一種空間鋰離子蓄電池組均衡裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種空間裡離子蓄電池組均衡裝置，屬于電池管理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 裡離子蓄電池具有高的重量/體積比能量，可W提高衛(wèi)星平臺的載荷比，降低發(fā) 射成本，同時裡離子蓄電池具有熱效應(yīng)小、自放電小和易于模塊化等優(yōu)點(diǎn)，在航天領(lǐng)域應(yīng)用 優(yōu)勢明顯，正成為繼儒儀和氨儀電池之后第=代航天用儲能電源。
[0003] 然而，裡離子蓄電池在長期充放電循環(huán)后，由于各單體自放電率、內(nèi)阻、容量衰降 率等存在差異，使電池組各單體荷電量差異也越來越大，呈發(fā)散趨勢，容易造成電池組單體 電池間性能離散型加大，從而導(dǎo)致整組電池壽命縮短，甚至失效。因此針對高軌衛(wèi)星用長壽 命裡離子蓄電池，需要采用均衡充電技術(shù)，保證單體電壓的一致性。
[0004] 空間裡離子蓄電池均衡技術(shù)，受元器件、原材料、抗福照要求的限制，技術(shù)還未達(dá) 到成熟，目前存在多種均衡方式，典型的包括E3000平臺上應(yīng)用的單體壓差控制恒定電阻 均衡電路和Boeing702平臺上應(yīng)用的DC-DC變換器非耗散型均衡充電技術(shù)，前者雖然硬件 結(jié)構(gòu)簡單，然而運(yùn)種均衡方案無自主管理，由整星星載軟件提供集中控制，星載軟件復(fù)雜。 后者屬于能量非耗散型均衡方式，能量損耗小，然而電路結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，對器件一致性要求 較高。因此，如何采用一種簡單實(shí)用的電路實(shí)現(xiàn)電池的自主均衡控制，簡化星載軟件，同時 提高均衡的可靠性，成為一個新的研究課題。

【發(fā)明內(nèi)容】
陽0化]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型的空間裡離子蓄電池組均 衡管理方法，能夠應(yīng)用于衛(wèi)星裡離子蓄電池組，均衡管理實(shí)現(xiàn)裡離子蓄電池組的自主均衡 控制，并且利用單體電壓實(shí)現(xiàn)單體獨(dú)立控制。
[0006] 本發(fā)明目的通過如下技術(shù)方案予W實(shí)現(xiàn)：
[0007] 提供一種空間裡離子蓄電池組均衡裝置，所述蓄電池組包括多個串聯(lián)的蓄電池單 體，每個蓄電池單體并聯(lián)連接一個均衡裝置；均衡裝置包括闊值比較電路、電流反饋電路、 壓控電流源電路、限流電路和主功率電路；
[0008] 所述闊值比較電路比較蓄電池單體的電壓與第一闊值電壓，當(dāng)蓄電池單體的電壓 高于第一闊值電壓時，輸出第一驅(qū)動電流至主功率電路的第一控制端；
[0009] 所述電流反饋電路對主功率電路輸出的均衡電流采樣，對采樣電流處理后，輸出 反饋電壓至壓控電流源電路的反饋輸入端；
[0010] 所述壓控電流源電路包括第一比較電路和PI調(diào)節(jié)電路，第一比較電路比較蓄電 池單體的電壓與第一闊值電壓，當(dāng)蓄電池單體的電壓大于第一闊值電壓時，輸出第一電壓 至PI調(diào)節(jié)電路的第一輸入端；PI調(diào)節(jié)電路通過調(diào)節(jié)降低兩個輸入端的輸入電壓差值，PI調(diào) 節(jié)電路的第一輸入端輸入第一電壓，PI調(diào)節(jié)電路的第二輸入端作為壓控電流源電路的反饋 輸入端，PI調(diào)節(jié)電路輸出第二電壓至限流電路；
[0011] 所述限流電路輸入第二電壓，輸出與第二電壓對應(yīng)的第二驅(qū)動電流，并限制第二 驅(qū)動電流的最大值，第二驅(qū)動電流輸出至主功率電路的第二控制端；
[0012] 所述主功率電路包括第一達(dá)林頓管和第二達(dá)林頓管，第一達(dá)林頓管的控制端為主 功率電路的第一控制端，第二達(dá)林頓管的控制端為主功率電路的第二控制端；第一達(dá)林頓 管的集電極端連接電池單體的正輸出端，射極連接泄放電阻的一端，泄放電阻的另一端連 接第二達(dá)林頓管的集電極，第二達(dá)林頓管的輸出端輸出均衡電流，第二達(dá)林頓管的輸出端 經(jīng)反饋電阻連接電池單體的負(fù)輸出端。
[0013] 優(yōu)選的，第一闊值電壓的取值為4. 0~4. IV，對應(yīng)電池單體的荷電狀態(tài)為90%~ 100%。
[0014] 優(yōu)選的，當(dāng)電池單體輸出電壓值小于第一闊值電壓時第一達(dá)林頓管和第二達(dá)林頓 管均處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)電池單體輸出電壓值大于第一闊值電壓時，第一達(dá)林頓管處于飽和 狀態(tài)，第二達(dá)林頓管處于線性放大狀態(tài)。
[0015] 優(yōu)選的，PI調(diào)節(jié)電路為比例積分電路。
[0016] 優(yōu)選的，所述電流反饋電路包括串聯(lián)連接的射極跟隨電路和放大電路。
[0017] 優(yōu)選的，還包括第一闊值電壓生成電路，輸出第一闊值電壓。
[0018] 優(yōu)選的，所述限流電路包括第五電阻、第六電阻、第屯電阻，穩(wěn)壓管，所述第五電阻 和第六電阻串聯(lián)連接在PI調(diào)節(jié)電路的輸出端和電池單體的負(fù)輸出端；所述第屯電阻的一 端連接至所述第五電阻和第六電阻的公共端，另一端作為所述限流電路的輸出端，輸出第 二驅(qū)動電流；所述穩(wěn)壓管的正極連接電池單體的負(fù)輸出端，穩(wěn)壓管的正極連接PI調(diào)節(jié)電路 的輸出端。
[0019] 優(yōu)選的，均衡電流的最大值為 其中Udzi為穩(wěn)壓管 , 的穩(wěn)壓電壓值，Uee為達(dá)林頓管發(fā)射結(jié)壓降，0為第二達(dá)林頓管的放大倍數(shù)，R5第五電阻的 阻值、R6為第六電阻的阻值、R7為第屯電阻的阻值。
[0020] 優(yōu)選的，電池單體輸出電壓的上限值V2的取值小于電池單體的安全電壓值。
[0021] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0022] (1)本發(fā)明均衡管理方法采用完全自主的全硬件均衡控制方案，不依賴星載軟件， 無需控制忍片，并且利用單體電壓進(jìn)行獨(dú)立控制，無需對單體電壓之間進(jìn)行比較，大大簡化 了控制復(fù)雜程度。一定程度上減少了系統(tǒng)重量，提高了可靠性。
[0023] (2)本發(fā)明通過電路設(shè)計及理論分析，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)種新型的均衡管理方法。仿真及試 驗結(jié)果驗證了均衡方法的可實(shí)現(xiàn)性和有效性，為工程實(shí)際應(yīng)用提供參考和借鑒。
[0024] 做本發(fā)明采用線性調(diào)節(jié)，閉環(huán)調(diào)節(jié)，電路簡單可靠，控制精度高。
[00對 （4)本發(fā)明的均衡管理裝置具有小型化、模塊化和通用化的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)于高中 低不同軌道衛(wèi)星應(yīng)用場合。
[00%] (5)本發(fā)明采用兩個達(dá)林頓管串聯(lián)的功率電路，電路上進(jìn)行了可靠性冗余設(shè)計，防 止一只管子短路導(dǎo)致蓄電池單體出現(xiàn)持續(xù)大電流均衡的情況。即使一只功率管發(fā)生短路故 障，另外一只功率管仍能工作，不影響整個電路的均衡分流功能。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明的單體電壓與均衡電流線性變化曲線圖示意圖；
[0028] 圖2為本發(fā)明的蓄電池組與能源管理系統(tǒng)接口圖；
[0029] 圖3為本發(fā)明的線性均衡電路與電池組電路連接圖；
[0030] 圖4為本發(fā)明的線性均衡電路原理框圖；
[0031] 圖5為本發(fā)明的主功率電路圖；
[0032] 圖6為本發(fā)明的壓控電流源閉環(huán)控制原理框圖；
[0033] 圖7為本發(fā)明的壓控電流源及限流電路原理圖；
[0034] 圖8為本發(fā)明的電流反饋處理電路原理圖；
[0035] 圖9為本發(fā)明的闊值比較電路原理圖；
[0036] 圖10為本發(fā)明的第一闊值電壓生成電路原理圖；
[0037] 圖11為本發(fā)明的線性均衡電路仿真結(jié)果；
[0038] 圖12為本發(fā)明的蓄電池單體戴維南等效電路模型；
[0039] 圖13為本發(fā)明的地影期充放電管理邏輯框圖；
[0040] 圖14為本發(fā)明的單體電壓與充放電電流仿真結(jié)果；
[0041] 圖15為本發(fā)明的地面試驗結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 裡離子蓄電池單體電壓與荷電態(tài)具有很好的線性關(guān)系，同一組蓄電池中，電壓越 高的單體，其荷電態(tài)偏離平均值越大，因此需要的均衡電流越大。本發(fā)明采用的均衡管理方 法是一種線性均衡方式，采用如圖1所示單體電壓與均衡電流線性變化的方式，即壓控電 流源的方式，實(shí)現(xiàn)裡離子蓄電池組的快速均衡。圖中Vl為開啟闊值電壓，V2為飽和闊值電 壓，Imax為最大均衡電流。
[0043] 每個電池單體可W包括一個或多個并聯(lián)單元，如圖3所示為3個并聯(lián)單元。為了 實(shí)現(xiàn)對每個電池單體電壓的獨(dú)立均衡控制，在每個電池單體旁并聯(lián)一個完全相同的線性均 衡電路，如圖2、3所示，在充電結(jié)束末期，當(dāng)單體電壓超過開啟闊值電壓VI，均衡電路開啟， 單體電壓越高，均衡電流越大，從而將每并單體電壓維持在開啟闊值電壓，實(shí)現(xiàn)單體電壓的 一致性。 W44] 線性均衡電路主要由主功率電路、壓控電流源電路、電流反饋電路W及闊值比較 電路，如圖4所示。
[0045] 1、線性均衡電路的實(shí)現(xiàn)
[0046] 線性均衡電路原理框圖如圖4所示，由主功率電路、壓控電流源電路、電流反饋電 路W及闊值比較電路共四部分電路構(gòu)成。
[0047] 主功率電路由兩個完全相同的達(dá)林頓管和一個泄放電阻串聯(lián)構(gòu)成，為電池單體提 供均衡電流通路。主功率回路上串聯(lián)一個采樣電阻，均衡電流采樣后由電流反饋電路進(jìn)行 濾波放大，得到的反饋信號輸入到壓控電流源。壓控電流源是整個線性均衡電路的核屯、部 分，采用均衡電流閉環(huán)控制方式，當(dāng)單體電壓超過開啟闊值電壓，保證兩者壓差與均衡電流 成線性關(guān)系。限流電路通過穩(wěn)壓二極管限制驅(qū)動電壓幅值，從而限制最大均衡電流值，當(dāng)單 體電壓超過飽和闊值電壓時，保證均衡電流維持最大電流。闊值比較電路采用運(yùn)放比較方 式，實(shí)現(xiàn)當(dāng)單體電壓小于開啟闊值電壓時，=極管Ql截止，均衡電流為零，當(dāng)單體電壓達(dá)到 開啟闊值電壓時，=極管Ql導(dǎo)通，并進(jìn)入飽和狀態(tài)，均衡電流開啟。 引 2、線性均衡電路工作原理
[0049]線性均衡電路實(shí)現(xiàn)單體電壓與均衡電流滿足圖1曲線關(guān)系，其基本工作原理如 下：當(dāng)單體電壓小于開啟闊值電壓時，=極管截止，均衡電流為0,當(dāng)單體電壓達(dá)到開啟闊 值電壓時，電路工作在壓控電流源方式，即兩者壓差與均衡電流成線性關(guān)系，單體電壓越 高，均衡電流越大，當(dāng)單體電壓達(dá)到飽和闊值電壓，通過限流方式，將均衡電流維持在最大 值。
[0050] 3、各部分電路具體實(shí)現(xiàn)
[00川線性均衡電路由主功率電路、壓控電流源電路、電流反饋電路W及闊值比較電路 共四部分電路構(gòu)成。
[0052] 3. 1主功率電路
[0053]主功率管采用兩個NPN S極管構(gòu)成達(dá)林頓管，后一級S極管集電極通流能力應(yīng)該 滿足最大均衡電流需求，前一級=極管集電極通流能力應(yīng)該滿足后一級=極管基極驅(qū)動電 流需求，兩個達(dá)林頓管應(yīng)該選取合適的放大倍數(shù)，適應(yīng)前級電流驅(qū)動能力。
[0054]為了防止一只管子短路導(dǎo)致蓄電池單體出現(xiàn)持續(xù)大電流均衡的情況，采用兩只達(dá) 林頓管Ql和Q2串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，如圖5所示，兩只功率管分別進(jìn)行獨(dú)立控制。當(dāng)電池單體輸出 電壓值Vcell小于Vl時第一達(dá)林頓管Ql和第二達(dá)林頓管Q2均處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)電池單體 輸出電壓值Vcell大于Vl時，第一達(dá)林頓管Ql處于飽和狀態(tài)，第二達(dá)林頓管Q2處于線性