CN105391126A - 一种空间锂离子蓄电池组均衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间锂离子蓄电池组均衡装置，包括，均衡装置包括阈值比较电路、电流反馈电路、压控电流源电路、限流电路和主功率电路；将电池单体电压限制在两个阈值之间。本发明电路实现简单，无需控制芯片，能够应用于卫星锂离子蓄电池组，均衡管理实现锂离子蓄电池组的自主均衡控制，并且利用单体电压实现单体独立控制。

Description

-种空间裡离子蓄电池组均衡装置

技术领域

[0001] 本发明设及一种空间裡离子蓄电池组均衡装置，属于电池管理领域。

背景技术

[0002] 裡离子蓄电池具有高的重量/体积比能量，可W提高卫星平台的载荷比，降低发 射成本，同时裡离子蓄电池具有热效应小、自放电小和易于模块化等优点，在航天领域应用 优势明显，正成为继儒儀和氨儀电池之后第=代航天用储能电源。

[0003] 然而，裡离子蓄电池在长期充放电循环后，由于各单体自放电率、内阻、容量衰降 率等存在差异，使电池组各单体荷电量差异也越来越大，呈发散趋势，容易造成电池组单体 电池间性能离散型加大，从而导致整组电池寿命缩短，甚至失效。因此针对高轨卫星用长寿 命裡离子蓄电池，需要采用均衡充电技术，保证单体电压的一致性。

[0004] 空间裡离子蓄电池均衡技术，受元器件、原材料、抗福照要求的限制，技术还未达 到成熟，目前存在多种均衡方式，典型的包括E3000平台上应用的单体压差控制恒定电阻 均衡电路和Boeing702平台上应用的DC-DC变换器非耗散型均衡充电技术，前者虽然硬件 结构简单，然而运种均衡方案无自主管理，由整星星载软件提供集中控制，星载软件复杂。 后者属于能量非耗散型均衡方式，能量损耗小，然而电路结构过于复杂，对器件一致性要求 较高。因此，如何采用一种简单实用的电路实现电池的自主均衡控制，简化星载软件，同时 提高均衡的可靠性，成为一个新的研究课题。

发明内容 阳0化]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型的空间裡离子蓄电池组均 衡管理方法，能够应用于卫星裡离子蓄电池组，均衡管理实现裡离子蓄电池组的自主均衡 控制，并且利用单体电压实现单体独立控制。

[0006] 本发明目的通过如下技术方案予W实现：

[0007] 提供一种空间裡离子蓄电池组均衡装置，所述蓄电池组包括多个串联的蓄电池单 体，每个蓄电池单体并联连接一个均衡装置；均衡装置包括阔值比较电路、电流反馈电路、 压控电流源电路、限流电路和主功率电路；

[0008] 所述阔值比较电路比较蓄电池单体的电压与第一阔值电压，当蓄电池单体的电压 高于第一阔值电压时，输出第一驱动电流至主功率电路的第一控制端；

[0009] 所述电流反馈电路对主功率电路输出的均衡电流采样，对采样电流处理后，输出 反馈电压至压控电流源电路的反馈输入端；

[0010] 所述压控电流源电路包括第一比较电路和PI调节电路，第一比较电路比较蓄电 池单体的电压与第一阔值电压，当蓄电池单体的电压大于第一阔值电压时，输出第一电压 至PI调节电路的第一输入端；PI调节电路通过调节降低两个输入端的输入电压差值，PI调 节电路的第一输入端输入第一电压，PI调节电路的第二输入端作为压控电流源电路的反馈 输入端，PI调节电路输出第二电压至限流电路；

[0011] 所述限流电路输入第二电压，输出与第二电压对应的第二驱动电流，并限制第二 驱动电流的最大值，第二驱动电流输出至主功率电路的第二控制端；

[0012] 所述主功率电路包括第一达林顿管和第二达林顿管，第一达林顿管的控制端为主 功率电路的第一控制端，第二达林顿管的控制端为主功率电路的第二控制端；第一达林顿 管的集电极端连接电池单体的正输出端，射极连接泄放电阻的一端，泄放电阻的另一端连 接第二达林顿管的集电极，第二达林顿管的输出端输出均衡电流，第二达林顿管的输出端 经反馈电阻连接电池单体的负输出端。

[0013] 优选的，第一阔值电压的取值为4. 0~4. IV，对应电池单体的荷电状态为90%~ 100%。

[0014] 优选的，当电池单体输出电压值小于第一阔值电压时第一达林顿管和第二达林顿 管均处于截止状态，当电池单体输出电压值大于第一阔值电压时，第一达林顿管处于饱和 状态，第二达林顿管处于线性放大状态。

[0015] 优选的，PI调节电路为比例积分电路。

[0016] 优选的，所述电流反馈电路包括串联连接的射极跟随电路和放大电路。

[0017] 优选的，还包括第一阔值电压生成电路，输出第一阔值电压。

[0018] 优选的，所述限流电路包括第五电阻、第六电阻、第屯电阻，稳压管，所述第五电阻 和第六电阻串联连接在PI调节电路的输出端和电池单体的负输出端；所述第屯电阻的一 端连接至所述第五电阻和第六电阻的公共端，另一端作为所述限流电路的输出端，输出第 二驱动电流；所述稳压管的正极连接电池单体的负输出端，稳压管的正极连接PI调节电路 的输出端。

[0019] 优选的，均衡电流的最大值为 其中Udzi为稳压管 , 的稳压电压值，Uee为达林顿管发射结压降，0为第二达林顿管的放大倍数，R5第五电阻的 阻值、R6为第六电阻的阻值、R7为第屯电阻的阻值。

[0020] 优选的，电池单体输出电压的上限值V2的取值小于电池单体的安全电压值。

[0021] 本发明与现有技术相比具有如下优点：

[0022] (1)本发明均衡管理方法采用完全自主的全硬件均衡控制方案，不依赖星载软件， 无需控制忍片，并且利用单体电压进行独立控制，无需对单体电压之间进行比较，大大简化 了控制复杂程度。一定程度上减少了系统重量，提高了可靠性。

[0023] (2)本发明通过电路设计及理论分析，实现了运种新型的均衡管理方法。仿真及试 验结果验证了均衡方法的可实现性和有效性，为工程实际应用提供参考和借鉴。

[0024] 做本发明采用线性调节，闭环调节，电路简单可靠，控制精度高。

[00对 （4)本发明的均衡管理装置具有小型化、模块化和通用化的特点，能够适应于高中 低不同轨道卫星应用场合。

[00%] (5)本发明采用两个达林顿管串联的功率电路，电路上进行了可靠性冗余设计，防 止一只管子短路导致蓄电池单体出现持续大电流均衡的情况。即使一只功率管发生短路故 障，另外一只功率管仍能工作，不影响整个电路的均衡分流功能。

附图说明

[0027]图1为本发明的单体电压与均衡电流线性变化曲线图示意图；

[0028] 图2为本发明的蓄电池组与能源管理系统接口图；

[0029] 图3为本发明的线性均衡电路与电池组电路连接图；

[0030] 图4为本发明的线性均衡电路原理框图；

[0031] 图5为本发明的主功率电路图；

[0032] 图6为本发明的压控电流源闭环控制原理框图；

[0033] 图7为本发明的压控电流源及限流电路原理图；

[0034] 图8为本发明的电流反馈处理电路原理图；

[0035] 图9为本发明的阔值比较电路原理图；

[0036] 图10为本发明的第一阔值电压生成电路原理图；

[0037] 图11为本发明的线性均衡电路仿真结果；

[0038] 图12为本发明的蓄电池单体戴维南等效电路模型；

[0039] 图13为本发明的地影期充放电管理逻辑框图；

[0040] 图14为本发明的单体电压与充放电电流仿真结果；

[0041] 图15为本发明的地面试验结果。

具体实施方式

[0042] 裡离子蓄电池单体电压与荷电态具有很好的线性关系，同一组蓄电池中，电压越 高的单体，其荷电态偏离平均值越大，因此需要的均衡电流越大。本发明采用的均衡管理方 法是一种线性均衡方式，采用如图1所示单体电压与均衡电流线性变化的方式，即压控电 流源的方式，实现裡离子蓄电池组的快速均衡。图中Vl为开启阔值电压，V2为饱和阔值电 压，Imax为最大均衡电流。

[0043] 每个电池单体可W包括一个或多个并联单元，如图3所示为3个并联单元。为了 实现对每个电池单体电压的独立均衡控制，在每个电池单体旁并联一个完全相同的线性均 衡电路，如图2、3所示，在充电结束末期，当单体电压超过开启阔值电压VI，均衡电路开启， 单体电压越高，均衡电流越大，从而将每并单体电压维持在开启阔值电压，实现单体电压的 一致性。 W44] 线性均衡电路主要由主功率电路、压控电流源电路、电流反馈电路W及阔值比较 电路，如图4所示。

[0045] 1、线性均衡电路的实现

[0046] 线性均衡电路原理框图如图4所示，由主功率电路、压控电流源电路、电流反馈电 路W及阔值比较电路共四部分电路构成。

[0047] 主功率电路由两个完全相同的达林顿管和一个泄放电阻串联构成，为电池单体提 供均衡电流通路。主功率回路上串联一个采样电阻，均衡电流采样后由电流反馈电路进行 滤波放大，得到的反馈信号输入到压控电流源。压控电流源是整个线性均衡电路的核屯、部 分，采用均衡电流闭环控制方式，当单体电压超过开启阔值电压，保证两者压差与均衡电流 成线性关系。限流电路通过稳压二极管限制驱动电压幅值，从而限制最大均衡电流值，当单 体电压超过饱和阔值电压时，保证均衡电流维持最大电流。阔值比较电路采用运放比较方 式，实现当单体电压小于开启阔值电压时，=极管Ql截止，均衡电流为零，当单体电压达到 开启阔值电压时，=极管Ql导通，并进入饱和状态，均衡电流开启。 引 2、线性均衡电路工作原理

[0049]线性均衡电路实现单体电压与均衡电流满足图1曲线关系，其基本工作原理如 下：当单体电压小于开启阔值电压时，=极管截止，均衡电流为0,当单体电压达到开启阔 值电压时，电路工作在压控电流源方式，即两者压差与均衡电流成线性关系，单体电压越 高，均衡电流越大，当单体电压达到饱和阔值电压，通过限流方式，将均衡电流维持在最大 值。

[0050] 3、各部分电路具体实现

[00川线性均衡电路由主功率电路、压控电流源电路、电流反馈电路W及阔值比较电路 共四部分电路构成。

[0052] 3. 1主功率电路

[0053]主功率管采用两个NPN S极管构成达林顿管，后一级S极管集电极通流能力应该 满足最大均衡电流需求，前一级=极管集电极通流能力应该满足后一级=极管基极驱动电 流需求，两个达林顿管应该选取合适的放大倍数，适应前级电流驱动能力。

[0054]为了防止一只管子短路导致蓄电池单体出现持续大电流均衡的情况，采用两只达 林顿管Ql和Q2串联的结构，如图5所示，两只功率管分别进行独立控制。当电池单体输出 电压值Vcell小于Vl时第一达林顿管Ql和第二达林顿管Q2均处于截止状态，当电池单体 输出电压值Vcell大于Vl时，第一达林顿管Ql处于饱和状态，第二达林顿管Q2处于线性 放大状态。 阳化5] 主功率电路串联一个泄放电阻Rv在两个达林顿管之间，对电池单体多余的能量 进行耗散。

[0056]主功率电路采用一个采样电阻R化对均衡电流L进行采样，该电阻同样也能够对 电池单体多余的能量进行耗散的作用，该电阻值一般较小，为毫欧级。

[0057] 3. 2压控电流源电路

[0058]线性均衡电路的核屯、部分是压控电流源电路，其闭环控制原理框图如图6所示， 单体电池电压与开启阔值电压进行比较，得到误差电压与均衡电流反馈值进行比较，经过 PI调节后，驱动主功率电路。采用闭环控制，可W抑制功率管放大倍数变化的影响，实现单 体电压与均衡电流的线性变化。在PI调节电路的后面采用限流电路从而实现最大电流的 恒定。限流电路采用稳压二极管DZl进行限压，限制输出电流。

[0059]压控电流源具体电路实现如图7所示，图中Vcell为单体电压，接地表示连接单体 电池的负输出端，Ib为基极驱动电流。运放采用LM324,供电采用12V单电源供电。参考源 采用高精度、低溫漂电压参考源，保证参考电压的精度，输出电流Ib接到达林顿管的基极。 在运放输出端采用稳压管对输出进行嵌位，当单体电压高于饱和阔值电压是，保证均衡电 流维持最大值。

[0060] 图 7 中 Rl = R1，，R2 = R2，，R3 = R3，。 阳06U PI调节电路采用比例积分电路，当Vcell大于VI，且Vcell增大时，Ve增大，比例 积分电路的输入压差增大，Vo增大，导致均衡电流IL增大，经电流反馈处理电路后Ufbi增 大，比例积分电路的输入压差减小，实现闭环控制。

[0062] 3. 3电流反馈处理电路

[0063] 电流反馈电路包括串联连接的射极跟随电路和放大电路；采用功率电阻对主回路 电流L进行采集，采集电压U fb经过运放进行滤波放大，形成电流反馈电压U fbi，具体电路如 图8所示。 W64] 3. 4阔值比较电路 W65] 阔值比较电路如图9所示。当单体电压小于开启阔值电压时，达林顿管Ql截止， 均衡电流为0,当单体电压达到开启阔值电压时，达林顿管Ql工作在饱和区，均衡电流由Q2 决定。

[0066] 其中 Rll = Rir = R21 = R21'，R12 = R12'。

[0067] 3. 5参数设计

[0068] 针对图1中曲线重点参数设计如下：

[0069] 起控电压Vl :通过选取稳压源，并选取适当的电阻分压得到需要的电压基准；

阳07U 图1中斜率K:

阳07；3]限流值Imax:

[007引其中Udzi为稳压管DZl的稳压电压值，U BE为达林顿管发射结压降。

[0076] Vl的取值一般为4. 0~4.IV，对应电池单体荷电状态为90 %~100%。电池单体 输出电压的上限值V2的取值小于电池单体的安全电压值。

[0077] 3、仿真及试验结果

[007引 3. 1线性均衡电路仿真结果 阳0巧]选取均衡参数如下：Vl = 4. 045V，V2 = 4. 2V，Imax = 4A。在每次地影期大电流 充电开始后，一旦某只单体电压超过4. 045V，则对应的均衡电路开启，单体电压越高，均衡 电流越大，经过几次地影充放电循环后即可实现单体电压压差小于IOmV。

[0080] 在S油er中搭建了相应的仿真电路，将电池单体电压从3. 8V渐变到4. 4V，可W得 到分流电流与单体电压之间的曲线关系，如图11所示。从曲线可W看出，均衡电路实现了 预期的效果，在蓄电池单体电压小于4. 045V时，分流电流约等于0,当蓄电池单体电压大于 4. 045V小于4. 2V时，分流电流随单体电压线性增加，当蓄电池单体电压大于4. 2V时，分流 电流维持最大值4A保持不变。

[0081] 3. 2能源管理系统仿真结果

[0082] 为了验证设计的新型均衡电路能够实现蓄电池组的均衡功能，在Simulink中搭 建了蓄电池组和充放电管理的仿真模型。蓄电池单体采用戴维南等效电路，如图12所示， 相比于其他裡电池模型，戴维南模型是最有代表性的电路模型，模型参数简单、能够比较准 确的反应裡电池的工作特性，在工程应用中得到了广泛的应用。

[0083] 单体容量为45Ah，根据裡电池的特性曲线得到裡电池的模型参数，对蓄电池单体 进行封装，并通过5并4串构成蓄电池组。充放电管理方式采用simulink/stateflow进行 建模，可W有效、方便的搭建充放电管理逻辑，地影期充放电管理逻辑框图如图13所示。充 放电参数与调研的国外卫星在轨参数保持一致，采用恒流恒压充电方式，大电流充电电流 为C/10,其中C为蓄电池容量，仿真模型中C = 225Ah。放电采用恒功率放电，在最长地影 72min放电时，蓄电池组放电深度为80%。

[0084] 将蓄电池组模型，充放电管理模型与线性均衡电路进行了联合仿真。每并单体旁 边并联一个独立的新型均衡电路，无需对单体电压进行比较，简化了星载软件的复杂程度。 [00化]为了研究新型均衡电路在地影期的均衡效果，设置蓄电池单体初始最大压差为 lOOmV，仿真结果见图14,从图中可W看出，到第6个地影日，单体最大压差小于IOmV,具有 很好的均衡效果。

[0086] 3. 3地面试验结果

[0087] 图15为地面试验结果，蓄电池单体为45Ah，通过5并4串构成蓄电池组。充电 采用恒流恒压方式，充电电流为C/10,放电采用恒功率放电，蓄电池单体初始最大压差为 lOOmV，从地面试验结果可W看出，到第10个地影日，单体最大压差小于IOmV,单体电压变 化趋势与仿真结果一致。

[0088] W上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明掲露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。

[0089] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1. 一种空间锂离子蓄电池组均衡装置，所述蓄电池组包括多个串联的蓄电池单体，每 个蓄电池单体并联连接一个均衡装置；其特征在于，均衡装置包括阈值比较电路、电流反馈 电路、压控电流源电路、限流电路和主功率电路； 所述阈值比较电路比较蓄电池单体的电压与第一阈值电压（Vl)，当蓄电池单体的电压 高于第一阈值电压（Vl)时，输出第一驱动电流至主功率电路的第一控制端； 所述电流反馈电路对主功率电路输出的均衡电流采样，对采样电流进行放大、滤波处 理后，输出反馈电压至压控电流源电路的反馈输入端； 所述压控电流源电路包括第一比较电路和PI调节电路，第一比较电路比较蓄电池单 体的电压与第一阈值电压（VI)，当蓄电池单体的电压大于第一阈值电压（Vl)时，输出第一 电压（Ve)至PI调节电路的第一输入端；PI调节电路通过调节降低两个输入端的输入电压 差值，PI调节电路的第一输入端输入第一电压（Ve)，PI调节电路的第二输入端作为压控电 流源电路的反馈输入端，PI调节电路输出第二电压（Vo)至限流电路； 所述限流电路输入第二电压（Vo)，输出与第二电压（Vo)对应的第二驱动电流（Ib)，并 限制第二驱动电流（Ib)的最大值，第二驱动电流（Ib)输出至主功率电路的第二控制端； 所述主功率电路包括第一达林顿管和第二达林顿管，第一达林顿管的控制端为主功 率电路的第一控制端，第二达林顿管的控制端为主功率电路的第二控制端；第一达林顿管 的集电极端连接电池单体的正输出端（Vcell)，射极连接泄放电阻（Rv)的一端，泄放电阻 (Rv)的另一端连接第二达林顿管的集电极，第二达林顿管的输出端输出均衡电流（IL)，第 二达林顿管的输出端经反馈电阻（Rfb)连接电池单体的负输出端。

2. 根据权利要求1所述空间锂离子蓄电池组均衡装置，其特征在于，第一阈值电压 (Vl)的取值为4.0~4.IV，对应电池单体的荷电状态为90 %~100%。

3. 根据权利要求1所述空间锂离子蓄电池组均衡装置，其特征在于，当电池单体输出 电压值小于第一阈值电压（Vl)时第一达林顿管和第二达林顿管均处于截止状态，当电池 单体输出电压值大于第一阈值电压（Vl)时，第一达林顿管处于饱和状态，第二达林顿管处 于线性放大状态。

4. 根据权利要求1所述空间锂离子蓄电池组均衡装置，其特征在于，PI调节电路为比 例积分电路。

5. 根据权利要求1所述空间锂离子蓄电池组均衡装置，其特征在于，所述电流反馈电 路包括串联连接的射极跟随电路和放大电路。

6. 根据权利要求1所述空间锂离子蓄电池组均衡装置，其特征在于，还包括第一阈值 电压（Vl)生成电路，输出第一阈值电压（VI)。

7. 根据权利要求1所述空间锂离子蓄电池组均衡装置，其特征在于，所述限流电路包 括第五电阻（R5)、第六电阻（R6)、第七电阻（R7)，稳压管（DZl)，所述第五电阻（R5)和第六 电阻（R6)串联连接在PI调节电路的输出端和电池单体的负输出端；所述第七电阻（R7)的 一端连接至所述第五电阻（R5)和第六电阻（R6)的公共端，另一端作为所述限流电路的输 出端，输出第二驱动电流（Ib);所述稳压管（DZl)的正极连接电池单体的负输出端，稳压管 (DZl)的正极连接PI调节电路的输出端。

8. 根据权利要求7所述空间锂离子蓄电池组均衡装置，其特征在于，均衡电流（IL)的 其中队21为稳压管（DZl)的稳压电压值，Ube为达

.? 林顿管发射结压降，β为第二达林顿管的放大倍数，R5第五电阻（R5)的阻值、R6为第六电 阻（R6)的阻值、R7为第七电阻（R7)的阻值。

9.根据权利要求1所述空间锂离子蓄电池组均衡装置，其特征在于，电池单体输出电 压的上限值V2的取值小于电池单体的安全电压值。