过放保护有蓄电池单体保护和蓄电池组保护两种途径，单体过放保护由综合电子分系统采用软件控制方式，组过放保护由电源控制器采用硬件控制方式，两种保护互为备份，提高了卫星电源系统的可靠性和安全性；
本发明简单可行、易于工程实现。
附图说明
图1为本发明锂离子蓄电池过放保护控制系统的系统框图；
图2为本发明锂离子蓄电池过放保护控制系统的过放保护电路的电路图；
图3为本发明锂离子蓄电池过放保护控制系统的过放保护方法的方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。
如图1所示，本发明公开一种应用于月球探测器电源系统的锂离子蓄电池过放保护控制系统，该锂离子蓄电池过放保护控制系统包含串联连接的锂离子蓄电池组2、放电开关7、峰值负载控制开关8和峰值负载3，该应用于月球探测器电源系统还包含最小平台负载4、过放使能开关6、综合电子分系统1和过放保护电路5。
锂离子蓄电池组2包含串联或并联连接的若干蓄电池单体，本实时例中，锂离子蓄电池组2由14节锂离子蓄电池单体2并7串而成。
最小平台负载4与峰值负载控制开关8和峰值负载3并联连接。
过放使能开关6的输出端电路连接放电开关7输入端，向放电开关7发送放电开关通/断控制信号。
本系统设置了过放使能开关6，以防止综合电子分系统放电开关断开指令误动作致使放电开关不正常断开，引起整星掉电故障。过放使能开关状态由综合电子分系统过放使能开关通/断指令进行控制，在综合电子分系统发峰值负载断指令的同时，发过放使能开关通指令，使硬件保护电路生效，有效地防止了放电开关断开指令误动作的发生。
综合电子分系统1输入端电路连接锂离子蓄电池组2，接收锂离子蓄电池组2输出的蓄电池单体电压采样信号。综合电子分系统1输出端分别电路连接峰值负载控制开关8、过放使能开关6、放电开关7，向峰值负载控制开关8发送峰值负载通/断指令；向过放使能开关6发送过放使能开关通/断指令及放电开关通/断指令；向放电开关7发送放点开关通/断指令。
过放保护电路5输入端电路连接锂离子蓄电池组2，接收锂离子蓄电池组2输出的蓄电池组电压采样信号与锂离子蓄电池组2的电池特性决定的蓄电池组放电终压，通过比较蓄电池组电压采样信号与蓄电池组放电终压，向过放使能开关6发送硬件放电开关通/断指令。
过放使能开关6、过放保护电路5、放电开关7和锂离子蓄电池组2组成电源分系统9。
本实施例中，锂离子蓄电池终止电压设置如下：本发明例中月球探测器电源分系统锂离子蓄电池组2由两并七串的锂离子蓄电池单体组成。通过实验经验设置锂离子蓄电池组2的蓄电池单体放电终压为3.0V，设置锂离子蓄电池2的蓄电池组放电终压V2略小于n×V1，V1为蓄电池单体放电终压，即n×3.0V，n为锂离子蓄电池组2中蓄电池单体的串联数，本实施例中蓄电池组放电终压设为17V。同时，设置断开或接通峰值负载时的蓄电池单体基准电压略大于蓄电池单体放电终压，为3.3V。设置过放使能开关断开时的蓄电池单体基准电压略大于接通峰值负载时的蓄电池单体基准电压，为3.6V。
过放保护电路5包含三路过放保护单元电路，并采用三取二表决输出方式发送硬件放电开关通/断指令。
如图2所示，为电源控制器过放保护电路示意图。蓄电池组电压采样信号及蓄电池组放电终压，分别输入比较器L1、比较器L2、比较器L3进行比较，当蓄电池组电压采样信号低于蓄电池组放电终压时（即蓄电池组电压低于17V），比较器输出高电平使三极管导通，当三路电路中有两路均导通时，放电开关通/断硬件控制信号为高电平，该高电平使放电开关断开，从而起到防止蓄电池组过放的作用。反之，当蓄电池组电压采样信号高于过蓄电池组放电终压时（即组电压低于17V），放电开关导通，系统正常工作。
如图3所示，本发明公开一种应用于月球探测器电源系统的锂离子蓄电池过放保护控制系统的过放保护方法。锂离子蓄电池过放保护有单体保护和组保护两种途径，蓄电池单体过放保护由综合电子分系统采用软件控制方式，蓄电池组过放保护由电源控制器采用硬件控制方式，两种保护互为备份。
该过放保护方法包含以下步骤：
步骤1、综合电子分系统1检测蓄电池单体电压，当检测到有蓄电池单体出现过放电或故障时，则断开峰值负载3。
步骤1.1、综合电子分系统1接收蓄电池单体电压采样信号并检测蓄电池单体电压。
步骤1.2、综合电子分系统1判断是否有节单体电压低于预设的断开或接通峰值负载时的蓄电池单体基准电压3.3V，若是，表明锂离子蓄电池组2有1节蓄电池单体出线过放电或故障两种状况，则跳转到步骤1.3，若否，则跳转到步骤1.1。其中，断开或接通峰值负载时的蓄电池单体基准电压略大于蓄电池单体放电终压3V，该蓄电池单体放电终压根据锂离子蓄电池组2的电池特性决定。
步骤1.3、综合电子分系统1向峰值负载控制开关8发送峰值负载断指令，断开峰值负载3，使月球探测器系统工作在最小平台负载。
步骤1.4、综合电子分系统1同时向过放使能开关6发送过放使能开关通指令。
步骤1.5、综合电子分系统1判断过放使能开关6状态是否为连通（即过放使能开关6状态为1），若是，则跳转到步骤2，若否，则跳转到步骤1.4。
步骤2、综合电子分系统1继续检测蓄电池单体电压，判断蓄电池单体处于单体过放状态或单体故障状态，若有2节单体电压低于蓄电池单体放电终压3.0V，则蓄电池单体处于蓄电池单体过放状态，则跳转到步骤3；若有6节蓄电池单体电压高于过放使能开关断开时的蓄电池单体基准电压3.6V，则表明蓄电池单体处于单体故障状态，则跳转到步骤4。此处6节蓄电池单体为锂离子蓄电池组2中与发生故障或过放电的一个蓄电池单体串联连接的6个蓄电池单体。
步骤3、在蓄电池过放的状况下，各单体电压均下降，如果蓄电池有两节单体电压低于3.0V，则认为蓄电池处于过放电状态，若否，则跳转回步骤2继续进行蓄电池单体电压判断。
综合电子分系统1进行蓄电池单体过放保护，判断放电开关状态，若放电开关7已断开，则过放保护完成，若放电开关7未断开，则跳转到步骤5。
步骤3.1、综合电子分系统1向放电开关7发送放电开关断指令。
步骤3.2、综合电子分系统1判断放电开关7状态为是否为断开（即放电开关7状态为0），若是，则过放保护完成，若否，则跳转到步骤5。
步骤4、在1节蓄电池单体故障的状况下，断开峰值负载会使充电电流变大，在蓄电池有充电电流的情况下，除故障单体外的其余6节单体电压会逐渐升高至3.6V，而故障单体由于充不进电，单体电压会下降至3.0V以下，此时蓄电池处于1节单体故障状态，由于系统设置为两节单体电压低于3.0V才断开放电开关，因此不采取过放保护，由其余6节单体蓄电池向负载供电，保证月球探测器负载能量的供应。若非上述情况，则跳转回步骤2继续进行蓄电池单体电压判断。
综合电子分系统1进行蓄电池单体故障排除。
步骤4.1、综合电子分系统1向过放使能开关6发送过放使能开关断指令。
步骤4.2、综合电子分系统1判断过放使能开关6状态是否为断开（即过放使能开关6状态为0），若是，则跳转到步骤4.3，若否，则跳转到步骤4.1。
步骤4.3、综合电子分系统1同时向峰值负载控制开关8发送峰值负载3通指令，接通峰值负载3。
步骤4.4、综合电子分系统1检测蓄电池单体电压，判断与故障蓄电池单体串联的其余6节蓄电池单体的蓄电池单体电压是否高于预设的断开或接通峰值负载时的蓄电池单体基准电压3.3V，若是，则系统恢复正常工作状态，若否，则跳转到步骤1.3。
步骤5、过放保护电路5进行硬件蓄电池组过放保护。
步骤5.1、过放保护电路5接收蓄电池组电压采样信号并判断蓄电池组电压是否低于蓄电池组放电终压，若是，则跳转到步骤5.2，若否，则放电开关7导通，系统正常工作；其中蓄电池组放电终压根据锂离子蓄电池组2的电池特性决定；
步骤5.2、过放保护电路5向过放使能开关6发送硬件放电开关断指令，由于此时过放使能开关6处于导通状态，则过放使能开关向放电开关7发送放电开关7断控制信号，使放电开关7断开，完成过放保护。
本实施例中，过放保护电路5具体工作原理如下：蓄电池组电压采样信号及蓄电池组放电终压分别输入比较器L1、L2、L3进行比较，当蓄电池组电压采样信号低于蓄电池组放电终压时（即蓄电池组电压低于17V），比较器输出高电平使三极管导通，当3路电路中有2路均导通时，硬件放电开关通/断指令为高电平，该高电平使放电开关断开，从而起到防止蓄电池组过放的作用。该硬件保护有效的防止了综合电子分系统放电开关断开指令不动作故障致使过放保护失效。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。