CN102882251B - 锂离子蓄电池组充电反馈控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锂离子蓄电池组充电反馈控制系统及其控制方法，所述系统包括蓄电池组电压采样电路、蓄电池单体电压采样电路、比较电路、蓄电池单体反馈开关、第一二极管和第二二级管；所述蓄电池组电压采样电路采集蓄电池组的电压作为整组充电电压反馈输出；所述蓄电池单体电压采样电路采集对应蓄电池单体的电压；所述比较电路比较各个蓄电池单体的电压，并取最大的蓄电池单体电压作为单体充电电压反馈输出；所述蓄电池单体反馈开关分别与所述比较电路和航天器控制系统连接，所述第一二极管的输入端与所述蓄电池单体反馈开关连接，所述第二二极管的输入端与所述蓄电池组电压采样电路连接，所述第一二极管及第二二极管的输出端均与充电电路连接。

Description

锂离子蓄电池组充电反馈控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及航天电源控制技术领域，具体涉及一种锂离子蓄电池组充电反馈控制系统及其控制方法。

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。

正确合理地使用锂离子蓄电池组，可以有效延长锂离子蓄电池的使用寿命，防止安全事故的发生。锂离子电池与镉镍、氢镍蓄电池相比，有一个最大的不同点：锂离子蓄电池严禁过充电，深度过充会导致电池内部有机电解液分解成气体，蓄电池发热，蓄电池壳体变形，甚至壳体爆裂。通常采用电子线路来保证锂离子蓄电池的充电终压始终限定在规定的范围内，以避免充电电压过大对锂离子蓄电池造成不可恢复的损害。因此必须设计专门的充电管理电路来控制卫星锂离子蓄电池的充电过程。目前卫星用锂离子蓄电池的充电控制多采用卫星电源系统下位机程序实现，其充电控制过程复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子蓄电池组充电反馈控制系统及其控制方法，电路结构简单、易于工程实现。

为了达到上述的目的，本发明提供一种锂离子蓄电池组充电反馈控制系统，其特征在于，包括蓄电池组电压采样电路、蓄电池单体电压采样电路、比较电路、蓄电池单体反馈开关、第一二极管和第二二级管；所述蓄电池组电压采样电路与蓄电池组的正、负极连接，采集蓄电池组的电压作为整组充电电压反馈输出；对于每个蓄电池单体均设置一个蓄电池单体电压采样电路，所述蓄电池单体电压采样电路与对应蓄电池单体的正、负极连接，用于采集对应蓄电池单体的电压；所述比较电路与所述蓄电池单体电压采样电路连接，用于比较各个蓄电池单体的电压，并取最大的蓄电池单体电压作为单体充电电压反馈输出；所述蓄电池单体反馈开关分别与所述比较电路和航天器控制系统连接，航天器控制系统向所述蓄电池单体反馈开关发送单体反馈开关指令，控制所述蓄电池单体反馈开关的通断；所述第一二极管的输入端与所述蓄电池单体反馈开关连接，所述第二二极管的输入端与所述蓄电池组电压采样电路连接，所述第一二极管及第二二极管的输出端均与充电电路连接。

本发明提供的另一技术方案是一种锂离子蓄电池组充电反馈控制方法，采用上述锂离子蓄电池组充电反馈控制系统，包括以下步骤：通过设置蓄电池组电压采样电路和蓄电池单体电压采样电路内各元件参数，使正常工作状态下整组充电电压反馈略小于单体充电电压反馈；在正常工作状态下，所述第二二级管反偏截止，所述第一二级管正向导通，单体充电电压反馈主导充电控制；当单体充电电压反馈出现过高故障时，航天器控制系统向蓄电池单体反馈开关K发送断开指令，蓄电池单体反馈开关断开，使第一二极管反偏截止，第二二极管正向导通，整组充电电压反馈主导充电控制；当有特殊需求时，航天器控制系统向蓄电池单体反馈开关发送导通指令，使蓄电池单体反馈开关切回初始状态；当单体充电电压反馈出现过低故障时，整组充电电压反馈高于单体充电电压反馈，所述第一二级管反偏截止，所述第二二级管正向导通，整组充电电压反馈主导充电控制。

上述锂离子蓄电池组充电反馈控制方法，其中，单体充电电压反馈主导充电控制过程：当单体充电电压反馈小于基准电压时，所述充电电路的脉宽调制电路全脉宽输出，所述充电电路对各个蓄电池单体进行限流充电；当单体充电电压反馈大于基准电压时，所述充电电路的脉宽调制电路输出一定占空比的方波，所述充电电路对各个蓄电池单体进行恒压充电。

上述锂离子蓄电池组充电反馈控制方法，其中，整组充电电压反馈主导充电控制过程：当整组充电电压反馈小于基准电压时，所述充电电路的脉宽调制电路全脉宽输出，所述充电电路对各个蓄电池单体进行限流充电；当整组充电电压反馈大于基准电压时，所述充电电路的脉宽调制电路输出一定占空比的方波，所述充电电路对各个蓄电池单体进行恒压充电。

本发明具有如下技术效果：

1）本发明的锂离子蓄电池组充电反馈控制系统及其控制方法，同时具有锂离子蓄电池单体限压保护及锂离子蓄电池整组限压保护的功能，提高了锂离子蓄电池组充电控制的可靠性；

2）本发明的锂离子蓄电池组充电反馈控制系统及其控制方法，通过电路参数配置使正常工作状态下单体充电电压反馈主导充电控制，即优先执行锂离子蓄电池单体保护；

3）本发明的锂离子蓄电池组充电反馈控制系统及其控制方法，能够实现单体充电电压反馈切除及恢复的功能，避免了蓄电池单体采样电路失效所引起的充电异常情况，进一步提高了充电控制的可靠性；

4）本发明的锂离子蓄电池组充电反馈控制系统及其控制方法，由模拟电路实现锂离子蓄电池充电控制器功能，电路结构简单易实现且可靠性高，克服了由电源系统下位机程序实现充电控制过程复杂的缺点，对卫星用锂离子蓄电池管理具有重要的工程价值。

附图说明

本发明的锂离子蓄电池组充电反馈控制系统及其控制方法由以下的实施例及附图给出。

图1是本发明实施例的锂离子蓄电池组充电反馈控制系统的结构示意图。

图2是本发明中单体充电电压反馈过高故障保护实现过程示意图。

图3是本发明中单体充电电压反馈过低故障保护实现过程示意图。

具体实施方式

以下将结合图1～图3对本发明的锂离子蓄电池组充电反馈控制系统及其控制方法作进一步的详细描述。

参见图1，本实施例的锂离子蓄电池组充电反馈控制系统包括蓄电池组电压采样电路1、蓄电池单体电压采样电路2、比较电路3、蓄电池单体反馈开关K、第一二极管D1和第二二级管D2；

所述蓄电池组电压采样电路1与蓄电池组的正、负极连接，采集蓄电池组的电压作为整组充电电压反馈输出；

对于每个蓄电池单体均设置一个蓄电池单体电压采样电路2，所述蓄电池单体电压采样电路2与对应蓄电池单体的正、负极连接，用于采集对应蓄电池单体的电压；

所述比较电路3与所述蓄电池单体电压采样电路2连接，用于比较各个蓄电池单体的电压，并取最大的蓄电池单体电压作为单体充电电压反馈输出；

所述蓄电池单体反馈开关K分别与所述比较电路3和航天器控制系统（图1中未示）连接，航天器控制系统向所述蓄电池单体反馈开关K发送单体反馈开关指令，可控制所述蓄电池单体反馈开关K的通断；

所述第一二极管D1的输入端与所述蓄电池单体反馈开关K连接，所述第二二极管D2的输入端与所述蓄电池组电压采样电路1连接，所述第一二极管D1及第二二极管D2的输出端均与充电电路4连接。

航天器控制系统可向蓄电池单体反馈开关K发送单体反馈开关控制指令（断开指令或者导通指令），控制蓄电池单体反馈开关K的通断，即单体反馈开关控制指令具有单体充电电压反馈切断与恢复的功能，用于防止蓄电池单体电压采样电路失效。

所述蓄电池组电压采样电路1采集蓄电池组的电压，并输出整组充电电压反馈，各个蓄电池单体电压采样电路2采集对应蓄电池单体的电压并输送给所述比较电路3，所述比较电路3比较各个蓄电池单体的电压，并取最大的蓄电池单体电压作为单体充电电压反馈输出；所述蓄电池单体反馈开关K的初始状态为导通状态，若单体充电电压反馈高于整组充电电压反馈，所述第一二级管D1正向导通，所述第二二级管D2反偏截止，单体充电电压反馈经所述蓄电池单体反馈开关K和第一二级管D1输送给所述充电电路4，由单体充电电压反馈主导充电控制，若整组充电电压反馈高于单体充电电压反馈，所述第一二级管D1反偏截止，所述第二二级管D2正向导通，整组充电电压反馈经所述第二二级管D2输送给所述充电电路4，由整组充电电压反馈主导充电控制；当航天器控制系统向所述蓄电池单体反馈开关K发送断开指令，所述蓄电池单体反馈开关K断开，使所述第一二级管D1反偏截止，所述第二二级管D2正向导通，由整组充电电压反馈主导充电控制；航天器控制系统也可向所述蓄电池单体反馈开关K发送导通指令，使断开的蓄电池单体反馈开关K恢复初始状态。

本实施例中，所述蓄电池组电压采样电路1、蓄电池单体电压采样电路2、比较电路3均采用现有技术。

本实施例的锂离子蓄电池组充电反馈控制方法，采用上述锂离子蓄电池组充电反馈控制系统，包括以下步骤：

1）设置电路参数；

通过设置蓄电池组电压采样电路1和蓄电池单体电压采样电路2内各元件参数（例如分压电阻阻值），使正常工作状态下整组充电电压反馈略小于单体充电电压反馈，即蓄电池组电压采样电路1和蓄电池单体电压采样电路2均通过电阻分压方式对采集的电压进行调节；

例如，蓄电池单体所允许的最大电压为4.1V，蓄电池组包含n个蓄电池单体，蓄电池单体采样电路2通过电阻分压方式将采集的电压调至为2.5V（通过设置电路各元件参数实现），蓄电池组电压采样电路1通过电阻分压方式将采集的电压调至为略低于2.5V（通过设置电路各元件参数实现），使正常工作情况下整组充电电压反馈略小于单体最高充电电压反馈；

2）充电控制方式：

在正常工作状态下，整组充电电压反馈略小于单体充电电压反馈，所述第二二级管D2反偏截止，所述第一二级管D1正向导通，单体充电电压反馈主导充电控制；所述充电电路4采用脉宽调制控制方式，当单体充电电压反馈小于基准电压时，所述充电电路4的脉宽调制电路全脉宽输出，所述充电电路4对各个蓄电池单体进行限流充电；当单体充电电压反馈大于基准电压时，所述充电电路4的脉宽调制电路输出一定占空比的方波，通过所述充电电路4的驱动电路使所述充电电路4的功率管工作在预定的开关状态，所述充电电路4转入恒压充电方式；

本实施例中，基准电压设为2.5V。

本发明的锂离子蓄电池组充电反馈控制系统具备单体充电电压反馈切除及恢复的功能，用于防止蓄电池单体采样电路出现故障。通过FMEA分析，单体采样电路短路故障可能导致单体反馈输出12V或0V，从而出现单体充电电压反馈过高或过低两种故障情况：

当单体充电电压反馈出现过高故障时，航天器控制系统通过遥测信号检测到单体电压反馈信号过高，并向蓄电池单体反馈开关K发送断开指令，蓄电池单体反馈开关K断开，使第一二极管D1反偏截止，此时，整组充电电压反馈高于低电平，使第二二极管D2正向导通，整组充电电压反馈主导充电控制；当整组充电电压反馈小于基准电压时，所述充电电路的脉宽调制电路全脉宽输出，所述充电电路对各个蓄电池单体进行限流充电；当整组充电电压反馈大于基准电压时，所述充电电路的脉宽调制电路输出一定占空比的方波，所述充电电路对各个蓄电池单体进行恒压充电，如图2所示。当有特殊需求时，如蓄电池单体反馈开关断开指令误触发情况下，航天器控制系统向蓄电池单体反馈开关K发送导通指令，使蓄电池单体反馈开关K切回初始状态。

当单体充电电压反馈出现过低故障时，整组充电电压反馈高于单体充电电压反馈，所述第一二级管D1反偏截止，所述第二二级管D2正向导通，整组充电电压反馈主导充电控制：当整组充电电压反馈小于基准电压时，所述充电电路的脉宽调制电路全脉宽输出，所述充电电路对各个蓄电池单体进行限流充电；当整组充电电压反馈大于基准电压时，所述充电电路的脉宽调制电路输出一定占空比的方波，所述充电电路对各个蓄电池单体进行恒压充电。此时，蓄电池单体反馈开关K处于导通状态，如图3所示。

根据以上所述，便可以实现本发明。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种锂离子蓄电池组充电反馈控制系统，其特征在于，包括蓄电池组电压采样电路、蓄电池单体电压采样电路、比较电路、蓄电池单体反馈开关、第一二极管和第二二极管；

所述蓄电池组电压采样电路与蓄电池组的正、负极连接，采集蓄电池组的电压作为整组充电电压反馈输出；

对于每个蓄电池单体均设置一个蓄电池单体电压采样电路，所述蓄电池单体电压采样电路与对应蓄电池单体的正、负极连接，用于采集对应蓄电池单体的电压；

所述比较电路与所述蓄电池单体电压采样电路连接，用于比较各个蓄电池单体的电压，并取最大的蓄电池单体电压作为单体充电电压反馈输出；

所述蓄电池单体反馈开关分别与所述比较电路和航天器控制系统连接，航天器控制系统向所述蓄电池单体反馈开关发送单体反馈开关指令，控制所述蓄电池单体反馈开关的通断；

所述第一二极管的输入端与所述蓄电池单体反馈开关连接，所述第二二极管的输入端与所述蓄电池组电压采样电路连接，所述第一二极管及第二二极管的输出端均与充电电路连接。

2.一种锂离子蓄电池组充电反馈控制方法，其特征在于，采用权利要求1所述的锂离子蓄电池组充电反馈控制系统，包括以下步骤：

通过设置蓄电池组电压采样电路和蓄电池单体电压采样电路内各元件参数，使正常工作状态下整组充电电压反馈略小于单体充电电压反馈；

在正常工作状态下，所述第二二极管反偏截止，所述第一二极管正向导通，单体充电电压反馈主导充电控制；

当单体充电电压反馈出现过高故障时，航天器控制系统向蓄电池单体反馈开关发送断开指令，蓄电池单体反馈开关断开，使第一二极管反偏截止，第二二极管正向导通，整组充电电压反馈主导充电控制；当有特殊需求时，航天器控制系统向蓄电池单体反馈开关发送导通指令，使蓄电池单体反馈开关切回初始状态；

当单体充电电压反馈出现过低故障时，整组充电电压反馈高于单体充电电压反馈，所述第一二极管反偏截止，所述第二二极管正向导通，整组充电电压反馈主导充电控制。

3.如权利要求2所述的锂离子蓄电池组充电反馈控制方法，其特征在于，单体充电电压反馈主导充电控制过程为：当单体充电电压反馈小于基准电压时，所述充电电路的脉宽调制电路全脉宽输出，所述充电电路对各个蓄电池单体进行限流充电；当单体充电电压反馈大于基准电压时，所述充电电路的脉宽调制电路输出一定占空比的方波，所述充电电路对各个蓄电池单体进行恒压充电。

4.如权利要求2所述的锂离子蓄电池组充电反馈控制方法，其特征在于，整组充电电压反馈主导充电控制过程：当整组充电电压反馈小于基准电压时，所述充电电路的脉宽调制电路全脉宽输出，所述充电电路对各个蓄电池单体进行限流充电；当整组充电电压反馈大于基准电压时，所述充电电路的脉宽调制电路输出一定占空比的方波，所述充电电路对各个蓄电池单体进行恒压充电。