CN102324583B - 基于s3r的锂离子蓄电池组充电方法 - Google Patents

Abstract

基于S3R的锂离子蓄电池组充电方法，是在原有S3R系统BCR恒流充电的基础上，增加恒压充电基准，同时为解决大电流充电的问题，直接将部分太阳电池分阵引入对蓄电池组进行充电。在需要大电流充电时，由直接引入的太阳电池分阵和BCR组合成大电流恒流充电模式，其中BCR负责充电电流大小的精确调整。在充电达到恒压段时，BEA接替D/A控制将BCR转为恒压控制，充电电流逐渐减小，在不需要大电流充电时，快速充电阵由BEA控制信号断开，在检测到太阳阵电流有富裕且充电电流小于一定值时，表明蓄电池已充满，将D/A输出置为0，停止充电。采用本发明方法可以满足低轨卫星锂离子蓄电池组大电流恒流恒压充电控制的需求。

Description

基于S3R的锂离子蓄电池组充电方法

技术领域

本发明涉及一种锂离子蓄电池组的充电方法。

背景技术

采用S3R调节技术的设计思想在1977年第三届ESA空间能源会议上被提出并引起极大反响，目前S3R调节技术在国际国内普遍采用。

在S3R系统中，所有分阵的能量不是供到母线上，就是被对地分流，分阵能量不能直接用于蓄电池的充电。由于所有能量全部上母线，充电能量必须从母线上提取并且不能影响母线的稳定，因此引入了BCR(充电调节器)充电调节技术。BCR挂接在母线上，充电电流基准由硬件设定或通过D/A信号设定(即软件上注的方式，便于在轨调整充电电流)，采样充电电流与基准进行比较形成稳定的恒流充电控制系统，以降压开关形式为蓄电池恒流充电。目前，充电调节器的功率一般都被限制在几百瓦以内，同时由于BCR属于降压型开关电源，需要储能电感和滤波单元，这使得充电调节器的重量和功耗都较大。在当前的技术条件下，充电调节器每瓦重量大概为7g/W，其成本与总重量成正比，同时变换器效率很难超过95％。

当卫星对电源系统功率需求较高时，充电电流要求成倍增加，S3R拓扑就表现出一定的不足。这是因为大功率的充电调节器的需求会使得电源系统重量、成本和效率受到影响。尤其是对于低轨道卫星普遍采用的28V低压母线，蓄电池组充电电压与母线电压的压差只有1.8V左右，单纯靠BCR输出大电流产生的母线反射纹波较大，极易引起电磁兼容问题。

随着低轨卫星寿命和功率的增加，对蓄电池的容量要求越来越高，同时对体积重量也有严格的限制，锂离子蓄电池以其高比能量的优势成为未来长寿命卫星储能电源的最佳选择。随着锂离子蓄电池在航天领域应用需求的不断增加，针对锂离子蓄电池的充电管理需要同步发展。

锂离子蓄电池的充电管理相比镉镍、氢镍电池更为复杂，后者仅需要进行恒流充电，而前者需要恒流转恒压充电，而且由于电池耐过充能力差，要求充电控制具有极高的可靠性，并具有安全保护控制措施。传统的S3R系统中BCR仅具有恒流充电能力，无法满足低轨卫星锂离子蓄电池大电流恒流恒压充电控制的需求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于S3R拓扑的锂离子蓄电池组充电方法，可以满足低轨卫星锂离子蓄电池组大电流恒流恒压充电控制的需求。

本发明的技术解决方案是：基于S3R的锂离子蓄电池组充电方法，步骤为：

(1)将N个太阳电池分阵的输出直接送至卫星母线，同时，对于每一个太阳电池分阵分别配置一个分流开关管，分流开关管串接在太阳电池分阵的输出端和地线之间，分流开关管的状态受MEA信号的控制；所述MEA信号为母线实际电压与母线额定电压之间的误差信号，MEA信号值根据母线电压的高低分为分流区间、充电区间和放电区间；

(2)在第N个太阳电池分阵的输出端和锂离子蓄电池组之间串接一个充电开关管，所述充电开关管的状态受BEA信号和MEA信号的轮流控制；所述的BEA信号为锂离子蓄电池组额定电压与实际电压之间的误差信号，锂离子蓄电池组电压越高，对应的BEA信号值越低；所述的第N个太阳电池分阵为在MEA信号控制下最后进入分流的太阳电池分阵；

(3)将充电调节器串接在卫星母线与锂离子蓄电池组之间，充电调节器受MEA信号、D/A信号、BEA信号中的最小值控制，所述的D/A信号为恒流充电电流基准信号，D/A信号为从MEA信号充电区间中选取的固定值；

(4)当MEA信号值位于放电区间时，锂离子蓄电池组处于放电状态，充电开关管导通；当MEA信号值位于充电区间时，充电调节器受MEA控制以太阳阵输出电流满足负载电流以外的多余电流给锂离子蓄电池充电；当MEA信号值逐渐升高并超过设定的D/A信号值时，在充电调节器控制下以设定的D/A信号值为基准对锂离子蓄电池组进行恒流充电；当锂离子蓄电池组电压逐渐升高，BEA信号值小于D/A信号值时，蓄电池组由恒流充电转换为恒压充电；当充电电流减小到充电调节器能够独立提供的电流值时，充电开关管受BEA信号控制截止，蓄电池组充电完成后将D/A信号值置0，停止充电；当MEA信号值升高至分流区间时，各分流开关管顺序投入工作。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法对现有的S3R系统拓扑结构进行了改进，直接将部分太阳电池分阵引入蓄电池作为快速充电阵，与BCR的充电电流组合形成大的充电电流。同时，BCR充电电流基准在原有D/A和MEA信号的基础上，增加反映蓄电池电压状态的BEA信号，三个信号中较低的起控制作用。在恒流充电阶段，充电电流基准信号为D/A和MEA中较低的信号；在恒压充电阶段，充电电流基准信号改为BEA信号，快速充电阵的接入与断开分别受MEA信号和BEA信号的控制，从而实现了基于现有S3R系统的锂离子蓄电池大电流恒流恒压充电控制。

附图说明

图1为S3R系统原理图；

图2为本发明方法的原理框图。

具体实施方式

S3R(Sequential Switching Shunt ReguIator)系统原理如图1所示，它通常由分流调节器(SR)、充电调节器(BCR)和放电调节器(BDR)、主误差放大器(MEA)组成，其基本原理是将分流调节器、充电调节器和放电调节器通过一个三域控制器控制，为用户提供全调节母线电压。三域控制器中集成了来自同一个参考电压的反馈系统和主误差放大器，主误差放大器是母线电压与固定参考电压的差值，反映母线电压的高低，母线电压越高，MEA的电压也就越高。将MEA电压(0～5V)划分为三段，分别为分流调节域、充电调节域和放电调节域，其对应的MEA电压顺序降低。例如3V～5V对应分流调节域、1.3V～2.3V对应充电调节域，0V～1V对应放电调节域，三域之间留有死区，以保持控制的稳定性。在太阳电池阵能量不足时，母线电压较低，对应MEA电压低于1V，整个系统工作于放电域(此时不存在充电问题)；在太阳阵能量满足负载需求外仍有富裕时，母线电压升高，对应MEA电压高于1.3V时，允许BCR从母线提取能量为蓄电池充电，系统工作于充电域；若太阳阵能量在满足负载用电和蓄电池充电后仍有富裕，母线电压继续升高，对应MEA电压高于3V时，分流调节器从第一级开始顺序投入工作，系统工作于分流域；为了保持高效率，三域均工作在开关调节方式。

S3R的设计思想是直接从太阳电池阵向用户传递功率，由MEA信号根据需求情况统一进行分配，首先满足负载供电，剩余功率用于充电，再富裕的功率被分流，从而获得电压稳定的一次母线，并将分流的功率向空间辐射。S3R的另一个设计目标是保证能量传递在整个寿命期间可靠和对母线造成的噪声最小。为了达到这些目标，将太阳电池阵分为N个独立的分阵，每个分阵通过一个分流功率管Qn连接到地，并通过二极管Dn连接到母线，在分流功率管导通时，该太阳电池分阵能量被对地分流，而在分流功率管截止时，该太阳电池分阵能量通过二极管传递到母线。每级太阳电池分阵的分流基准电压按顺序设置，在MEA信号的驱动下，当母线电压较高时，第一级分流功率管由截止区进入开关状态，随着母线电压继续升高，分流功率管由开关状态进入饱和区，此时，与其相关的太阳电池分阵的电压变为分流功率管的饱和压降，该级太阳电池分阵停止输出电功率。随着母线电压的继续升高，第二级以同样的方式投入工作，根据母线电压的变化，分流调节模块随之调整，其稳定状态是只有一级分流功率管处于开关状态，其他各级分流功率管工作于饱和导通或截止状态，从而减少对母线的干扰。

由于所有能量全部上母线，充电能量必须从母线上提取并且不能影响母线的稳定，因此需要BCR充电调节技术。BCR挂接在母线上，从母线上取电按设定的充电电流为蓄电池组充电。在MEA信号高于1.3V时，表明有富裕的功率为蓄电池充电，BCR的充电电流基准为D/A信号和MEA信号中的较低值。通常D/A信号为固定值，该固定值的大小位于充电调节域数值区间，例如1.3V、2.3V，或者1.3V与2.3V之间的任意固定值。控制电路采样实际充电电流与基准值进行比较，其误差信号用于控制BCR中功率开关管的导通占空比，使得实际充电电流与基准值相符，形成稳定的恒流充电控制系统，以降压开关形式为蓄电池恒流充电。

为适应锂离子蓄电池的大电流恒流恒压充电需求，BCR在原有恒流充电的基础上增加恒压充电基准，且在需要大电流充电时直接引入部分太阳电池分阵(即快速充电阵)电流形成与BCR的组合充电模式，可以在原有的BCR基础上提高能力，同时保持母线稳定。

在S3R系统中，太阳电池阵被分为N个独立的分阵，每个分阵通过一个分流开关连接到地，并通过二极管网络连接到母线。如图2所示，在本发明中，将N个独立太阳电池分阵中的最高级分阵(即第N级分阵)还通过隔离二极管和充电开关管直接连接到蓄电池组，使得该级太阳电池分阵的能量在充电开关管导通时，不经调节直接给蓄电池组充电。这样，快速充电阵电流与BCR的输出电流组合形成大的充电电流，其中BCR挂接在母线上，负责充电电流的精确调节，保证总的输出电流恒定，在不需要大电流充电时，快速充电阵与蓄电池组相连的充电开关管截止，快速充电阵退出充电，与其它太阳电池分阵一起，接受MEA信号的控制，保持母线电压的稳定，充电电流完全由BCR提供，回到传统的S3R系统状态。

锂离子蓄电池遵循先恒流再恒压的充电原则，传统的S3R系统BCR具备恒流充电能力。如图2所示，在此设置BCR的恒流充电电流基准信号D/A为2.3V，本发明中，为BCR引入恒压充电基准信号BEA，BEA信号为基准电压与蓄电池组电压的差值，该信号与蓄电池组电压呈反向变化，在电池组处于恒流充电段电压较低时，BEA信号较高，而在电池组接近充满达到恒压段时，BEA信号较低，例如可以选取其取值区间为0～5V。当锂离子蓄电池组经过恒流充电，电压上升到恒压段设定值2.3V(即BEA信号低于2.3V)时转为恒压充电，BCR工作由D/A控制下的恒流充电模式转为BEA控制下的恒压充电模式，由BEA控制BCR的充电电流，维持锂离子蓄电池的电压恒定。BCR受MEA、D/A、BEA三个信号控制，执行谁低谁控制原则。MEA作为能量分配信号，在MEA为低时(低于2.3V)，表明太阳阵能量不足，BCR受MEA控制以太阳阵输出电流满足负载电流以外的多余电流给蓄电池充电；在MEA为高时(高于2.3V)，表明太阳阵能量富裕，BCR受D/A控制以恒流形式充电；当电池组充到恒压值后，此时BEA信号低于D/A信号，BCR受BEA控制，为维持电池电压的恒定，BEA信号逐步降低，充电电流逐步降低，当充电电流减小到BCR能够独立提供的电流值时(例如此时对应BEA值为1.9V)，快速充电阵被BEA信号断开，由BCR独立完成充电，当蓄电池已充满时结束充电。快速充电阵的再次接入受MEA信号控制，当MEA低于1V时表明蓄电池有放电，快速充电阵的充电开关管被接通，在满足充电条件即MEA高于1.3V时开始新一轮充电。

在蓄电池组电压未达到恒压段设定值而处于恒流充电时，BEA信号高于2.3V，BCR充电电流由D/A信号和MEA信号中较低的信号控制。在太阳电池阵能量富裕时，MEA信号高于3V，BCR充电电流由D/A信号决定，按照D/A基准值的大小，采样蓄电池实际充电电流，与基准值进行比较，通过BCR的闭环反馈调节，输出恒定的充电电流；在大功率用电负载开机太阳电池阵不能提供足够的充电电流时，MEA信号低于2.3V，BCR充电电流由MEA信号决定，首先保证负载用电，剩余的电流用于充电。

在电池组恒流充电过程中，BEA信号逐渐降低，当电池组电压达到恒压段的设定值时，BEA信号低于2.3V，低于D/A信号，此时BCR接受BEA信号的控制，为维持电池电压的恒定，BEA值逐渐减小，BCR充电电流控制值逐渐被拉低，充电电流逐渐减小，当在能量富裕蓄电池已充满时(例如设置条件太阳阵电流-负载电流≥0.06C且充电电流≤0.03C且持续时间≥30s，C为蓄电池组容量)，将D/A输出信号置为0，充电电流降为0，结束充电。

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。

Claims (1)

1.基于S3R的锂离子蓄电池组充电方法，其特征在于步骤如下：

(1)将N个太阳电池分阵的输出直接送至卫星母线，同时，对于每一个太阳电池分阵分别配置一个分流开关管，分流开关管串接在太阳电池分阵的输出端和地线之间，分流开关管的状态受MEA信号的控制；所述MEA信号为母线实际电压与母线额定电压之间的误差信号，MEA信号值根据母线实际电压的高低分为分流区间、充电区间和放电区间；

(2)在第N个太阳电池分阵的输出端和锂离子蓄电池组之间串接一个充电开关管，所述充电开关管的状态受BEA信号和MEA信号的轮流控制；所述的BEA信号为锂离子蓄电池组额定电压与实际电压之间的误差信号，锂离子蓄电池组实际电压越高，对应的BEA信号值越低；所述的第N个太阳电池分阵为在MEA信号控制下最后进入分流的太阳电池分阵；

(3)将充电调节器串接在卫星母线与锂离子蓄电池组之间，充电调节器受MEA信号、D/A信号、BEA信号中的最小值控制，所述的D/A信号为恒流充电电流基准信号，D/A信号为从MEA信号充电区间中选取的固定值；

(4)当MEA信号值位于放电区间时，锂离子蓄电池组处于放电状态，充电开关管导通；当MEA信号值位于充电区间时，充电调节器受MEA控制以太阳阵输出电流满足负载电流以外的多余电流给锂离子蓄电池充电；当MEA信号值逐渐升高并超过设定的D/A信号值时，在充电调节器控制下以设定的D/A信号值为基准对锂离子蓄电池组进行恒流充电；当锂离子蓄电池组电压逐渐升高，BEA信号值小于D/A信号值时，蓄电池组由恒流充电转换为恒压充电；当充电电流减小到充电调节器能够独立提供的电流值时，充电开关管受BEA信号控制截止，蓄电池组充电完成后将D/A信号值置0，停止充电；当MEA信号值升高至分流区间时，各分流开关管顺序投入工作。

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