CN105355990B - 一种锂离子蓄电池与管理单元集成系统及方法 - Google Patents

一种锂离子蓄电池与管理单元集成系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂离子蓄电池与管理单元集成系统及方法，包括：锂离子蓄电池组和管理单元，其中管理单元包括电池电压检测模块、均衡开关驱动及状态遥测电路、旁路开关驱动及状态遥测电路、译码及编码模块、1553B接口电路及CPU电路、DC/DC变换器，锂离子蓄电池组与管理单元集成为一体。本发明解决锂离子蓄电池与管理单元系统性设计，将锂离子电池与蓄电池集成一体化设计，提高锂离子电池的比能量，且使得与航天器接口简化、单一，同时提高了可靠性。

Description

一种锂离子蓄电池与管理单元集成系统及方法
技术领域
本发明属于航天器锂离子蓄电池与与管理单元设计方面，涉及一种可简化航天器单机接口、高度集成的锂离子蓄电池与管理的设计。应用于航天器电源系统中。
背景技术
锂离子蓄电池已经成为航天器一种非常重要的储能装置，其应用已经十分广泛。但锂离子电池的特性要求其不能过充电，也不能过放电，同时为保证蓄电池组内个各电池小模块在寿命周期内的一致性，需要设计均衡分流装置，实现在充电过程中各串联电池小模块保持一致；另外，基于安全性的考虑，锂离子蓄电池一般都需要配置旁路开关，以保证不因为电池小模块的失效而导致整组蓄电池失效，因此需要一个管理单元用于执行对锂离子蓄电池的上述功能。
常规的锂离子蓄电池的管理单元一般为一个独立的单机，需要外置供电电源，旁路开关需要整星火工装置驱动，或者配置独立的旁路开关驱动单机，且与蓄电池的采样连线、均衡连线、旁路开关连线众多，电缆也很重，接口众多，电池的管理需要星上计算机运行软件采样控制，占用星上十分紧张的中心机资源，导致蓄电池组模块的比能量偏低，经济效益差，竞争力弱。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，解决锂离子蓄电池与管理单元将锂离子电池与蓄电池集成一体化设计，提高锂离子电池的比能量，且使得与航天器接口简化、单一，同时提高了可靠性。
本发明的技术解决方案是：一种锂离子蓄电池与管理单元集成系统，其特征在于包括：锂离子蓄电池组和管理单元，其中管理单元包括电池电压检测模块、均衡开关驱动及状态遥测电路、旁路开关驱动及状态遥测电路、译码及编码模块、1553B接口电路及CPU电路、DC/DC变换器，锂离子蓄电池组与管理单元集成为一体；
锂离子蓄电池组有多节电池小模块串联而成，每节电池小模块正极端和负极端分别通过连接至电池电源检测模块；为了实现均衡分流，采用一个电阻和均衡开关串联后，并联于每节电池小模块正极端和负极端；另外为保证锂离子蓄电池组的安全性，防止锂离子蓄电池组开路或短路，在每节电池小模块上串联旁路开关；旁路开关的驱动通过锂离子蓄电池组提供功率驱动，由锂离子蓄电池组正极端到旁路开关驱动端，再到锂离子蓄电池组负极端形成驱动通路，驱动通路上通过旁路开关的驱动开关控制通断；
电池电压检测模块，将检查到的每节电池小模块的电压值传递给译码及编码模块；
均衡开关驱动及状态遥测电路中的均衡开关驱动电路接收译码及编码模块指令信号，发出均衡开关通断指令，用于实现均衡开关通断控制；均衡开关驱动及状态遥测电路中的状态遥测电路检测均衡开关的状态，即均衡状态，将状态检测结果输出至译码及编码模块；
旁路开关驱动及状态遥测电路中的旁路开关驱动电路接收译码及编码模块指令信号，发出旁路开关的驱动开关通断指令，用于实现对旁路开关的驱动开关通断控制；旁路开关驱动及状态遥测电路中状态遥测电路检测旁路开关的状态，将状态检测结果输出值译码及编码模块；
译码及编码模块，将1553B接口电路及CPU电路接收到的信号进行编码译码后送至电池电压检查模块、均衡开关驱动及状态遥测电路和旁路开关驱动及状态遥测电路；
1553B接口电路及CPU电路，实现与星务通信系统通信；
DC/DC变换器为管理单元内各个用电模块提供二次供电。
所述锂离子蓄电池组由11节电池小模块串联，每节电池小模块由1～5个单体电池并联而成。
为了安全性考虑，所述均衡开关为2个，两个均衡开关串联，当两个均衡开关同时闭合时，实现每节电池小模块均衡功能；当两个均衡开关中的某一个断开或全部断开时，暂停均衡功能；均衡开关驱动及状态遥测电路同时获取两个均衡开关的开关状态，用以判断均衡状态。
为了安全性考虑，所述旁路开关的驱动开关为3个，当旁路开关的3个驱动开关全部接通时，实现对旁路开关的驱动，切除对应电池小模块；当旁路开关的3个驱动开关中有一个或两只或三只断开时，不能实现对旁路开关的驱动；旁路开关驱动及状态遥测电路同时获取旁路开关的驱动开关的状态，用以判断旁路开关状态。
所述1553B接口电路及CPU电路与星务通信接口采用标准的1553B接口。
1553B接口电路及CPU电路内置有在轨工作软件，在星务通信系统托管的情况下，能够对锂离子蓄电池组进行自主管理。
所述每个电池小模块都配置一个上述如此功能的管理单元模块，组成整组蓄电池组的管理单元。
所述锂离子蓄电池与管理单元集成为一体，两者之间的互联线短。
一种锂离子蓄电池与管理单元集成系统的实现方法，步骤如下：
在锂离子蓄电池组充电过程中，单体电压检测模块实时采集电池小模块正负极端的电压值，传递给译码及编码模块编码后，通过1553B接口电路及CPU电路将编码值传给星务通信系统，即可实时检测锂离子蓄电池组各个小模块电压值；当某节电池小模块的电压值达到某一最大值时，即需要对电压较高的电池小模块进行分流均衡，保护其不过充电。分流的方式为接收星务系统下传指令信号给1553B接口电路及CPU电路，经译码及编码模块译码后，将指令传递给均衡开关驱动及状态遥测电路，发出均衡开关指令闭合2个均衡开关，即实现了对电池小模块的均衡功能。均衡分流后，当该节电池小模块的电压值低于设定的最大值时，星务通信系统按上述指令发送方法给均衡开关发送断开指令，断开2个均衡开关。均衡开关驱动及状态遥测电路中的状态遥测电路可以实时的均衡开关的状态检测到，通过译码及编码模块编码后，由1553B接口电路及CPU电路传递给星务系统，用以对均衡开启状态予以判断；
在锂离子蓄电池组循环充放电过程中，电池小模块的性能会衰减或者变差，当星务通信系统通过电池电源检测模块检测到某一电池小模块正负极端电压在充电时明显高于其他电池小模块，且无法通过均衡分流方式予以纠正，或放电过程中电池小模块电压明显低于其他电池小模块电压，存在着过放电的可能时，星务通信系统下传指令信号给1553B接口电路及CPU电路，经译码及编码模块译码后，将指令传递给旁路开关驱动及状态遥测电路，发出旁路开关的驱动开关指令，闭合3个驱动开关，即实现了对电池小模块的旁路开关的驱动，切除故障电池小模块。故障单体切除后，星务通信系统按上述指令发送方法给驱动开关发送断开指令，断开3个驱动开关；为了可靠性方面考虑，驱动开关中的两个开关接受来自星上的直接指令用于驱动开关通断控制，旁路开关驱动及状态遥测电路中的状态遥测电路检测驱动开关的状态，通过译码及编码模块编码后，由1553B接口电路及CPU电路传递给星务系统，用以旁路开关工作状态予以判断；上述即实现了对锂离子蓄电池组的每节单体进行监视和管理；
DC/DC变换器通过锂离子蓄电池本身作为一次供电输入，二次供电输出给管理单元内的芯片和元器件提供供电。
本发明与现有技术相比的优点：
充分继承了锂电池管理单元的单体电压采集技术和均衡分流技术，并创造性的将旁路开关控制纳入管理单元内，将锂离子蓄电池组和管理单元集成在一体，同时由蓄电池组统一为管理单元供电，与星务仅通过1553B单一接口通信，且在星务计算机托管的情况下，管理单元可自主对蓄电池组进行管理；同时因该种设计，可以使得管理单元硬件部分靠近蓄电池本体，极大的缩短与蓄电池之间的互联线，极大的简化了设备间的接口，同时减轻蓄电池组及管理单元的重量，大大提高锂离子电池的比能量。
附图说明
图1为本发明的流程框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明锂离子蓄电池与管理单元集成系统包括：锂离子蓄电池组1和管理单元2，其中管理单元包括电池电压检测模块21、均衡开关驱动及状态遥测电路22、旁路开关驱动及状态遥测电路23、译码及编码模块24、1553B接口电路及CPU电路25、DC/DC变换器26，锂离子蓄电池组与管理单元集成为一体；
锂离子蓄电池组有多节电池小模块串联而成，每节电池小模块正极端和负极端分别通过连接至电池电源检测模块；为了实现均衡分流，采用一个电阻R1和2个均衡开关K1和K2串联后，并联于每节电池小模块正极端和负极端；另外为保证锂离子蓄电池组的安全性，防止锂离子蓄电池组开路或短路，在每节电池小模块上串联旁路开关T1-T2-T3；旁路开关的驱动S通过锂离子蓄电池组提供功率驱动，由锂离子蓄电池组正极端到旁路开关驱动端，再到锂离子蓄电池组负极端形成驱动通路，驱动通路上通过旁路开关的3个驱动开关Ka、Kb和Kc控制通断；
电池电压检测模块21，为常用的锂离子蓄电池电阻式分压采样电路，将检查到的每节电池小模块的电压值传递给译码及编码模块24；
均衡开关驱动及状态遥测电路22中的均衡开关驱动电路接收译码及编码模块24指令信号，发出均衡开关通断指令，用于实现均衡开关K1和K2通断控制；均衡开关驱动及状态遥测电路22中的状态遥测电路检测均衡开关K1和K2的状态，即均衡状态，将状态检测结果输出至译码及编码模块24；
旁路开关驱动及状态遥测电路23中的旁路开关驱动电路接收译码及编码模块24指令信号，发出旁路开关的驱动开关Ka、Kb和Kc通断指令，用于实现对旁路开关的驱动开关Ka、Kb和Kc通断控制；旁路开关驱动及状态遥测电路23中状态遥测电路检测旁路开关的状态，将状态检测结果输出值译码及编码模块24；
译码及编码模块24，将1553B接口电路及CPU电路25接收到的信号进行编码译码后送至电池电压检查模块21、均衡开关驱动及状态遥测电路22和旁路开关驱动及状态遥测电路23；
1553B接口电路及CPU电路15，实现与星务通信系统通信27；
DC/DC变换器26为管理单元内各个用电模块提供二次供电。
锂离子蓄电池组由11节电池小模块11串联，每节电池小模块由1～5个单体电池并联而成。
为了安全性考虑，均衡开关为2个，两个均衡开关K1和K2串联，当两个均衡开关K1和K2同时闭合时，实现每节电池小模块均衡功能；当两个均衡开关K1和K2中的某一个断开或全部断开时，暂停均衡功能；均衡开关驱动及状态遥测电路22同时获取两个均衡开关的开关状态，用以判断均衡状态。
为了安全性考虑，旁路开关的驱动开关为3个，当旁路开关的3个驱动开关Ka、Kb和Kc全部接通时，实现对旁路开关T1-T2-T3的驱动，切除对应电池小模块；当旁路开关的3个驱动开关Ka、Kb和Kc中有一个或两只或三只断开时，不能实现对旁路开关的驱动；旁路开关驱动及状态遥测电路23同时获取旁路开关的驱动开关的状态，用以判断旁路开关状态。
1553B接口电路及CPU电路25与星务通信接口采用标准的1553B接口。
1553B接口电路及CPU电路25内置有在轨工作软件，在星务通信系统27托管的情况下，能够对锂离子蓄电池组进行自主管理。
每个电池小模块都配置一个上述如此功能的管理单元模块2，组成整组蓄电池组的管理单元。
锂离子蓄电池与管理单元集成为一体，两者之间的互联线短。
在锂离子蓄电池组充电过程中，单体电压检测模块21实时采集电池小模块11正负极端的电压值，传递给译码及编码模块24编码后，通过1553B接口电路及CPU电路25将编码值传给星务通信系统27，即可实时检测锂离子蓄电池组各个小模块电压值。当某节电池小模块的电压值达到某一最大值时，即需要对电压较高的电池小模块进行均衡分流，保护其不过充电。分流的方式为接收星务系统27下传指令信号给1553B接口电路及CPU电路25，经译码及编码模块译码24后，将指令传递给均衡开关驱动及状态遥测电路21，发出均衡开关指令闭合2个均衡开关K1和K2，即实现了对电池小模块的均衡功能。均衡分流后，当该节电池小模块的电压值低于约定的最大值时，星务通信系统按上述指令发送方法给均衡开关发送断开指令，断开2个均衡开关K1和K2。均衡开关驱动及状态遥测电路22中的状态遥测电路可以实时的均衡开关的状态检测到，通过译码及编码模块编码24后，由1553B接口电路及CPU电路25传递给星务系统27，用以对均衡开启状态予以判断。
在锂离子蓄电池组循环充放电过程中，电池小模块的性能会衰减或者变差，当星务通信系统27通过电池电源检测模块检测到某一电池小模块正负极端电压在充电时明显高于其他电池小模块，且无法通过均衡分流方式予以纠正，或放电过程中电池小模块电压明显低于其他电池小模块电压，存在着过放电的可能时，星务通信系统27下传指令信号给1553B接口电路及CPU电路25，经译码及编码模块24译码后，将指令传递给旁路开关驱动及状态遥测电路23，发出旁路开关Ka、Kb和Kc的驱动开关指令，闭合3个驱动开关Ka、Kb和Kc，即实现了对电池小模块的旁路开关Ka、Kb和Kc的驱动，切除故障电池小模块。故障单体切除后，星务通信系统按上述指令发送方法给驱动开关Ka、Kb和Kc发送断开指令，断开3个驱动开关Ka、Kb和Kc。为了可靠性方面考虑，驱动开关中的两个开关Ka和Kb可接受来自星上的直接指令用于驱动开关通断控制。旁路开关驱动及状态遥测电路23中的状态遥测电路检测驱动开关的状态，通过译码及编码模块编码24后，由1553B接口电路及CPU电路25传递给星务系统27，用以旁路开关工作状态予以判断。
综上，管理单元实现了对锂离子蓄电池组的每节单体进行监视和管理。
DC/DC变换器通过锂离子蓄电池本身作为一次供电输入，二次供电输出给管理单元内的芯片和元器件等提供供电。

Claims (8)

1.一种锂离子蓄电池与管理单元集成系统，其特征在于包括：锂离子蓄电池组和管理单元，其中管理单元包括电池电压检测模块、均衡开关驱动及状态遥测电路、旁路开关驱动及状态遥测电路、译码及编码模块、1553B接口电路及CPU电路、DC/DC变换器，锂离子蓄电池组与管理单元集成为一体；
锂离子蓄电池组由 多节电池小模块串联而成，每节电池小模块正极端和负极端分别连接至电池电压检测模块；为了实现均衡分流，采用一个电阻和均衡开关串联后，并联于每节电池小模块正极端和负极端；另外为保证锂离子蓄电池组的安全性，防止锂离子蓄电池组开路或短路，在每节电池小模块上串联旁路开关；旁路开关的驱动通过锂离子蓄电池组提供功率驱动，由锂离子蓄电池组正极端到旁路开关驱动端，再到锂离子蓄电池组负极端形成驱动通路，驱动通路上通过旁路开关的驱动开关控制通断；所述的电池小模块由2～5个单体电池并联而成；
电池电压检测模块，将检查到的每节电池小模块的电压值传递给译码及编码模块；
均衡开关驱动及状态遥测电路中的均衡开关驱动电路接收译码及编码模块指令信号，发出均衡开关通断指令，用于实现均衡开关通断控制；均衡开关驱动及状态遥测电路中的状态遥测电路检测均衡开关的状态，即均衡状态，将状态检测结果输出至译码及编码模块；
旁路开关驱动及状态遥测电路中的旁路开关驱动电路接收译码及编码模块指令信号，发出旁路开关的驱动开关通断指令，用于实现对旁路开关的驱动开关通断控制；旁路开关驱动及状态遥测电路中状态遥测电路检测旁路开关的状态，将状态检测结果输出至 译码及编码模块；
译码及编码模块，将1553B接口电路及CPU电路接收到的信号进行编码译码后送至电池电压检查模块、均衡开关驱动及状态遥测电路和旁路开关驱动及状态遥测电路；
1553B接口电路及CPU电路，实现与星务通信系统通信；
DC/DC变换器为管理单元内各个用电模块提供二次供电。
2.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池与管理单元集成系统，其特征在于：锂离子蓄电池组由11节电池小模块串联，每节电池小模块由2～5个单体电池并联而成。
3.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池与管理单元集成系统，其特征在于：为了安全性考虑，均衡开关为2个，两个均衡开关串联，当两个均衡开关同时闭合时，实现每节电池小模块均衡功能；当两个均衡开关中的某一个断开或全部断开时，暂停均衡功能；均衡开关驱动及状态遥测电路同时获取两个均衡开关的开关状态，用以判断均衡状态。
4.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池与管理单元集成系统，其特征在于：为了安全性考虑，旁路开关的驱动开关为3个，当旁路开关的3个驱动开关全部接通时，实现对旁路开关的驱动，切除对应电池小模块；当旁路开关的3个驱动开关中有一个或两个或三个断开时，不能实现对旁路开关的驱动；旁路开关驱动及状态遥测电路同时获取旁路开关的驱动开关的状态，用以判断旁路开关状态。
5.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池与管理单元集成系统，其特征在于：1553B接口电路及CPU电路与星务通信系统采用标准的1553B接口。
6.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池与管理单元集成系统，其特征在于：1553B接口电路及CPU电路内置有在轨工作软件，在星务通信系统托管的情况下，能够对锂离子蓄电池组进行自主管理。
7.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池与管理单元集成系统，其特征在于：每个电池小模块都配置一个上述如此功能的管理单元，组成整组蓄电池组的管理单元。
8.一种锂离子蓄电池与管理单元集成系统的实现方法，其特征在于步骤如下：
在锂离子蓄电池组充电过程中，单体电压检测模块实时采集电池小模块正负极端的电压值，传递给译码及编码模块编码后，通过1553B接口电路及CPU电路将编码值传给星务通信系统，即可实时检测锂离子蓄电池组各个电池小模块电压值；当某节电池小模块的电压值达到某一最大值时，即需要对电压较高的电池小模块进行分流均衡，保护其不过充电；分流的方式为接收星务通信系统下传指令信号给1553B接口电路及CPU电路，经译码及编码模块译码后，将指令传递给均衡开关驱动及状态遥测电路，发出均衡开关指令闭合均衡开关，即实现了对电池小模块的均衡功能；均衡分流后，当该节电池小模块的电压值低于设定的最大值时，星务通信系统按上述指令发送方法给均衡开关发送断开指令，断开均衡开关；均衡开关驱动及状态遥测电路中的状态遥测电路可以实时的检测到均衡开关的状态，通过译码及编码模块编码后，由1553B接口电路及CPU电路传递给星务通信系统，用以对均衡开启状态予以判断；所述的电池小模块由2～5个单体电池并联而成；
在锂离子蓄电池组循环充放电过程中，电池小模块的性能会衰减，当星务通信系统通过电池电压检测模块检测到某一电池小模块正负极端电压在充电时明显高于其他电池小模块，且无法通过均衡分流方式予以纠正，或放电过程中电池小模块电压明显低于其他电池小模块电压，存在着过放电的可能时，星务通信系统下传指令信号给1553B接口电路及CPU电路，经译码及编码模块译码后，将指令传递给旁路开关驱动及状态遥测电路，发出旁路开关的驱动开关指令，闭合驱动开关，即实现了对电池小模块的旁路开关的驱动，切除故障电池小模块；故障单体切除后，星务通信系统按上述指令发送方法给驱动开关发送断开指令，断开驱动开关；为了可靠性方面考虑，驱动开关中的两个开关接受来自星务通信系统的直接指令用于驱动开关通断控制，旁路开关驱动及状态遥测电路中的状态遥测电路检测驱动开关的状态，通过译码及编码模块编码后，由1553B接口电路及CPU电路传递给星务通信系统，用以旁路开关工作状态予以判断；上述即实现了对锂离子蓄电池组的每节单体进行监视和管理；
DC/DC变换器通过锂离子蓄电池本身作为一次供电输入，给管理单元内的芯片和元器件供电。
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