一種鋰離子蓄電池與管理單元集成系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天器鋰離子蓄電池與與管理單元設(shè)計(jì)方面，涉及一種可簡化航天器單機(jī)接口、高度集成的鋰離子蓄電池與管理的設(shè)計(jì)。應(yīng)用于航天器電源系統(tǒng)中。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子蓄電池已經(jīng)成為航天器一種非常重要的儲(chǔ)能裝置，其應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛。但鋰離子電池的特性要求其不能過充電，也不能過放電，同時(shí)為保證蓄電池組內(nèi)個(gè)各電池小模塊在壽命周期內(nèi)的一致性，需要設(shè)計(jì)均衡分流裝置，實(shí)現(xiàn)在充電過程中各串聯(lián)電池小模塊保持一致；另外，基于安全性的考慮，鋰離子蓄電池一般都需要配置旁路開關(guān)，以保證不因?yàn)殡姵匦∧K的失效而導(dǎo)致整組蓄電池失效，因此需要一個(gè)管理單元用于執(zhí)行對(duì)鋰離子蓄電池的上述功能。
[0003]常規(guī)的鋰離子蓄電池的管理單元一般為一個(gè)獨(dú)立的單機(jī)，需要外置供電電源，旁路開關(guān)需要整星火工裝置驅(qū)動(dòng)，或者配置獨(dú)立的旁路開關(guān)驅(qū)動(dòng)單機(jī)，且與蓄電池的采樣連線、均衡連線、旁路開關(guān)連線眾多，電纜也很重，接口眾多，電池的管理需要星上計(jì)算機(jī)運(yùn)行軟件采樣控制，占用星上十分緊張的中心機(jī)資源，導(dǎo)致蓄電池組模塊的比能量偏低，經(jīng)濟(jì)效益差，競爭力弱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，解決鋰離子蓄電池與管理單元將鋰離子電池與蓄電池集成一體化設(shè)計(jì)，提高鋰離子電池的比能量，且使得與航天器接口簡化、單一，同時(shí)提高了可靠性。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種鋰離子蓄電池與管理單元集成系統(tǒng)，其特征在于包括:鋰離子蓄電池組和管理單元，其中管理單元包括電池電壓檢測模塊、均衡開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路、旁路開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路、譯碼及編碼模塊、1553B接口電路及CPU電路、DC/DC變換器，鋰離子蓄電池組與管理單元集成為一體；
[0006]鋰離子蓄電池組有多節(jié)電池小模塊串聯(lián)而成，每節(jié)電池小模塊正極端和負(fù)極端分別通過連接至電池電源檢測模塊；為了實(shí)現(xiàn)均衡分流，采用一個(gè)電阻和均衡開關(guān)串聯(lián)后，并聯(lián)于每節(jié)電池小模塊正極端和負(fù)極端；另外為保證鋰離子蓄電池組的安全性，防止鋰離子蓄電池組開路或短路，在每節(jié)電池小模塊上串聯(lián)旁路開關(guān)；旁路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)通過鋰離子蓄電池組提供功率驅(qū)動(dòng)，由鋰離子蓄電池組正極端到旁路開關(guān)驅(qū)動(dòng)端，再到鋰離子蓄電池組負(fù)極端形成驅(qū)動(dòng)通路，驅(qū)動(dòng)通路上通過旁路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)開關(guān)控制通斷；
[0007]電池電壓檢測模塊，將檢查到的每節(jié)電池小模塊的電壓值傳遞給譯碼及編碼模塊；
[0008]均衡開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路中的均衡開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路接收譯碼及編碼模塊指令信號(hào)，發(fā)出均衡開關(guān)通斷指令，用于實(shí)現(xiàn)均衡開關(guān)通斷控制；均衡開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路中的狀態(tài)遙測電路檢測均衡開關(guān)的狀態(tài)，即均衡狀態(tài)，將狀態(tài)檢測結(jié)果輸出至譯碼及編碼模塊；
[0009]旁路開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路中的旁路開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路接收譯碼及編碼模塊指令信號(hào)，發(fā)出旁路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)開關(guān)通斷指令，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)旁路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)開關(guān)通斷控制；旁路開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路中狀態(tài)遙測電路檢測旁路開關(guān)的狀態(tài)，將狀態(tài)檢測結(jié)果輸出值譯碼及編碼模塊；
[0010]譯碼及編碼模塊，將1553B接口電路及CPU電路接收到的信號(hào)進(jìn)行編碼譯碼后送至電池電壓檢查模塊、均衡開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路和旁路開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路；
[0011]1553B接口電路及CPU電路，實(shí)現(xiàn)與星務(wù)通信系統(tǒng)通信；
[0012]DC/DC變換器為管理單元內(nèi)各個(gè)用電模塊提供二次供電。
[0013]所述鋰離子蓄電池組由11節(jié)電池小模塊串聯(lián)，每節(jié)電池小模塊由1?5個(gè)單體電池并聯(lián)而成。
[0014]為了安全性考慮，所述均衡開關(guān)為2個(gè)，兩個(gè)均衡開關(guān)串聯(lián)，當(dāng)兩個(gè)均衡開關(guān)同時(shí)閉合時(shí)，實(shí)現(xiàn)每節(jié)電池小模塊均衡功能；當(dāng)兩個(gè)均衡開關(guān)中的某一個(gè)斷開或全部斷開時(shí)，暫停均衡功能；均衡開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路同時(shí)獲取兩個(gè)均衡開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)，用以判斷均衡狀態(tài)。
[0015]為了安全性考慮，所述旁路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)開關(guān)為3個(gè)，當(dāng)旁路開關(guān)的3個(gè)驅(qū)動(dòng)開關(guān)全部接通時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)旁路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)，切除對(duì)應(yīng)電池小模塊；當(dāng)旁路開關(guān)的3個(gè)驅(qū)動(dòng)開關(guān)中有一個(gè)或兩只或三只斷開時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)旁路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)；旁路開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路同時(shí)獲取芳路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)開關(guān)的狀態(tài)，用以判斷芳路開關(guān)狀態(tài)。
[0016]所述1553B接口電路及CPU電路與星務(wù)通信接口采用標(biāo)準(zhǔn)的1553B接口。
[0017]1553B接口電路及CPU電路內(nèi)置有在軌工作軟件，在星務(wù)通信系統(tǒng)托管的情況下，能夠?qū)︿囯x子蓄電池組進(jìn)行自主管理。
[0018]所述每個(gè)電池小模塊都配置一個(gè)上述如此功能的管理單元模塊，組成整組蓄電池組的管理單元。
[0019]所述鋰離子蓄電池與管理單元集成為一體，兩者之間的互聯(lián)線短。
[0020]一種鋰離子蓄電池與管理單元集成系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，步驟如下:
[0021]在鋰離子蓄電池組充電過程中，單體電壓檢測模塊實(shí)時(shí)采集電池小模塊正負(fù)極端的電壓值，傳遞給譯碼及編碼模塊編碼后，通過1553B接口電路及CPU電路將編碼值傳給星務(wù)通信系統(tǒng)，即可實(shí)時(shí)檢測鋰離子蓄電池組各個(gè)小模塊電壓值；當(dāng)某節(jié)電池小模塊的電壓值達(dá)到某一最大值時(shí)，即需要對(duì)電壓較高的電池小模塊進(jìn)行分流均衡，保護(hù)其不過充電。分流的方式為接收星務(wù)系統(tǒng)下傳指令信號(hào)給1553B接口電路及CPU電路，經(jīng)譯碼及編碼模塊譯碼后，將指令傳遞給均衡開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路，發(fā)出均衡開關(guān)指令閉合2個(gè)均衡開關(guān)，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池小模塊的均衡功能。均衡分流后，當(dāng)該節(jié)電池小模塊的電壓值低于設(shè)定的最大值時(shí)，星務(wù)通信系統(tǒng)按上述指令發(fā)送方法給均衡開關(guān)發(fā)送斷開指令，斷開2個(gè)均衡開關(guān)。均衡開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路中的狀態(tài)遙測電路可以實(shí)時(shí)的均衡開關(guān)的狀態(tài)檢測至IJ，通過譯碼及編碼模塊編碼后，由1553B接口電路及CPU電路傳遞給星務(wù)系統(tǒng)，用以對(duì)均衡開啟狀態(tài)予以判斷；
[0022]在鋰離子蓄電池組循環(huán)充放電過程中，電池小模塊的性能會(huì)衰減或者變差，當(dāng)星務(wù)通信系統(tǒng)通過電池電源檢測模塊檢測到某一電池小模塊正負(fù)極端電壓在充電時(shí)明顯高于其他電池小模塊，且無法通過均衡分流方式予以糾正，或放電過程中電池小模塊電壓明顯低于其他電池小模塊電壓，存在著過放電的可能時(shí)，星務(wù)通信系統(tǒng)下傳指令信號(hào)給1553B接口電路及CPU電路，經(jīng)譯碼及編碼模塊譯碼后，將指令傳遞給旁路開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路，發(fā)出旁路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)開關(guān)指令，閉合3個(gè)驅(qū)動(dòng)開關(guān)，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池小模塊的旁路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)，切除故障電池小模塊。故障單體切除后，星務(wù)通信系統(tǒng)按上述指令發(fā)送方法給驅(qū)動(dòng)開關(guān)發(fā)送斷開指令，斷開3個(gè)驅(qū)動(dòng)開關(guān)；為了可靠性方面考慮，驅(qū)動(dòng)開關(guān)中的兩個(gè)開關(guān)接受來自星上的直接指令用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)通斷控制，旁路開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路中的狀態(tài)遙測電路檢測驅(qū)動(dòng)開關(guān)的狀態(tài)，通過譯碼及編碼模塊編碼后，由1553B接口電路及CPU電路傳遞給星務(wù)系統(tǒng)，用以旁路開關(guān)工作狀態(tài)予以判斷；上述即實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰離子蓄電池組的每節(jié)單體進(jìn)行監(jiān)視和管理；
[0023]DC/DC變換器通過鋰離子蓄電池本身作為一次供電輸入，二次供電輸出給管理單元內(nèi)的芯片和元器件提供供電。
[0024]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn):
[0025]充分繼承了鋰電池管理單元的單體電壓采集技術(shù)和均衡分流技術(shù)，并創(chuàng)造性的將旁路開關(guān)控制納入管理單元內(nèi)，將鋰離子蓄電池組和管理單元集成在一體，同時(shí)由蓄電池組統(tǒng)一為管理單元供電，與星務(wù)僅通過1553B單一接口通信，且在星務(wù)計(jì)算機(jī)托管的情況下，管理單元可自主對(duì)蓄電池組進(jìn)行管理；同時(shí)因該種設(shè)計(jì)，可以使得管理單元硬件部分靠近蓄電池本體，極大的縮短與蓄電池之間的互聯(lián)線，極大的簡化了設(shè)備間的接口，同時(shí)減輕蓄電池組及管理單元的重量，大大提高鋰離子電池的比能量。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明的流程框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]如圖1所示，本發(fā)明鋰離子蓄電池與管理單元集成系統(tǒng)包括:鋰離子蓄電池組1和管理單元2，其中管理單元包括電池電壓檢測模塊21、均衡開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路22、旁路開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路23、譯碼及編碼模塊24、1553B接口電路及CPU電路25、DC/DC變換器26，鋰離子蓄電池組與管理單元集成為一體；
[0028]鋰離子蓄電池組有多節(jié)電池小模塊串聯(lián)而成，每節(jié)電池小模塊正極端和負(fù)極端分別通過連接至電池電源檢測模塊；為了實(shí)現(xiàn)均衡分流，采用一個(gè)電阻R1和2個(gè)均衡開關(guān)K1和K2串聯(lián)后，并聯(lián)于每節(jié)電池小模塊正極端和負(fù)極端；另外為保證鋰離子蓄電池組的安全性，防止鋰離子蓄電池組開路或短路，在每節(jié)電池小模塊上串聯(lián)旁路開關(guān)T1-T2-T3 ;旁路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)S通過鋰離子蓄電池組提供功率驅(qū)動(dòng)，由鋰離子蓄電池組正極端到旁路開關(guān)驅(qū)動(dòng)端，再到鋰離子蓄電池組負(fù)極端形成驅(qū)動(dòng)通路，驅(qū)動(dòng)通路上通過旁路開關(guān)的3個(gè)驅(qū)動(dòng)開關(guān)Ka、Kb和Kc控制通斷；
[0029]電池電壓檢測模塊21，為常用的鋰離子蓄電池電阻式分壓采樣電路，將檢查到的每節(jié)電池小模塊的電壓值傳遞給譯碼及編碼模塊24 ;
[0030]均衡開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路22中的均衡開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路接收譯碼及編碼模塊24指令信號(hào)，發(fā)出均衡開關(guān)通斷指令，用于實(shí)現(xiàn)均衡開關(guān)K1和K2通斷控制；均衡開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路22中的狀態(tài)遙測電路檢測均衡開關(guān)K1和K2的狀態(tài)，即均衡狀態(tài)，將狀態(tài)檢測結(jié)果輸出至譯碼及編碼模塊24 ;
[0031]旁路開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路23中的旁路開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路接收譯碼及編碼模塊24指令信號(hào)，發(fā)出旁路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)開關(guān)Ka、Kb和Kc通斷指令，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)旁路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)開關(guān)Ka、Kb和Kc通斷控制；旁路開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路23中狀態(tài)遙測電路檢測旁路開關(guān)的狀態(tài)，將狀態(tài)檢測結(jié)果輸出值譯碼及編碼模塊24 ;
[0032]譯碼及編碼模塊24，將1553B接口電路及CPU電路25接收到的信號(hào)進(jìn)行編碼譯碼后送至電池電壓檢查模塊21、均衡開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路22和旁路開關(guān)驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)遙測電路23 ；
[0033]1553B接口電路及CPU電路15，實(shí)現(xiàn)與星務(wù)通信系統(tǒng)通信27 ；
[0034]DC/DC變換器26為管理單元內(nèi)各個(gè)用電模塊提供二次供電。
[0035]鋰離子蓄電池組由11節(jié)電池小模塊11串聯(lián)，每節(jié)電池小模塊由1?5個(gè)單體電池并聯(lián)而成。
[0036]為了安全性考慮，均衡開關(guān)