專利名稱：一種鋰離子蓄電池鈍化處理控制單元電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于控制鋰離子蓄電池鈍化操作的控制單元電路。
背景技術(shù)：
空間碎片的存在對航天器和航天任務(wù)的影響日益嚴(yán)重，特別是加大了載人航天的潛在危害。無論從保護空間環(huán)境，維護我國外空權(quán)益，還是從提高我國空間飛行器在軌運行 壽命，保障載人航天安全出發(fā)，都需要加強對空間碎片的觀測、減緩和防護研究。蓄電池爆炸是造成衛(wèi)星在軌解體并產(chǎn)生空間碎片的主要原因。對過去所發(fā)生的航天活動在軌解體事件產(chǎn)生原因分析表明，由于蓄電池的爆炸造成的空間碎片量約占可跟蹤空間物體的2. 25%。目前，國內(nèi)外對蓄電池在衛(wèi)星離軌后處于非正常工作條件下的爆炸可能性及防爆技術(shù)研究甚少，多數(shù)通過蓄電池單體及電池組的自身設(shè)計來提高其在正常使用工況下的可靠性和安全性。對蓄電池進行鈍化處理已經(jīng)成為一種提高蓄電池使用安全性的重要手段。鋰離子蓄電池具有比能量高、自放電小、無記憶效應(yīng)等優(yōu)勢，正在越來越多的被應(yīng)用到航天器上。在對貯能電源電性能、可靠性要求較高的場合如低地球軌道衛(wèi)星(LE0)、地球同步軌道衛(wèi)星(GEO)、空間站、星際登陸器以及星際漫游器等宇航設(shè)備，鋰離子蓄電池組將成為首選對象。對于鋰離子蓄電池的鈍化處理，不能采用整組鈍化，由于單體電池之間的差異，采用整組鈍化時，容易導(dǎo)致個別電池過放電，出現(xiàn)反極。而鋰離子電池過放會帶來安全性影響，是需要嚴(yán)格禁止的。通過文獻調(diào)研可知，國內(nèi)外對蓄電池在衛(wèi)星離軌后處于非正常工作條件下的爆炸可能性及防爆技術(shù)研究甚少，國內(nèi)還未在這方面開展過深入研究。目前國內(nèi)GEO軌道和LEO軌道衛(wèi)星均無蓄電池組鈍化措施。文獻“在軌處理器的研究”(中國宇航學(xué)會空間能源學(xué)術(shù)年會，2002，杜文中)提出了一種在軌處理器，該處理器是針對GEO衛(wèi)星使用的鎘鎳蓄電池的在軌活化裝置，用于在蓄電池組性能衰減時，進行放電活化處理。但該裝置在使用上有以下局限性1、僅適用于GEO軌道的電池在軌活化處理，用途是在提高電池性能而不是任務(wù)后消能處理，不能用于任務(wù)末期的鈍化；2、適用于鎘鎳蓄電池組，不適用于鋰離子蓄電池組；3、采用單繼電器方式，無冗余設(shè)計，可靠性較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種可靠性高的鋰離子蓄電池鈍化處理控制單元電路。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種鋰離子蓄電池鈍化處理控制單元電路，包括鈍化主電路、電壓檢測電路、比較和驅(qū)動電路，其中，鈍化主電路對蓄電池的鈍化開關(guān)進行控制，包括與蓄電池組中的電池單體個數(shù)相同的控制通道，每個控制通道由串聯(lián)的一個磁保持繼電器、一個開關(guān)三極管和一個消能電阻組成并串接在對應(yīng)的一個電池單體的正極和負(fù)極之間，當(dāng)需要進行蓄電池鈍化處理時，向各控制通道中磁保持繼電器的第一組線包通入電流或者發(fā)送鋰電鈍化開遙控指令，使得各磁保持繼電器均處于開通狀態(tài)，同時發(fā)送鋰電鈍化允許指令使得各控制通道中的開關(guān)三極管導(dǎo)通，通過消能電阻對各電池單體進行放電；當(dāng)在鈍化過程中需要停止蓄電池鈍化處理時，向磁保持繼電器的第二組線包通入電流或者發(fā)送鋰電鈍化關(guān)遙控指令，使得磁保持繼電器處于關(guān)斷狀態(tài)，斷開消能電阻與蓄電池單體的連接；
電壓檢測電路包括與蓄電池組中的電池單體個數(shù)相同的檢測通道，每一個檢測通道包括一個運算放大器和四個匹配電阻，對于每一個檢測通道，蓄電池單體的正極經(jīng)第一匹配電阻后同時接至運算放大器的同向輸入端以及第二匹配電阻的一端，第二匹配電阻的另一端接地；蓄電池單體的負(fù)極經(jīng)第三匹配電阻后同時接至運算放大器的反向輸入端以及第四匹配電阻的一端，第四匹配電阻的另一端接運算放大器的輸出端，運算放大器的輸出送至比較和驅(qū)動電路；比較和驅(qū)動電路包括與檢測通道一一對應(yīng)的比較通道，每一個比較通道均包括一個運算放大器，對于每一個比較通道，運算放大器的反向輸入端接至預(yù)設(shè)的鈍化截止電壓，運算放大器的正向輸入端接與其對應(yīng)的檢測通道中運算放大器的輸出，運算放大器的輸出端經(jīng)過驅(qū)動放大后接至鈍化主電路中對應(yīng)控制通道的開關(guān)三極管的基極，控制該控制通道中開關(guān)三極管的導(dǎo)通或者截止。還包括接在比較和驅(qū)動電路中各比較通道的運算放大器的反向輸入端與鈍化主電路中磁保持繼電器的第二組線包之間的保護電路，所述的保護電路包括一個保護磁保持繼電器和一個驅(qū)動三極管，保護磁保持繼電器的一組線包接鋰電鈍化禁止遙控指令，保護磁保持繼電器的另一組線包接鋰電鈍化允許遙控指令；當(dāng)接收到鋰電鈍化禁止遙控指令時，保護磁保持繼電器的開關(guān)處于第一接觸位置為電壓檢測電路提供鈍化截止電壓，當(dāng)接收到鋰電鈍化允許遙控指令時，保護磁保持繼電器的開關(guān)處于第二接觸位置，使得鋰電鈍化允許遙控指令接至驅(qū)動三極管的基極，驅(qū)動三極管的發(fā)射極接地，驅(qū)動三極管的集電極接至鈍化主電路中各控制通道磁保持繼電器的第二組線包。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于本發(fā)明這種可用于鋰離子蓄電池組在軌鈍化處理的電路，實現(xiàn)了任務(wù)末期鋰離子蓄電池組鈍化消能處理；鈍化開關(guān)采用了繼電器和三極管串聯(lián)的方式，控制方式靈活?？刂茊卧娐分性O(shè)置了鈍化使能開關(guān)，在鈍化使能的前提下，才能夠通過遙控指令接通繼電器和三極管，防止在軌正常工作時發(fā)生誤動作；采用單體電池鈍化處理的方法，設(shè)置截至電壓，可以有效防止單體鈍化過程中出現(xiàn)反極，從而大大提高了電路的可靠性。


圖I為本發(fā)明鋰離子蓄電池鈍化處理控制單元電路的原理圖。
具體實施例方式鋰離子蓄電池鈍化處理控制單元電路的主要功能是對鋰離子蓄電池組進行單體鈍化。如圖I所示，為本發(fā)明鋰離子蓄電池鈍化處理控制單元電路的原理圖，主要包括鈍化主電路、電壓檢測電路、比較和驅(qū)動電路。鈍化主電路用于對蓄電池的鈍化進行控制，每個鋰離子蓄電池單體鈍化通路設(shè)計了繼電器和三極管串聯(lián)的二級開關(guān)，可以避免蓄電池鈍化開關(guān)誤動作造成蓄電池組常放電，從而保證可靠性。鈍化主電路中鈍化開關(guān)的接通或斷開以及禁止鈍化狀態(tài)的設(shè)置都可以通過地面遙控指令執(zhí)行，鈍化指令由地面直接遙控指令發(fā)出。在禁止鈍化狀態(tài)下，鈍化指令無法執(zhí)行蓄電池鈍化功能。但在蓄電池組進行鈍化時，禁止鈍化指令能夠中斷鈍化功能。正常情況下蓄電池組處于禁止鈍化狀態(tài)。當(dāng)蓄電池組需進行鈍化時，需先發(fā)禁止鈍化解禁指令使蓄電池處于禁止鈍化解禁狀態(tài)下，再接通蓄電池鈍化開關(guān)。電壓檢測電路對蓄電池單體的電壓進行采樣，通過在比較和驅(qū)動電路中與鈍化截止電壓進行比較，當(dāng)蓄電池單體電壓低于鈍化截止電壓時，比較和驅(qū)動電路驅(qū)動鈍化主電路中的三極管開 關(guān)自動斷開，鈍化完成。另外，為確保供電安全，防止正常運行期間蓄電池組因誤動作而被鈍化，本發(fā)明控制單元電路還設(shè)置了保護電路。當(dāng)該保護電路設(shè)置為禁止?fàn)顟B(tài)時，即使發(fā)送鈍化開指令，也無法接通鈍化開關(guān)。只有保護電路設(shè)置為允許狀態(tài)，才能夠?qū)崿F(xiàn)鈍化電路正常通斷控制。如圖I所示，鈍化主電路中，J4、J9和JlO開關(guān)均采用磁保持繼電器，Q15、Q16、Q17為三極管，由蓄電池單體、磁保持繼電器、三極管和效能電阻組成通路。初始狀態(tài)時，磁保持繼電器和三極管均斷開。以J4所示磁保持繼電器為例，I腳和2腳是一組線包，9腳和10腳則是另外一組線包。3，4，5腳和6，7，8腳是兩組不同的觸點開關(guān)。為防止觸點誤動作，采用兩組觸點串聯(lián)。其中3腳和6腳是公共觸點，磁保持繼電器正常工作時，3腳觸點只能和4腳觸點與5腳觸點中的一個相連。不妨設(shè)磁保持繼電器J4接收到遙控指令，則有指令電源作用于線包I腳和2腳(28V，80ms電壓脈沖)，當(dāng)有脈沖電流由I腳進入從2腳流出時，3腳觸點和4腳觸點相連；則當(dāng)有脈沖電流由9腳進入從10腳流出時，3腳觸點將和5腳觸點相連，若此時由9腳到10腳的電流減為零，但只要I腳和2腳之間無電流通過，繼電器的3觸點始終和5觸點接觸，這就是磁保持繼電器的特點。6，7，8腳觸點工作狀況亦是如此。當(dāng)需要進行蓄電池鈍化處理時，向各控制通道中磁保持繼電器的第一組線包通入電流或者發(fā)送鋰電鈍化開遙控指令，6腳和8腳觸點相連，使得各磁保持繼電器均處于開通狀態(tài)，同時，發(fā)送鋰電鈍化允許指令，比較和驅(qū)動電路輸出高電平驅(qū)動各對應(yīng)開關(guān)三極管導(dǎo)通，通過消能電阻對各電池單體進行放電。當(dāng)單體電壓小于截止電壓時，比較和驅(qū)動電路輸出低電平，三極管斷開，自動完成鈍化。當(dāng)在鈍化過程中需要停止蓄電池鈍化處理時，向磁保持繼電器的第二組線包通入電流或者發(fā)送鋰電鈍化關(guān)遙控指令，使得磁保持繼電器處于關(guān)斷狀態(tài)，斷開消能電阻與蓄電池單體的連接。假設(shè)當(dāng)鋰離子蓄電池單體I檢測電路的電壓與鈍化截止電壓相比較小時，比較和驅(qū)動電路輸出脈沖電壓(或者發(fā)送鈍化關(guān)指令)，比較和驅(qū)動電路輸出低電平，三極管Q15斷開，即鈍化主電路斷開，鈍化完成。D31 D42為繼電器線包消反電動勢二極管，R73 R81為鈍化消能電阻，BAT1、BAT2、BAT3為串聯(lián)的3節(jié)鋰離子蓄電池單體。此處以3節(jié)為例，當(dāng)然根據(jù)實際情況增加蓄電池單體的數(shù)量。電壓檢測電路中所用芯片為LM158，封裝形式為DIP-8，單片集成2路運算放大電路(以下簡稱“運放”)。3腳為正輸入端，2腳為負(fù)輸入端，I腳為輸出端。理想的集成運放正常工作時，2腳和3腳電壓相等，稱之為“虛短”；灌入芯片內(nèi)部的電流為零，稱之為“虛斷”。以U5A為例，若四個電阻R5、R6、R7、R8阻值相等，根據(jù)“虛斷”則3腳電壓為V3 = ((BAT3+) - (BAT-)) X R7/ (R7+R8) + (BAT-) = ((BAT3+) + (BAT-)) /2，根據(jù)“虛短 ” 2 腳電壓也為V2= ((BAT3+)+ (BAT-))/2，再根據(jù)“虛斷”，I腳電壓即為Vl = (V2-(BAT-))/R6X (R6+R5) = (BAT3+)-(BAT-)進而實現(xiàn)了電壓檢測的功能。同理，對于U5B，3腳電壓V3 = ((BAT2+) - (BAT3+)) X R12/ (R11+R12) + (BAT3+) = ((BAT2+) + (BAT3+))/2，2 腳電壓也為 V2 = ((BAT2+) + (BAT3+))/2,1 腳電壓即為 Vl = (V2- (BAT3+)) /R9 X (R9+R10)=(BAT2+) - (BAT3+);對于 U6A, 3 腳電壓 V3 = ((BATI+) - (BAT2+)) X R16/ (R16+R15) + (BAT2+)=((ΒΑΤ1+) + (ΒΑΤ2+))/2，2 腳電壓也為 V2 = ((BAT1+) + (BAT2+))/2，I 腳電壓即為 Vl =(V2-(BAT2+))/R13X (R13+R14) = (BAT1+)-(BAT2+)。此外后端連接的電阻及對地電容R19、C1，R18、C2，R17、C3實現(xiàn)了低通濾波的效果，為后續(xù)電路用到此信號時，提高了抗干擾性。比較和驅(qū)動電路中采用LM193比較器，封裝形式為DIP-8，單片集成2路比較電路，正輸入端3腳，負(fù)輸入端2腳，輸出端I腳。采用單體檢測的方式，三路比較器分別對應(yīng)3路單體電池，三路比較器的輸出分別對應(yīng)三極管Q15、Q16、Q17的驅(qū)動電路。三路比較器各 自比較三個鋰離子蓄電池單體電壓與鈍化截至電壓，當(dāng)某一鋰離子蓄電池單體電壓低于設(shè)定的鈍化截止電壓時，比較器輸出低電平，斷開鈍化主電路中對應(yīng)的三極管，該路鋰離子蓄電池單體鈍化結(jié)束。如果3腳電壓比2腳電壓大(即某一鋰離子蓄電池單體電壓高于設(shè)定的鈍化截止電壓時)，則比較器輸出高阻態(tài)，進而可通過上拉電流實現(xiàn)高電平輸出，驅(qū)動鈍化主電路中對應(yīng)的三極管導(dǎo)通。若禁止鈍化解禁指令接通時，2腳接鈍化截止電壓，可通過電阻R3及電阻R4分壓形式產(chǎn)生鈍化截止電壓，3腳接鋰離子蓄電池單體檢測電壓。開始工作時，3腳電壓高于2腳電壓，LM193的I腳輸出為高電平，接著三極管Q15、Q16、Q17的基極瞬間有電流ib通過，發(fā)射極電流通過放大β (β為三極管的放大參數(shù)，一般為50，甚至幾百)倍為β ib，促使三極管Q15、Q16、Q17工作在放大飽和區(qū)，三極管發(fā)射極和集電極直通,蓄電池單體通過電阻放電鈍化。電阻R20、R21、R22為上拉電阻。其中三極管驅(qū)動電路可選用成熟電路產(chǎn)品。保護電路防止鈍化處理發(fā)生誤動作。當(dāng)發(fā)送鋰電鈍化允許指令時，繼電器J3觸點處于圖示所示的位置。12V電壓通過電阻R3、R4分壓為比較器提供截止電壓基準(zhǔn)，三極管Q5、Q6基極驅(qū)動懸空，此時繼電器J4、J5可正常接受遙控指令執(zhí)行鈍化任務(wù)；當(dāng)發(fā)送鋰電鈍化禁止指令時，繼電器J3的9腳和10腳之間通過電流，3腳與5腳連接，6腳與8腳連接，此時12V電源作用于三極管Q5的基極，驅(qū)動三極管Q5、Q6導(dǎo)通，使得繼電器J4、J9、J10的9、10腳線包得電，斷開鈍化開關(guān)。圖中D1、D2、D5、D6為繼電器J3消反電動勢二極管，R1、R2為繼電器J3線包限流電阻。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種鋰離子蓄電池鈍化處理控制單元電路，其特征在于包括鈍化主電路、電壓檢測電路、比較和驅(qū)動電路，其中， 鈍化主電路對蓄電池的鈍化開關(guān)進行控制，包括與蓄電池組中的電池單體個數(shù)相同的控制通道，每個控制通道由串聯(lián)的一個磁保持繼電器、一個開關(guān)三極管和一個消能電阻組成并串接在對應(yīng)的一個電池單體的正極和負(fù)極之間，當(dāng)需要進行蓄電池鈍化處理時，向各控制通道中磁保持繼電器的第一組線包通入電流或者發(fā)送鋰電鈍化開遙控指令，使得各磁保持繼電器均處于開通狀態(tài)，同時發(fā)送鋰電鈍化允許指令使得各控制通道中的開關(guān)三極管導(dǎo)通，通過消能電阻對各電池單體進行放電；當(dāng)在鈍化過程中需要停止蓄電池鈍化處理時，向磁保持繼電器的第二組線包通入電流或者發(fā)送鋰電鈍化關(guān)遙控指令，使得磁保持繼電器處于關(guān)斷狀態(tài)，斷開消能電阻與蓄電池單體的連接； 電壓檢測電路包括與蓄電池組中的電池單體個數(shù)相同的檢測通道，每一個檢測通道包括一個運算放大器和四個匹配電阻，對于每一個檢測通道，蓄電池單體的正極經(jīng)第一匹配電阻后同時接至運算放大器的同向輸入端以及第二匹配電阻的一端，第二匹配電阻的另一端接地；蓄電池單體的負(fù)極經(jīng)第三匹配電阻后同時接至運算放大器的反向輸入端以及第四匹配電阻的一端，第四匹配電阻的另一端接運算放大器的輸出端，運算放大器的輸出送至比較和驅(qū)動電路； 比較和驅(qū)動電路包括與檢測通道一一對應(yīng)的比較通道，每一個比較通道均包括一個運算放大器，對于每一個比較通道，運算放大器的反向輸入端接至預(yù)設(shè)的鈍化截止電壓，運算放大器的正向輸入端接與其對應(yīng)的檢測通道中運算放大器的輸出，運算放大器的輸出端經(jīng)過驅(qū)動放大后接至鈍化主電路中對應(yīng)控制通道的開關(guān)三極管的基極，控制該控制通道中開關(guān)三極管的導(dǎo)通或者截止。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鋰離子蓄電池鈍化處理控制單元電路，其特征在于還包括接在比較和驅(qū)動電路中各比較通道的運算放大器的反向輸入端與鈍化主電路中磁保持繼電器的第二組線包之間的保護電路，所述的保護電路包括一個保護磁保持繼電器和一個驅(qū)動三極管，保護磁保持繼電器的一組線包接鋰電鈍化禁止遙控指令，保護磁保持繼電器的另一組線包接鋰電鈍化允許遙控指令；當(dāng)接收到鋰電鈍化禁止遙控指令時，保護磁保持繼電器的開關(guān)處于第一接觸位置為電壓檢測電路提供鈍化截止電壓，當(dāng)接收到鋰電鈍化允許遙控指令時，保護磁保持繼電器的開關(guān)處于第二接觸位置，使得鋰電鈍化允許遙控指令接至驅(qū)動三極管的基極，驅(qū)動三極管的發(fā)射極接地，驅(qū)動三極管的集電極接至鈍化主電路中各控制通道磁保持繼電器的第二組線包。
全文摘要
一種鋰離子蓄電池鈍化處理控制單元電路，包括鈍化主電路、電壓檢測電路、比較和驅(qū)動電路。鈍化主電路包括與蓄電池組中的單體個數(shù)相同的控制通道，每個控制通道由串聯(lián)的一個磁保持繼電器、一個開關(guān)三極管和一個消能電阻組成，對蓄電池單體的鈍化開關(guān)進行控制。電壓檢測電路對蓄電池組中各電池單體的電壓進行檢測并將結(jié)果送至比較和驅(qū)動電路。比較和驅(qū)動電路將各電池單體的檢測電壓分別與鈍化截止電壓進行比較，當(dāng)任意一個蓄電池單體的檢測電壓低于鈍化截止電壓時，產(chǎn)生驅(qū)動信號送至對應(yīng)控制通道的開關(guān)三極管進行關(guān)斷控制。本發(fā)明控制單元電路采用單體電壓檢測，整組鈍化處理的原理，減小了電路的體積與重量，同時具有很高的可靠性。
文檔編號G05B19/04GK102637911SQ20121008432
公開日2012年8月15日 申請日期2012年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月26日
發(fā)明者喬明, 曾毅, 李小飛, 陳杰, 陳琦, 高升 申請人:北京空間飛行器總體設(shè)計部