CN105529766B - 一种应用于s4r型电路的防过充装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于S4R型电路的防过充装置，包括：S4R充电模块、放电调节模块、均衡模块以及下位机模块；S4R充电模块，包括锂电池整组电压控制、锂电池单体最大电压控制以及充电电流控制，同时对锂电池的充电状态进行监测与控制，控制参数可以通过下位机模块进行更改；所述放电调节模块，采用BOOST升压模式，同时具备母线电压过压、欠压保护电路以及输出电流限流保护电路；所述均衡模块，提供锂电池单体的采样、均衡功率回路以及逻辑控制接口，防止单体电池过压；均衡电路的逻辑控制由下位机模块实现；所述下位机模块，包括锂电池温控模块以及锂电池充放电管理模块；下位机所需的输入信号由模拟量采集电路提供。

Description

一种应用于S4R型电路的防过充装置
技术领域
本发明应用于卫星、空间站等航天器用电源控制器领域，具体涉及一种应用于S4R型电路的防过充装置。
背景技术
锂电池的在轨使用是一个需要进行综合考虑。温度、放电深度、工作电流、充电方式等都会对其产生影响。过压使用锂电池不仅会缩短其寿命，更存在严重的安全隐患。
目前，不同轨道、使用环境的锂电池的过压控制参数均各有差异，需要结合具体的工作条件，为蓄电池量身定做一套适合的控制方式。
鉴于以上原因，需要一种新的防过压控制装置，针对国内低轨小型卫星使用的锂离子蓄电池不同的寿命及轨道条件，控制蓄电池处于在轨最优的工作状态。
发明内容
为解决现有加工技术中存在的问题，本发明所要解决的技术问题是开发一种应用于S4R型电路的防过压装置，作为空间电源系统中控制锂离子蓄电池在轨正常工作期间的控制核心，对锂电池的充放电以及在轨维护采取合适的控制手段，防止蓄电池工作时过压，延长锂电池在轨的工作寿命。
本发明的应用于S4R型电路的防过充装置从锂电池的充电控制参数、放电方式以及长期管理要求方面，软硬件结合对，防止蓄电池过压。
本发明的应用于S4R型电路的防过充装置对锂电池的充电管理，是由充电模块采集锂电池在充电过程中的参数，经由逻辑控制电路分析控制，改变充电控制电子开关的占空比，从而调节充电电流与充电终压。参数的采集方式可以由下位机进行控制切换，从而实现改变锂电池当前的充电参数。
本发明的技术方案：一种应用于S4R型电路的防过充装置，包括：S4R充电模块、放电调节模块、均衡模块以及下位机模块；所述S4R充电模块，包括锂电池整组电压控制、锂电池单体最大电压控制以及充电电流控制，同时对锂电池的充电状态进行监测与控制，S4R充电模块中充电电路的控制参数可以通过下位机模块进行更改；所述放电调节模块，采用BOOST升压模式，同时具备母线电压过压、欠压保护电路以及输出电流限流保护电路；所述均衡模块，提供锂电池单体的采样、均衡功率回路以及逻辑控制接口，防止单体电池过压；均衡电路的逻辑控制由下位机模块实现；所述下位机模块，包括锂电池温控模块以及锂电池充放电管理模块；下位机所需的输入信号由模拟量采集电路提供。
进一步，所述下位机模块，下位机采用以MCS-51为核心的微处理器系统，程序存储器16K字节，数据存储器8K字节，注入程序存贮器16K字节，晶振频率11.0592MHz，软件采取模块化设计，以C语言编写。
进一步，所述均衡模块通过均衡控制电路调节蓄电池各单体之间的电压差异，电路采集蓄电池所有单体电压，传送至下位机，由下位机对单体电压的一致性进行判断，并打开均衡逻辑控制功能，最后将结果返还至均衡电路的旁路开关，控制单体电池均衡放电，以防止下一个充电周期蓄电池某一单体的过充。
本发明技术可以用于重量、体积要求严苛，蓄电池工作环境变化较大的航天器。电路结构简单，由于S4R 型电路为合阵式充电控制策略，单一太阳电池阵输出既可以作为航天器负载使用，又可以为蓄电池充电，可以减小航天器的太阳能发电装置的面积，进一步减小航天器研发成本。设计的用于过充参数调节的对外接口，对于工作在不同寿命期间的蓄电池，有着良好的适应能力，尤其对于新一代锂离子蓄电池，调整其充电终压和充电电流，可以很好的对锂电池进行使用中的维护，从有效的延长航天器的在轨寿命。
附图说明
图1为一种应用于S4R型电路的防过充装置结构图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容，下面结合实施例并配合附图对本发明作详细下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本发明的应用于S4R型电路的防过充装置，其特征是，包括：S4R充电模块、放电调节模块、均衡模块以及下位机模块；
S4R充电模块负责调节太阳电池阵输出，提供一次母线及为蓄电池充电，过压参数最终控制S4R的功率充电电路。
放电调节模块负责参与调节蓄电池放电。
均衡模块通过均衡控制电路调节蓄电池各单体之间的电压差异，电路采集蓄电池所有单体电压，传送至下位机，由下位机对单体电压的一致性进行判断，并打开均衡逻辑控制功能，最后将结果返还至均衡电路的旁路开关，控制单体电池均衡放电，以防止下一个充电周期蓄电池某一单体的过充。
下位机模块负责收集综合所有蓄电池工作参数，包括蓄电池组电压、蓄电池单体电压、充放电电流及工作温度，并判断下一周期的指令执行，控制S4R电路防止电池组过压，控制均衡电路防止单体电池过压。
本发明对锂电池的充电管理，是由充电模块采集锂电池在充电过程中的参数，经由逻辑控制电路分析控制，改变充电控制电子开关的占空比，从而调节充电电流与充电终压。参数的采集方式可以由下位机进行控制切换，从而实现改变锂电池当前的充电参数。
本发明对锂电池的放电控制，由放电模块实现，通过叠加式升压电路，将变换的锂电池电压转换为稳定的一次直流母线电压，供航天器的用电端使用。放电模块还设计有输出电压保护功能，可以保护锂电池不会应为外部原因造成故障。
所述的充电模块锂电池参数采集，包括锂电池整组电压采集、锂电池单体电压采集以及锂电池充电电流采集。整组电压采集环路控制锂电池的当前充电终压，当锂电池在充电过程中的整组电池电压达到28.7V（或28.35V/27.65V/24.6V）时，充电模块会停止对电池的充电，保护电池防治过压，在锂电池的不同寿命期间，通过下位机发送“充电终压调整”指令进行继电器切换，可以调整充电终压值；单体电压采集环路控制锂电池的当前单体充电终压，当锂电池在充电过程中的某一节单体的最高电压达到4.1V时，充电模块会停止对电池的充电，保护电池防止过压；充电电流采集环路控制锂电池的当前充电电流在9A~15A的范围内，这是最有利于锂电池工作的充电电流，具体电流值通过下位机的D/A输出电平调节，默认的充电电流为12A。
所述的均衡模块，由电子开关控制每一节锂电池单体的额外放电回路，提供有120mA的均衡放电电流。均衡控制的逻辑由下位机实现，通过对均衡电子开关的集电极电平的控制，来实现锂电池某一节单体的额外放电控制。下位机每隔60秒周期性监测锂电池单体均衡情况，并进行如下操作：
a.将7条电平型控制指令置为高电平；
b.对 “蓄电池单体1～7电压”7个遥测参数进行判断，满足单体电压大于3V的单体电压遥测参数参与均衡充电控制；
c.从满足条件的单体电压中取出最小值；
d.其余满足条件的单体电压与该最小值进行比较，当某个蓄电池单体电压与最小值电压相差≥100mV时，能源管理单元将相应的电平型控制指令接通，使该单体电池的均衡旁路控制电路工作；
e.当某个蓄电池单体电压与最小值电压相差≤40mV时，能源管理单元将相应的电平型控制指令断开，使该单体电池的均衡旁路控制电路不工作;
所述的下位机模块，采用以MCS-51为核心的微处理器系统，程序存储器不小于16K字节，数据存储器不小于8K字节，注入程序存贮器不小于16K字节，主频11.0592MHz 。提供40路模拟量输入通路；提供1路模拟量输出通路；间接指令输出：23路，其中脉冲型间接指令16路，驱动能力200mA，电平型间接指令7路，驱动能力5mA；A/D变换器采用12位分辨率的器件，D/A变换器采用8位分辨率的器件；2路控温输出，驱动能力18W/路；双冗余CAN2.0A总线接口，通信码速率307.2Kbps；采用双机冷备份配置，用2条直接遥控指令进行主备切换；具备看门狗功能。
所述的锂电池过压保护控制，由下位机每秒周期性监测锂电池工作参数“锂电池组电压”、“放电电流”和“蓄电池单体电压”，当蓄电池组电压≥30.1V或任意一节蓄电池单体电压≥4.25V且连续持续时间≥30s时，发出“充电终止”指令一次，同时置“蓄电池过充标志位”为1。
所述的锂电池过放电保护控制，由下位机每秒周期性监测遥测参数“锂电池组电压”和“电池单体电压”；当“电池组电压”≤21V且任意三节以上电池单体电压≤3V且连续持续时间≥30s时，先置“电池过放标志位”为1，延时16s后发出“放电开关断开”指令一次。
本发明所提供的一种应用于S4R型电路的防过压技术已普遍应用于国内各种小型低轨卫星，该技术创新提高了蓄电池在轨工作的可靠性及安全性，提高我国电源系统的应用水平，为国防做出贡献。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种应用于S4R型电路的防过充装置，其特征是，包括：S4R充电模块、放电调节模块、均衡模块以及下位机模块；通过S4R充电模块采集锂电池在充电过程中的参数，经由逻辑控制电路分析控制，改变充电控制电子开关的占空比，从而调节充电电流与充电终压；
所述S4R充电模块，包括锂电池整组电压控制、锂电池单体最大电压控制以及充电电流控制，同时对锂电池的充电状态进行监测与控制，S4R充电模块中充电电路的控制参数可以通过下位机模块进行更改；S4R充电模块负责调节太阳电池阵输出，提供一次母线及为蓄电池充电，过压参数最终控制S4R的功率充电电路；
所述放电调节模块，采用BOOST升压模式，同时具备母线电压过压、欠压保护电路以及输出电流限流保护电路；
所述均衡模块，提供锂电池单体的采样、均衡功率回路以及逻辑控制接口，防止单体电池过压；均衡电路的逻辑控制由下位机模块实现；所述下位机模块，包括锂电池温控模块以及锂电池充放电管理模块；下位机所需的输入信号由模拟量采集电路提供；
所述的均衡模块，由电子开关控制每一节锂电池单体的额外放电回路，提供有120mA的均衡放电电流；均衡控制的逻辑由下位机实现，通过对均衡电子开关的集电极电平的控制，来实现锂电池某一节单体的额外放电控制；下位机每隔60秒周期性监测锂电池单体均衡情况，并进行如下操作：
a.将7条电平型控制指令置为高电平；
b.对“蓄电池单体1～7电压”7个遥测参数进行判断，满足单体电压大于3V的单体电压遥测参数参与均衡充电控制；
c.从满足条件的单体电压中取出最小值；
d.其余满足条件的单体电压与该最小值进行比较，当某个蓄电池单体电压与最小值电压相差≥100mV时，能源管理单元将相应的电平型控制指令接通，使该单体电池的均衡旁路控制电路工作；
e.当某个蓄电池单体电压与最小值电压相差≤40mV时，能源管理单元将相应的电平型控制指令断开，使该单体电池的均衡旁路控制电路不工作。
2.如权利要求1所述的应用于S4R型电路防过充装置，其特征在于，所述下位机模块，下位机采用以MCS-51为核心的微处理器系统，程序存储器16K字节，数据存储器8K字节，注入程序存贮器16K字节，晶振频率11.0592MHz，软件采取模块化设计，以C语言编写。
3.如权利要求2所述的应用于S4R型电路防过充装置，其特征在于，所述均衡模块通过均衡控制电路调节蓄电池各单体之间的电压差异，电路采集蓄电池所有单体电压，传送至下位机，由下位机对单体电压的一致性进行判断，并打开均衡逻辑控制功能，最后将结果返还至均衡电路的旁路开关，控制单体电池均衡放电，以防止下一个充电周期蓄电池某一单体的过充。
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