CN105826969B - 一种空间高压锂离子蓄电池组管理系统及管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种空间高压锂离子蓄电池组管理系统，包括中储能系统和载荷系统；中储能系统包括多个高压充电控制器，多组高压锂离子蓄电池组，多个均衡管理分模块和1个均衡管理总模块，一组高压锂离子蓄电池组对应一个高压充电控制器和一个均衡管理分模块；每两组高压锂离子蓄电池组组成一个蓄电池基本模块，各个基本模块之间采用转接电缆进行串联。本发明提供的空间高压锂离子蓄电池组管理系统和管理方法，保证了长串锂离子蓄电池组充电及放电的安全性，有效提高了锂离子蓄电池的寿命及可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电池组管理系统领域，特别涉及一种空间高压锂离子蓄电池组管理系统及管理方法。
背景技术
空间探测是当今世界科技发展的前沿领域。人类的航天活动一般可分为地球应用卫星、载人航天和深空探测三大领域，开展空间活动，是航天技术发展的必然选择。电源分系统作为空间飞行器的重要分系统之一，将提供飞行器执行试验验证任务所需能量来源。
飞行器载荷对电源分系统提出了长期中小功率和短期超大功率的放电需求，从目前国内空间电源分系统的研究基础来看，为了避免不同负载之间的相互干扰以及确保工程实现的可行性，需要将电源分系统将设计成两套独立的供电结构：平台直流母线系统和中储能系统，二者分别用于满足常规负载长期中小功率需求以及特殊负载的短期超大功率需求。
由于中储能系统中采用大量蓄电池串联形成高压系统，虽然通过筛选等严格工艺控制能保证锂离子蓄电池较好的一致性，但是考虑到电池本身自放电效应、蓄电池组脉冲电流放电特性以及重复循环使用要求，使得高功率锂离子蓄电池组在使用过程中不可避免会出现单体电压的不均衡，若不采取有效措施，这种不均衡度会急剧恶化，因此对于空间用高压蓄电池组进行均衡管理具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间高压锂离子蓄电池组管理系统及管理方法，以解决高压锂离子蓄电池组在使用过程中出现的单体电压不均衡的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种空间高压锂离子蓄电池组管理系统，包括中储能系统和载荷系统；中储能系统包括多个高压充电控制器，多组高压锂离子蓄电池组，多个均衡管理分模块和1个均衡管理总模块，一组高压锂离子蓄电池组对应一个高压充电控制器和一个均衡管理分模块；每两组高压锂离子蓄电池组组成一个基本模块，各个基本模块之间采用转接电缆进行串联；每个基本模块中的两组高压锂离子蓄电池组分别对应两个高压充电控制器，每个高压锂离子蓄电池组与其所对应的高压充电控制器组成隔离充电控制单元，所述控制单元内部供电的实际电压为对应的基本模块确定的电压，每个高压充电控制器对其所对应的高压锂离子蓄电池组进行充电。
进一步地，所述均衡管理分模块包括高压锂离子蓄电池单体电压采集电路、温度采集电路和均衡控制电路；所述电压采集电路采用差分采样电路，对蓄电池单体分压后经差分放大，实现对单体电压的测量。
进一步地，所述中储能系统包括10组高压锂离子蓄电池组、每组包括21只高压锂离子蓄电池，所述基本模块中的42只高压锂离子蓄电池单体为串联连接，分四排竖立排列，其中靠近功率输出级柱一排为9只，其余三排为11只。
进一步地，均衡管理总模块通过CAN总线接收10个均衡管理分模块发送的单体电压数据以及温度数据。
本发明还提供了一种使用空间高压锂离子蓄电池组管理系统的管理方法，包括以下步骤：
步骤一、均衡管理分模块对相应的高压锂离子蓄电池组中的单体电压和温度数据进行实时测量，获得单体电压最大值和最小值以及单体温度数据，通过CAN总线上传到均衡管理总模块；
步骤二、均衡管理总模块将接受的数据进行处理，并通过CAN总线上传到上位机监视系统；
步骤三、在每个采样周期内，当单体电压的最大值和最小值之差超过50mV时，开通最大值对应的单体旁的均衡控制电路，其余单体的均衡控制电路保持关断状态；在后续采样周期内，当单体电压的最大值和最小值之差小于10mV时，关断所述开通的均衡控制电路。
步骤四、在每个采样周期内，当单体温度数据出现高于55℃的值时，切断整个系统的高压锂离子蓄电池组的充放电电路，经检查排除故障后才能再次接通。
本发明提供的间高压锂离子蓄电池组管理系统及管理方法，保证了长串锂离子蓄电池组充电及放电的安全性，有效提高锂离子蓄电池的寿命及可靠性，将大量锂离子蓄电池进行分层分组进行管理，管理方法清晰简单，便于管理及工程实现，保证了实现途径的可靠性。
附图说明
下面结合附图对发明作进一步说明：
图1为本发明系统供配电框图；
图2为本发明蓄电池组均衡管理器总体方案图；
图3为中储能系统基本模块中单体电池的排列图；
图4为中储能系统高压充电控制器总体方案图；
图5为本发明蓄电池电压差分采样电路原理图；
图6为本发明蓄电池单体均衡分流电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种空间高压锂离子蓄电池组管理系统及管理方法做进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
如图1所示，本发明中的空间高压锂离子蓄电池组管理系统包括平台直流母线系统、中储能系统、载荷系统和上位机监测系统； 中储能系统包括10个高压充电控制器，10组高压锂离子蓄电池组、每组包括21只高压锂离子蓄电池，10个均衡管理分模块，1个均衡管理总模块，1个软启动控制器。软启动控制器用来防止初放电瞬间的大电流冲击，单体锂离子蓄电池间通过带有熔断链的电缆串联连接，连接点靠近电池接头。
如图2所示，中储能系统中，10组高压锂离子蓄电池组每两组组成一个基本模块，5个基本模块之间采用转接电缆进行串联。每个基本模块中的两组高压锂离子蓄电池组分别对应两个高压充电控制器，每个高压锂离子蓄电池组与其所对应的高压充电控制器组成隔离充电控制单元，所述控制单元内部供电的实际电压为对应的基本模块确定的电压，每个高压充电控制器对其所对应的高压锂离子蓄电池组进行充电。
在本实施例中，中储能系统中的高压锂离子蓄电池组作为中储能系统的核心单元，由10组、每组21只高压锂离子蓄电池组成。每两组锂离子蓄电池组构成一个基本模块，即基本模块由42只电池单体串联而成，如图3所示，分四排竖立排列，其中靠近功率输出级柱一排为9只，其余三排为11只。所有的210只单体电池共设计为5个基本模块，模块之间采用转接电缆串联。
高压充电控制器对蓄电池组进行充电。蓄电池组充电系统设计成分组充电模式，10个高压充电控制器分别对应10组蓄电池组，对于每个由两组蓄电池组组成的基本模块，其中每组蓄电池组和其对应的高压充电控制器组成一个隔离充电控制单元，控制单元内部的实际电压为对应基本模块所确定的电压。高压锂离子蓄电池组在充满电后，能够为载荷提供1min、频率200Hz、最大电流约110A的输出。高压锂离子蓄电池组的输出正负极各配置了一个蓄电池组熔断器，在蓄电池组发生短路时，熔断器迅速断开，防止蓄电池组过放发生危险。
同时，在中储能系统中，10个均衡管理分模块分别对应10组高压锂离子蓄电池组。在均衡管理分模块内，设置有单体电压采集电路，用来采集电池单体的电压；温度采集电路，用来采集电池单体的温度；和均衡控制电路，通过接通和关断来实现电池组的均衡管理。均衡管理总模块和均衡管理总模块，内部MCU均采用80C32单片机。温度采集电路采用热敏电阻PT100进行温度采集。本实施例中，如图5所示，采用差分采样法电路，对电池单体分压后，经过差分放大，实现对电池单体电压的测量。均衡控制电路采用电阻分流方式，每个电池组包含21个分流电路，分流开关和驱动开关采用双级晶体管实现。如图6所示，分流开关为Q2-1、Q2-2串联，可以防止开关短路故障；分流电阻采用4个150Ω/1W电阻并联，最大分流电流为109mA，单体电压4.1V，对应每个单体分流功率为0.45W。
本发明还提供了一种使用上述空间高压锂离子蓄电池组管理系统的管理方法，包括以下步骤：
步骤一、均衡管理分模块对相应的高压锂离子蓄电池组中的单体电压和温度数据进行实时测量，获得单体电压最大值和最小值以及单体温度数据，通过CAN总线上传到均衡管理总模块；
步骤二、均衡管理总模块将接受的数据进行处理，并通过CAN总线上传到上位机监视系统；
步骤三、在每个采样周期内，当单体电压的最大值和最小值之差超过50mV时，均衡管理分模块控制开通最大值对应的单体旁的均衡控制电路，其余单体的均衡控制电路保持关断状态；在后续采样周期内，当单体电压的最大值和最小值之差小于10mV时，均衡管理分模块控制关断所述开通的均衡控制电路。
步骤四、在每个采样周期内，当单体温度数据出现高于55℃的值时，切断整个系统的高压锂离子蓄电池组的充放电电路，经检查排除故障后才能再次接通。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (14)
1.一种空间高压锂离子蓄电池组管理系统，包括中储能系统和载荷系统；
所述中储能系统包括多个高压充电控制器，多组高压锂离子蓄电池组，多个均衡管理分模块和1个均衡管理总模块，一组高压锂离子蓄电池组对应一个高压充电控制器和一个均衡管理分模块；
其特征在于，每两组高压锂离子蓄电池组组成一个基本模块，各个基本模块之间采用转接电缆进行串联；
每个基本模块中的两组高压锂离子蓄电池组分别对应两个高压充电控制器，每个高压锂离子蓄电池组与其所对应的高压充电控制器组成隔离充电控制单元，所述控制单元内部供电的实际电压为对应的基本模块确定的电压，每个高压充电控制器对其所对应的高压锂离子蓄电池组进行充电。
2.如权利要求1所述的空间高压锂离子蓄电池组管理系统，其特征在于，所述均衡管理分模块包括高压锂离子蓄电池单体电压采集电路、温度采集电路和均衡控制电路；所述电压采集电路采用差分采样电路，对蓄电池单体分压后经差分放大，实现对单体电压的测量。
3.如权利要求2所述的空间高压锂离子蓄电池组管理系统，其特征在于，所述温度采集电路采用热敏电阻PT100进行温度采集。
4.如权利要求1所述的空间高压锂离子蓄电池组管理系统，其特征在于，所述均衡管理总模块和均衡管理分模块，内部MCU均采用80C32单片机。
5.如权利要求1所述的空间高压锂离子蓄电池组管理系统，其特征在于，所述高压锂离子蓄电池组中，单体锂离子蓄电池间通过带有熔断链的电缆串联连接。
6.如权利要求5所述的空间高压锂离子蓄电池组管理系统，其特征在于，所述串联连接的连接点靠近电池接头。
7.如权利要求1所述的空间高压锂离子蓄电池组管理系统，其特征在于，所述高压锂离子蓄电池组的输出正负极各配置了一个蓄电池组熔断器，在蓄电池组发生短路时，熔断器迅速断开，防止蓄电池组过放发生危险。
8.如权利要求2所述的空间高压锂离子蓄电池组管理系统，其特征在于，所述差分采样电路中分压电阻为高精度排阻。
9.如权利要求1所述的空间高压锂离子蓄电池组管理系统，其特征在于，
所述中储能系统包括10组高压锂离子蓄电池组、每组包括21只高压锂离子蓄电池，所述基本模块中的42只高压锂离子蓄电池单体分四排竖立排列，其中靠近功率输出级柱一排为9只，其余三排为11只。
10.如权利要求4所述的空间高压锂离子蓄电池组管理系统，其特征在于，蓄电池组的均衡控制电路为电阻分流电路，每个模块包括21个分流电路，分流开关和驱动开关为双级晶体管。
11.如权利要求1至10中任一项所述的空间高压锂离子蓄电池组管理系统，其特征在于，均衡管理总模块通过CAN总线接收各个均衡管理分模块发送的单体电压数据以及温度数据。
12.如权利要求11所述的空间高压锂离子蓄电池组管理系统，其特征在于，CAN总线控制器为SJA1000，均衡管理分模块的CAN总线为隔离总线，采用CT1050进行隔离。
13.使用如权利要求1所述的空间高压锂离子蓄电池组管理系统的管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、均衡管理分模块对相应的高压锂离子蓄电池组中的单体电压和温度数据进行实时测量，获得单体电压最大值和最小值以及单体温度数据，通过CAN总线上传到均衡管理总模块；
步骤二、均衡管理总模块将接受的数据进行处理，并通过CAN总线上传到上位机监视系统；
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步骤四、在每个采样周期内，当单体温度数据出现高于55℃的值时，切断整个空间高压锂离子蓄电池组管理系统的高压锂离子蓄电池组的充放电电路，经检查排除故障后方能再次接通。
14.如权利要求13所述的空间高压锂离子蓄电池组管理系统的管理方法，其特征在于，所述采样周期为500ms。
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