CN103326445B - 母线不调节方式的锂电池控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一种母线不调节方式锂电池控制系统中，信号处理电路接收母线电压和锂离子蓄电池组中电池单体的最高单体电压而输出第一电压。母线电压处理电路接收母线电压而输出第二电压。第一脉宽调制电路由基准电压与第二电压产生的第三电压，与三角波比较产生PWM信号。第二脉宽调制电路的基准电压与第一电压产生的第四电压，与三角波比较产生PWM信号。由对应的PWM信号来控制开关电路的闭合或断开，从而控制相应的太阳电池阵输出电流进行对地分流。放电开关对所述锂离子蓄电池组进行放电切换。本发明结构简单可靠，能确保给负载供电、对锂离子蓄电池充电而不被过充电和太阳电池阵多余功率的分流。

Description

母线不调节方式的锂电池控制系统

技术领域

本发明涉及一种母线不调节方式的锂电池控制系统，使用于微小卫星电源控制系统。

背景技术

锂离子蓄电池组由于能量密度高、使用温度范围宽、自放电率低、无记忆效应、充放电寿命长以及无污染等特点，成为新一代空间用储能电源，非常适合空间电源的发展，越来越应用到微小卫星中。同时，近年来微小卫星对电源分系统提出了性能高、重量轻和体积小的目标。因此，提高电源分系统的性能比和性能价格比等指标，对增加有效载荷、提高卫星性能和效益都有非常重要的意义。然而，现有的锂电池控制系统还不能满足更高性能的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种性能高、控制简单、可靠、安全的电源系统。它不仅能够对太阳电池阵多余的能量进行分流，同时可以控制锂离子蓄电池最高单体电压的问题，不被过充电。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种母线不调节方式的锂电池控制系统，其包括：

为第一太阳电池阵配合设置的第一路分流充电电路，进一步设有：母线电压处理电路、第一脉宽调制电路、第一开关电路；

为第二太阳电池阵配合设置的第二路分流充电电路，进一步设有：信号处理电路、第二脉宽调制电路、第二开关电路；

以及，放电开关，其从第一分流充电电路和第二分流充电电路向负载供电的母线上引出，并连接至锂电子蓄电池组进行放电切换；在所述放电开关接通时，通过两路分流充电电路对锂电子蓄电池组进行充电；

所述信号处理电路，接收并对母线电压及锂离子蓄电池组中电池单体的最高单体电压进行处理，而输出第一电压；

所述母线电压处理电路，接收并对母线电压进行处理，而输出第二电压；

所述第一脉宽调制电路，接收所述母线电压处理电路输出的第二电压，并基于所述第二电压及该第一脉宽调制电路具有的第一基准电压来产生第三电压，还对所述第三电压与三角波产生电路产生的第一三角波进行比较，来产生第一PWM信号；

所述第二脉宽调制电路，接收所述信号处理电路输出的第一电压，并基于所述第一电压和该第二脉宽调制电路具有的第二基准电压来产生第四电压，还对所述第四电压与三角波产生电路产生的第二三角波进行比较，来产生第二PWM信号；

所述第一开关电路和第二开关电路中，输入端分别连接第一太阳电池阵和第二太阳电池阵，输出端连接功率地，控制端分别连接所述第一脉宽调制电路和第二脉宽调制电路的输出端；所述第一开关电路和第二开关电路，根据第一PWM信号和第二PWM信号各自实现闭合或断开，来控制相应的太阳电池阵输出电流进行对地分流。

作为一种改进方案，所述信号处理电路的第一电压，与所述母线电压或锂离子蓄电池单体的最高单体电压呈线性关系；

所述母线电压处理电路的第二电压，与所述母线电压呈线性关系。

作为一种改进方案，所述第一脉宽调制电路的第一基准电压，高于所述第二脉宽调制电路的第二基准电压，使得第一路分流充电电路能够优先给负载供电。

作为一种改进方案，所述锂电子蓄电池组充满后，锂电池最高单体电压高于所述第二脉宽调制电路的第二基准电压，使得所述第二太阳电池阵输出的全部能量能够通过第二路分流充电电路进行分流，同时第一太阳电池阵输出的能量能够通过第一路分流充电电路给负载正常供电。

作为一种改进方案，所述第一开关电路由第一PWM信号中的第一开关信号控制而闭合，由第一PWM信号中的第二开关信号控制而断开；

所述第二开关电路由第二PWM信号中的第一开关信号控制而闭合，由第二PWM信号中的第二开关信号控制而断开。

作为一种改进方案，所述第一开关信号是高电平信号，所述第二开关信号是低电平信号。

作为一种改进方案，所述信号处理电路，包括：第二母线电压处理电路和锂离子蓄电池单体的最高单体电压处理电路，其中，

所述第二母线电压处理电路差分放大所述母线电压，并至少包括第一运算放大器、接地的第一同相分压电路、第一反相分压电路和连接于该第一运算放大器的反相输入端和输出端之间的第一电阻，该第一运算放大器的反相输入端通过所述第一反相分压电路连接母线电压的负极，同相输入端通过所述第一同相分压电路连接母线电压的正极，一个第一二极管的正极连接第一运算放大器的输出端，所述第一二极管的负极连接所述第二脉宽调制电路。

所述锂离子蓄电池单体的最高单体电压处理电路差分放大所述锂离子蓄电池单体的最高单体电压，并至少包括第二运算放大器、接地的第二同相分压电路、第二反相分压电路和连接于该第二运算放大器的反相输入端和输出端之间的第二电阻，该第二运算放大器的反相输入端通过所述第二反相分压电路连接母线电压的负极，同相输入端通过所述第二同相分压电路连接母线电压的正极，一个第二二极管的正极连接第二运算放大器的输出端，所述第二二极管的负极连接所述第二脉宽调制电路；

所述第一电压是所述第一运算放大器输出电压和第二运算放大器输出电压中的最大者。

作为一种改进方案，所述母线电压处理电路差分放大所述母线电压，并至少包括：第三运算放大器、接地的第三同相分压电路、第三反相分压电路和连接于该第三运算放大器的反相输入端和输出端之间的第三电阻，该第三运算放大器的反相输入端通过所述第三反相分压电路连接母线电压的负极，同相输入端通过所述第三同相分压电路连接母线电压的正极，所述第三运算放大器的输出端连接所述第一脉宽调制电路；

所述第二电压是所述第三运算放大器的输出电压。

作为一种改进方案，所述第一脉宽调制电路只接收母线电压处理电路通过处理母线电压而输出的第二电压；所述第二脉宽调制电路只接收信号处理电路输出的第一电压。

作为一种改进方案，所述第一脉宽调制电路和第二脉宽调制电路分别使用7J193型比较器芯片实现。

本发明所述的母线不调节方式的锂电池控制系统，选用锂离子蓄电池作为储能电池，同时电源控制器简单、可靠。它一方面使太阳电池阵对母线电压进行供电、对锂离子蓄电池进行充电，同时对锂离子蓄电池最高单体电压进行控制，另一方面把太阳电池阵多余的能量分流，通过热能辐射到太空中，即把多余功率控制在“源头”。

附图说明

图1是本发明母线不调节方式的锂电池控制系统的结构示意图；

图2是图1所示的母线不调节方式的锂电池控制系统中第二脉宽调制电路的结构示意图；

图3是图1所示的母线不调节方式的锂电池控制系统中第一脉宽调制电路的结构示意图；

图4是图1所示的母线不调节方式的锂电池控制系统中信号处理电路的结构示意图；

图5是图1所示的母线不调节方式的锂电池控制系统中母线电压处理电路的结构示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

本发明的实施例，适用于微小卫星负载的电源控制系统，以恒流源是太阳电池阵为例，说明本发明母线不调节方式的锂电池控制系统的工作过程如下：当太阳电池阵输出功率富余时，太阳电池阵输出能量首先对负载进行供电，多余的能量对锂电池进行充电，再有多余能量进行分流。

请参阅图1，本发明所述的一种母线不调节方式的锂电池控制系统，设有两路分流充电电路按顺序进行分流，其中，为太阳电池阵11配合设置的第一路分流充电电路包括：母线电压处理电路7、第一脉宽调制电路21、开关电路31、若干并联的隔离二极管41；为太阳电池阵12配合设置的第二路分流充电电路包括：信号处理电路6、第二脉宽调制电路22、开关电路32、若干并联的隔离二极管42。两路分流充电电路通过滤波电容阵8连接至负载9，第一脉宽调制电路21基准电压高于第二脉宽调制电路22，第一路分流充电电路将优先给负载9供电。

在负载9之前的母线上，分别通过并联的若干隔离二极管43及放电开关5连接至锂电子蓄电池组10，当放电开关5接通以后，母线电压等于锂离子蓄电池电压，通过两路分流充电电路对锂电池进行整组电压保护。当锂电池充满以后，锂电池最高单体电压高于第二脉宽调制电路22基准电压，此时第二太阳电池阵12输出的全部能量通过第二路分流充电电路进行分流，同时，第一太阳电池阵11输出能量能够通过第一路分流充电电路给负载9正常供电。

具体的，信号处理电路6接收母线电压和锂离子蓄电池组10中的电池单体的最高单体电压而输出第一电压，该第一电压与所述母线电压或锂离子蓄电池单体的最高单体电压呈线性关系。母线电压处理电路7接收母线电压而输出第二电压，该第二电压与所述母线电压呈线性关系。

第一脉宽调制电路21具有第一基准电压，通过接收第二电压，并基于所述第二电压和第一基准电压的比较来产生第三电压，通过该第三电压和三角波产生电路产生的第一三角波进行比较来得到第一PWM信号。

第二脉宽调制电路22具有第二基准电压，通过接收第一电压，并基于所述第一电压和第二基准电压的比较来产生第四电压，通过该第四电压和三角波产生电路产生的第二三角波进行比较来得到第二PWM信号。

开关电路31、32的输入端分别连接太阳电池阵11和12，输出端连接功率地，控制端分别连接所述第一脉宽调制电路21和第二脉宽调制电路22的输出端。开关电路31由第一PWM信号中的第一开关信号控制而闭合，由第一PWM信号中的第二开关信号控制而断开；开关电路32由第二PWM信号中的第一开关信号控制而闭合，由第二PWM信号中的第二开关信号控制而断开，从而控制相应的太阳电池阵11、12输出电流进行对地分流。放电开关5对所述锂离子蓄电池组进行放电切换。

请配合参阅图1和图2，所述第二脉宽调制电路22主要采用芯片7J193的比较器U4和第三运算放大器U3，其他配合设置的电阻、电容等元件不再一一描述。具体的，第三运算放大器U3反相输入端连接所述信号处理电路6的输出端，比较器U4同相输入端连接第二三角波。该第二脉宽调制电路22具有第二基准电压，并且基于所述信号处理电路6输出的第一电压和第二基准电压的比较来产生第四电压，该第四电压与比较器U4反相输入端连接，第四电压与第二三角波进行比较来输出第二PWM信号，所述第一电压与母线电压或锂离子蓄电池单体的最高单体电压呈线性关系。

请配合参阅图1和图3，所述第一脉宽调制电路21主要采用另一个芯片7J193的比较器U4’和第三运算放大器U3’，其他配合设置的电阻、电容等元件不再一一描述。具体的，第三运算放大器U3’反相输入端连接所述母线电压处理电路7的输出端，比较器U4’同相输入端连接第一三角波。该第一脉宽调制电路21具有第一基准电压，并且基于所述母线电压处理电路7输出的第二电压和第一基准电压的比较来产生第三电压，该第三电压与比较器U4’反相输入端连接，第三电压与第一三角波进行比较来输出第一PWM信号，所述第二电压与母线电压呈线性关系。

请配合参阅图1和图4，所述信号处理电路6包括第二母线电压处理电路61和锂离子蓄电池单体的最高单体电压处理电路62，其中：

所述第二母线电压处理电路61在该实施例中至少包括第一运算放大器U1A、接地第一同相分压电路、第一反相分压电路，和分别连接于第一运算放大器U1A的反相输入端和输出端的第一电阻R107及第一电容C102。该第一运算放大器U1A的反相输入端由电阻R105构成的第二反相分压电路连接母线电压的负极，同相输入端通过由电阻R101、电阻R102、电阻R103、电阻R104和电阻R106构成的同相分压电路连接母线电压的正极。

一个第一二极管D101的负极连接所述第二脉宽调制电路22，正极连接所述第一运算放大器U1A的输出端。具体的实施例中，所述第二母线电压处理电路61还可以进一步包括：至少含有运算放大器U1B的电压跟随器和电阻R110。所述第一二极管D101的正极通过所述电压跟随器连接至运算放大器U1B的输出端。所述电压跟随器能够解决第一运算放大器U1A的输出电压在放大所述母线电压过程中的温漂问题。所述电阻R101、电阻R102、电阻R103、电阻R104、电阻R105、电阻R106、电阻R107和第一运算放大器U1A差分放大所述母线电压而产生第一放大电压。

通过上述电路可以知道，第一二极管D101的正极的电压和所述差分放大的母线电压有关，所以，为了便于叙述，将第一二极管D101的正极的电压也用所述第一放大电压代替，在此种情况下，所述母线第二电压处理电路61的工作过程是：当所述第一放大电压大于第一二极管D101的阈值电压时，该第一二极管D101导通，从而，该第二母线电压处理电路61将第一放大电压与第一二极管D101的差值输出至所述第二脉宽调制电路22，而当所述第一放大电压小于第一二极管D101的阈值电压时，所述第一二极管D101截止，不输出电压值至第二脉宽调制电路22。

同样请配合参阅图1和图4，所述信号处理电路6中，锂离子蓄电池单体的最高单体电压处理电路62在该实施例中至少包括第二运算放大器U2A、接地第二同相分压电路、第二反相分压电路和连接于第二运算放大器U2A的反相输入端和输出端的第二电阻R17和第二电容C12。该第二运算放大器U2A的反相输入端由电阻R15构成的第二反相分压电路连接电池单体的最高单体电压的负极，同相输入端通过由电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14和电阻R16构成的同相分压电路连接电池单体的最高单体电压的正极。

一个第二二极管D11的负极连接所述第二脉宽调制电路22，正极连接所述第二运算放大器U2A的输出端。具体的实施例中，所述锂离子蓄电池单体的最高单体电压处理电路62还进一步包括：至少含有运算放大器U2B的电压跟随器和电阻R20。所述第二二极管D11的正极通过所述电压跟随器连接至运算放大器U2B的输出端。所述电压跟随器能够解决第二运算放大器U2A的输出电压在放大所述电池单体的最高单体电压过程中的温漂问题。所述电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15和电阻R16和第二运算放大器U2A差分放大所述电池单体的最高单体电压而产生第二放大电压。

通过上述电路可以知道，第二二极管D11的正极的电压和所述差分放大的最高单体电压有关，所以，为了便于叙述，将第二二极管D11的正极的电压也用所述第二放大电压代替，在此种情况下，所述锂离子蓄电池单体的最高单体电压处理电路12的工作过程是：当所述第二放大电压大于第二二极管D11的阈值电压时，该第二二极管D11导通，从而，该锂离子蓄电池单体的最高单体电压处理电路62将第二放大电压与第二二极管D11的差值至所述第二脉宽调制电路22，而当所述第二放大电压小于第二二极管D11的阈值电压时，所述第二二极管D11截止，不输出电压值至第二脉宽调制电路22。在本实施例中，所述第一电压是所述第一放大电压和第二放大电压中的最大者。

请配合参阅图1和图5，所述母线电压处理电路7在该实施例中至少包括第三运算放大器U1A’、接地第三同相分压电路、第三反相分压电路和连接于第三运算放大器U1A’的反相输入端和输出端的第三电阻R307和第三电容C302。该第三运算放大器U1A’的反相输入端由电阻R305构成的第三反相分压电路连接母线电压的负极，同相输入端通过由电阻R301、电阻R302、电阻R303、电阻R304和电阻R306构成的同相分压电路连接母线电压的正极。所述电阻R301、电阻R302、电阻R303、电阻R304、电阻R305、电阻R306、电阻R307和第三运算放大器U1A’差分放大所述母线电压而产生第二电压，进而发送至所述第一脉宽调制电路21。

本发明的有益效果是，发明一种性能高、控制简单、可靠、安全的电源系统。它不仅对太阳电池阵多余的能量进行分流、同时控制锂离子蓄电池最高单体电压的问题，不被过充电。

唯上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故举凡数值的变更或等效组件的置换，或依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，都应仍属本发明专利涵盖的范畴。

Claims (10)

1.一种母线不调节方式的锂电池控制系统，其特征在于，包括：

与第一太阳电池阵（11）对应的第一路分流充电电路，所述第一路分流充电电路进一步设有：母线电压处理电路（7）、第一脉宽调制电路（21）、第一开关电路（31）；

与第二太阳电池阵（12）对应的第二路分流充电电路，所述第二路分流充电电路进一步设有：信号处理电路（6）、第二脉宽调制电路（22）、第二开关电路（32）；

以及，放电开关（5），其从第一分流充电电路和第二分流充电电路向负载（9）供电的母线上引出，并连接至锂电子蓄电池组（10）进行放电切换；在所述放电开关（5）接通时，通过两路分流充电电路对锂电子蓄电池组（10）进行充电；

所述信号处理电路（6），接收并对母线电压及锂离子蓄电池组（10）中电池单体的最高单体电压进行处理，而输出第一电压；

所述母线电压处理电路（7），接收并对母线电压进行处理，而输出第二电压；

所述第一脉宽调制电路（21），接收所述母线电压处理电路（7）输出的第二电压，并基于所述第二电压及该第一脉宽调制电路具有的第一基准电压来产生第三电压，还对所述第三电压与三角波产生电路产生的第一三角波进行比较，来产生第一PWM信号；

所述第二脉宽调制电路（22），接收所述信号处理电路（6）输出的第一电压，并基于所述第一电压和该第二脉宽调制电路（22）具有的第二基准电压来产生第四电压，还对所述第四电压与三角波产生电路产生的第二三角波进行比较，来产生第二PWM信号；

所述第一开关电路（31）的输入端连接第一太阳电池阵（11），输出端连接功率地，控制端连接所述第一脉宽调制电路（21）的输出端；所述第二开关电路（32）的输入端连接第二太阳电池阵（12），输出端连接功率地，控制端连接第二脉宽调制电路（22）的输出端；所述第一开关电路（31）和第二开关电路（32），根据第一PWM信号和第二PWM信号各自实现闭合或断开，来控制相应的太阳电池阵输出电流，以实现对地分流。

2.如权利要求1所述的锂电池控制系统，其特征在于：

所述信号处理电路（6）的第一电压，与所述母线电压或锂离子蓄电池单体的最高单体电压呈线性关系；

所述母线电压处理电路（7）的第二电压，与所述母线电压呈线性关系。

3.如权利要求1所述的锂电池控制系统，其特征在于：

所述第一脉宽调制电路（21）的第一基准电压，高于所述第二脉宽调制电路（22）的第二基准电压，使得第一路分流充电电路能够优先给负载（9）供电。

4.如权利要求2所述的锂电池控制系统，其特征在于：

所述锂电子蓄电池组（10）充满后，锂电池最高单体电压高于所述第二脉宽调制电路（22）的第二基准电压，使得所述第二太阳电池阵（12）输出的全部能量能够通过第二路分流充电电路进行分流，同时第一太阳电池阵（11）输出的能量能够通过第一路分流充电电路给负载（9）正常供电。

5.如权利要求1所述的锂电池控制系统，其特征在于：

所述第一开关电路（31）由第一PWM信号中的第一开关信号控制而闭合，由第一PWM信号中的第二开关信号控制而断开；

所述第二开关电路（32）由第二PWM信号中的第一开关信号控制而闭合，由第二PWM信号中的第二开关信号控制而断开。

6.如权利要求5所述的锂电池控制系统，其特征在于：

所述第一开关信号是高电平信号，所述第二开关信号是低电平信号。

7.如权利要求1所述的锂电池控制系统，其特征在于：

所述信号处理电路（6），包括：第二母线电压处理电路（61）和锂离子蓄电池单体的最高单体电压处理电路（62），其中，

所述第二母线电压处理电路（61）差分放大所述母线电压，并至少包括第一运算放大器（U1A）、接地的第一同相分压电路、第一反相分压电路和连接于该第一运算放大器（U1A）的反相输入端和输出端之间的第一电阻（R107），该第一运算放大器（U1A）的反相输入端通过所述第一反相分压电路连接母线电压的负极，同相输入端通过所述第一同相分压电路连接母线电压的正极，一个第一二极管（D101）的正极连接第一运算放大器（U1A）的输出端，所述第一二极管（D101）的负极连接所述第二脉宽调制电路（22）；

所述锂离子蓄电池单体的最高单体电压处理电路（62）差分放大所述锂离子蓄电池单体的最高单体电压，并至少包括第二运算放大器（U2A）、接地的第二同相分压电路、第二反相分压电路和连接于该第二运算放大器（U2A）的反相输入端和输出端之间的第二电阻（R17），该第二运算放大器（U2A）的反相输入端通过所述第二反相分压电路连接母线电压的负极，同相输入端通过所述第二同相分压电路连接母线电压的正极，一个第二二极管（D11）的正极连接第二运算放大器（U2A）的输出端，所述第二二极管（D11）的负极连接所述第二脉宽调制电路（22）；

所述第一电压是所述第一运算放大器输出电压（U1A）和第二运算放大器（U2A）输出电压中的最大者。

8.如权利要求1所述的锂电池控制系统，其特征在于：

所述母线电压处理电路（7）差分放大所述母线电压，并至少包括：第三运算放大器（U1A’）、接地的第三同相分压电路、第三反相分压电路和连接于该第三运算放大器（U1A’）的反相输入端和输出端之间的第三电阻（R307），该第三运算放大器（U1A’）的反相输入端通过所述第三反相分压电路连接母线电压的负极，同相输入端通过所述第三同相分压电路连接母线电压的正极，所述第三运算放大器（U1A’）的输出端连接所述第一脉宽调制电路（21）；

所述第二电压是所述第三运算放大器（U1A’）的输出电压。

9.如权利要求1所述的锂电池控制系统，其特征在于：

所述第一脉宽调制电路（21）只接收母线电压处理电路（7）通过处理母线电压而输出的第二电压；所述第二脉宽调制电路（22）只接收信号处理电路（6）输出的第一电压。

10.如权利要求1所述的锂电池控制系统，其特征在于：

所述第一脉宽调制电路（21）和第二脉宽调制电路（22）分别使用7J193型比较器芯片实现。