CN103178586A - 一种用于航天器的锂离子电池组的均衡充电管理器 - Google Patents

一种用于航天器的锂离子电池组的均衡充电管理器 Download PDF

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胡勇
王少林
胡琳
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Abstract

本发明公开了一种用于航天器的锂离子电池组的均衡充电管理器,该均衡充电管理器包括N个均衡模块,一个均衡模块设置在由N个单体电池串联组成的电池组中的一个单体电池的两端,该均衡模块包括MOS管型开关、比较器、电阻R0、R1、R2、R3和R4;其中,均衡充电管理器通过比较整组电池的电压平均值及单体电池的电压,当整组电池的电压平均值较高时,维持原有方式继续对该单体电池继续充电;当单体电池电压较高时开关闭合,使用单体电池旁路的电阻对充电电流进行分流,从而使整组电池达到均衡,这种均衡方式结构相对简单,并有较好的均衡效果。

Description

—种用于航天器的锂离子电池组的均衡充电管理器
技术领域
[0001] 本发明涉及电源管理技术领域,具体涉及一种用于航天器的锂离子电池组的均衡充电管理器。
背景技术
[0002] 锂离子电池组以其体积小、重量轻、比能量高、寿命长和充电快速等优点应用于航天储能元件中,航天器中需要把多节锂电池组合成电池组来使用,但由于电池内部特性差异,工作温度和循环使用次数的差别,单体电池所表现出来的电池行为会有所区别,具体的体现为荷电状态不平衡,锂离子电池的库伦效率很高,在90%以上,如果由于电池本身的内部差异或者外部环境的区别使某个单体电池的性能比其他电池略有下降,那么经过多次充放电循环之后,这个电池的荷电状态就和其他电池严重不平衡,电池单体之间的不平衡将随时间恶化。另一方面,锂电池并没有耐过充性,其电压会随着充电不断上升,而过压将对电池产生永久性的损坏。锂电池的如上特性给电池组的充电管理带来了巨大挑战,电池单体间的不均衡现象会使得电池组容量变小,甚至可能造成严重的过充电过放电等安全隐患问题,为了减小这种危害,在电池组的充电过程中要使用均衡电路对充电过程进行管理。
[0003] 常见的锂电池充电设备常采用恒流和恒压相结合的快速充电方法,首先以恒流充电至预设电压值,然后使用恒压充电完成剩下的充电。这种方法能够将出气量减小到最小。这种方式通过前两种充电方式的结合,更好的保证了电池的安全。虽然充电控制电路较为复杂,但因其充电时间短,充电效率高,所以在锂离子电池的充电中占主导地位。充电过程中对电池组进行均衡充电管理,电池组的均衡充电成为电池组充电中最大的难题,也是当今电池组充电研究的一大热点,现今常用的均衡方式有以下几种:
[0004] 电池优化,电池筛选,电池使用:以上方式只能保证在电池组开始使用的状态下,工作的过程中各个电池单体之间的平衡,但并不能保证电池组整个使用过程的安全和匹配;这些由电池本身匹配完成的均衡方式并不能根本的解决均衡问题。
[0005] 消极平衡:消极充电平衡是通过放电来完成各个电池的充电平衡的,在充电过程中确定充电电压最高的单体,对其电量通过旁路电阻进行放电,使得该电池与其他充电较慢的电池协调,从而达到平衡的效果。对能量的损耗过高,一般不予采用。
[0006] 能量转移型均衡:能量转移型均衡充电能够使得电池中的能量在不均衡的电池单体之间产生流动,通过外部控制将高能量电池中的能量送至低能量的电池中去,主要是通过储能元件完成,储能元件分为电感和电容两种,所以这种方式也相应分为两种,但这种方式的控制电路过于复杂,均衡电路本身的储能元件和开关的损耗使得他们在大电流电池组的应用中的优势更加明显。IOOAh以下的小容量电池的充电中,这些方式的性价比并不高,而且给电路本身的设计,造价等都带来了较大的困难,并不适用。
发明内容
[0007] 有鉴于此,本发明提供了一种用于航天器的锂离子电池组的均衡充电管理器,能够对锂离子电池组进行均衡充电,同时,该管理器的结构简单,陈本低廉。
[0008] 本发明的一种用于航天器的锂离子电池组的均衡充电管理器,均衡充电管理器包括N个均衡模块,一个均衡模块设置在由N个单体电池串联组成的电池组中的一个单体电池的两端,该均衡模块包括MOS管型开关、比较器、电阻R0、Rl、R2、R3和R4,其中:
[0009] 电阻Rl的一端连接单体电池的高电位Vcell+端,电阻Rl的另一端串联电阻R2后与电池组的低电位LO端连接;
[0010] 电阻R4的一端连接单体电池的低电位Vcell-端,电阻R4的另一端串联电阻R3后与电池组的高电位HI端连接;
[0011] 电阻Rl与电阻R2之间引出连线与比较器的正输入端连接,电阻R4与电阻R3之间引出连线与比较器的负输入端连接;比较器的输出端与MOS管开关的I脚连接;
[0012] MOS管开关的2脚接地,3脚接单体电池的高电位Vcell+端,4脚串联电阻RO后与单体电池的低电位Vcell-端连接;M0S管型开关的开关弹片的固定端连接在MOS管开关的4脚,在比较器没有输出时,开关弹片的自由端悬空,当比较器有输出时,开关弹片的自由端连接至3脚,则3脚和4脚连通;[0013] 所述电阻R1、R2、R3和R4满足如下关系
Figure CN103178586AD00041
[0014] 当单体电池个数为7个时,所述电阻R0、R1、R2、R3和R4的阻值分别为:1兆欧姆、I兆欧姆、7兆欧姆、7兆欧姆和I兆欧姆。
[0015] 本发明具有如下有益效果:本发明的均衡充电管理器通过比较整组电池的电压平均值及单体电池的电压,当整组电池的电压平均值较高时,维持原有方式继续对该单体电池继续充电;当单体电池电压较高时开关闭合,使用单体电池旁路的电阻对充电电流进行分流,从而使整组电池达到均衡,这种均衡方式结构相对简单,并有较好的均衡效果。
附图说明
[0016] 图1为现有技术中采用恒压和恒流方式对蓄电池组充电的原理图。
[0017] 图2为本发明的均衡充电管理器的原理图。
[0018] 图3为本发明的一个均衡模块的原理图。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
[0020] 本发明提供了一种用于航天器的锂离子电池组的均衡充电管理器,如图2和3所示,该均衡充电管理器包括N个均衡模块,一个均衡模块设置在由N个单体电池串联组成的电池组中的一个单体电池的两端,该均衡模块包括MOS管型开关、比较器、电阻R0、RU R2、R3和R4,其中:
[0021] 电阻Rl的一端连接单体电池的高电位Vcell+端,电阻Rl的另一端串联电阻R2后与电池组的低电位LO端连接;
[0022] 电阻R4的一端连接单体电池的低电位Vcell-端,电阻R4的另一端串联电阻R3后与电池组的高电位HI端连接;
[0023] 电阻Rl与电阻R2之间引出连线与比较器的正输入端连接,电阻R4与电阻R3之间引出连线与比较器的负输入端连接;比较器的输出端与MOS管开关的I脚连接;
[0024] MOS管开关的2脚接地,3脚接单体电池的高电位Vcell+端,4脚串联电阻RO后与单体电池的低电位Vcell-端连接;开关弹片的固定端连接在MOS管开关的4脚,在比较器没有输出时,开关弹片的自由端悬空,当比较器有输出时,开关弹片的自由端连接至3脚,则3脚和4脚连通;[0025] 电阻R1、R2、R3和R4满足如下关系
Figure CN103178586AD00051
[0026] 本实施例的锂电池组由7节电池串联组成,每个单节电池并联一个均衡模块进行均衡充电管理,整个均衡电路及电池的组成如图2所示,电池末端为电池的恒流充电的采样电阻带来的非O的负端电压。
[0027] 在电池组的充电中,电池单体之间是串联的关系,电池单体的电压与串联的上下电池相关,它的负极点位是由下面的一串电池单体的电压和决定的,而它本身的电压差和下端一串电池的和电压决定了更高一节电池的负极电位。在充电过程中,每个电池单体的电池都是在不断变化的,所以每个电池单体的正负极电位都是浮动变化的。
[0028] 如图3所示,每个单节电池并联一个分流电阻R0,并由开关控制这一路电流的输出;每个模块采集并计算整个电池组的正极负极及每个电池的正负端电压之间的关系,获得整组电池的平均电压和单节电池电压的比较,比较所得电压,如单节电池电压较高,则通过比较器输出高电压打开电池组并联的开关,通过电阻泄放充电电流,从而停止对电池单体的充电,从而在总的充电过程中,充电快或者电压略高的电池使用尽可能慢的速度,使得整组电池获得相匹配的充电效果。
[0029] 对于比较器,为通过较为简单的电路获得单节电池与整组电池之间的比较关系,进行如上图比较器的计算,其中LO和HI分别表示整组电池的正端和负端电压,用Vbat+和Vbat-进行表示。
Figure CN103178586AD00052
[0031] 整理获得
[0032]
Figure CN103178586AD00053
[0033] 同理,可获得V_p_的公式为:
Figure CN103178586AD00054
[0035] 将比较器的正负进行比较,可获得
Figure CN103178586AD00055
[0038]若选择
Figure CN103178586AD00056
[0039] 则可将上述公式整理为:
[0040]
Figure CN103178586AD00061
[0041] 比较器正负两端电压即为m/(l+m)的单体电池电压与整组电池分压的比值,若取m为整组电池节数7时,此模块就可到达比较单节电池电压与整组电池分压的功能,此时两部分电压的放大倍数为7/8=0.875。
[0042] 综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于航天器的锂离子电池组的均衡充电管理器,其特征在于,均衡充电管理器包括N个均衡模块,一个均衡模块设置在由N个单体电池串联组成的电池组中的一个单体电池的两端,该均衡模块包括MOS管型开关、比较器、电阻R0、Rl、R2、R3和R4,其中: 电阻Rl的一端连接单体电池的高电位Vcell+端,电阻Rl的另一端串联电阻R2后与电池组的低电位LO端连接; 电阻R4的一端连接单体电池的低电位Vcell-端,电阻R4的另一端串联电阻R3后与电池组的高电位HI端连接; 电阻Rl与电阻R2之间引出连线与比较器的正输入端连接,电阻R4与电阻R3之间引出连线与比较器的负输入端连接;比较器的输出端与MOS管开关的I脚连接; MOS管开关的2脚接地,3脚接单体电池的高电位Vcell+端,4脚串联电阻RO后与单体电池的低电位Vcell-端连接;M0S管型开关的开关弹片的固定端连接在MOS管开关的4脚,在比较器没有输出时,开关弹片的自由端悬空,当比较器有输出时,开关弹片的自由端连接至3脚,则3脚和4脚连通; 所述电阻R1、R2、R3和R4满足如下关系:
Figure CN103178586AC00021
2.如权利要求1所述的一种用于航天器的锂离子电池组的均衡充电管理器,其特征在于,当单体电池个数为Ί个时,所述电阻R0、RU R2、R3和R4的阻值分别为:1兆欧姆、I兆欧姆、7兆欧姆、7兆欧姆和I兆欧姆。
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