CN106602666A - 锂离子蓄电池组分级充电装置及充电方法 - Google Patents

锂离子蓄电池组分级充电装置及充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了锂离子蓄电池组分级充电装置及充电方法，本发明公开的锂离子蓄电池组分级充电装置包括：n个太阳阵子阵和n路控制电路，所述n个太阳阵子阵分别对锂离子蓄电池组充电，每个充电电路中串联1路控制电路；n为任意自然数；其特征在于，每路控制电路包括两个控制支路；所述两个控制支路测量当前充电电压，并与预设充电条件比较，满足预设充电条件充电电路导通；反之，充电电路截至。

Description

锂离子蓄电池组分级充电装置及充电方法
技术领域
本发明涉及航天电源控制技术领域，特别涉及锂离子蓄电池组分级充电装置及充电方法。
背景技术
锂离子蓄电池组比能量远高于传统的镉镍、氢镍蓄电池组，增加有效载荷的同时降低发射成本，现已广泛的应用于卫星等航天器。针对蓄电池组的工作模式，选择合理的管理方式防止其过充、发热、变形等，是提高锂离子蓄电池组寿命的有效措施。
通常在控制系统中采用控制电路来保证锂离子蓄电池的充电终压始终限定在规定的范围内，以避免过电压对锂离子蓄电池造成不可恢复的损害。因此必须设计专门的电路来控制卫星锂离子蓄电池的充电过程。目前卫星用锂离子蓄电池的充电控制多采用全调节形式，其电路复杂且电路可靠性有待提高。
发明内容
本发明解决的问题是现有卫星用锂离子充电电路复杂且可靠性低；为解决所述问题，本发明提供锂离子蓄电池组分级充电装置及方法。
本发明提供的锂离子蓄电池组分级充电装置包括：n个太阳阵子阵和n路控制电路，所述n个太阳阵子阵分别对锂离子蓄电池组充电，每个充电电路串联1路控制电路；n为任意自然数；每路控制电路包括两个控制支路；所述两个控制支路测量当前充电电压，并与预设充电条件比较，满足预设充电条件充电电路导通；反之，充电电路截至。
进一步，所述n路控制电路结构相同，包括：蓄电池组电压采样电路、蓄电池单体电压采样电路、逻辑控制电路、下位机硬件控制电路及判断模块、第一分流管、第二分流管和输出二极管；所述蓄电池组电压采样电路、逻辑控制电路、第一分流管和输出二极管组成第一控制支路；所述蓄电池组电压采样电路、蓄电池单体电压采样电路、下位机硬件控制电路及判断模块、第二分流管和输出二极管构成第二控制支路。
进一步，逻辑控制电路与所述蓄电池组电压采样电路连接，形成逻辑判断信号并输出到第一分流管；下位机硬件控制电路及判断模块与所述蓄电池组电压采样电路、蓄电池单体电压采样电路连接，所采集信号经过判断运算后，形成判断信号并输出到第二分流管；所述第一分流管与第二分流管并联、其D端与输出二极管管输入端相连；所述输出二极管输出端与蓄电池组正端相连。
本发明还提供采用所述的锂离子蓄电池组分级充电装置的充电方法，包括：
步骤一、逻辑控制电路采集蓄电池组电压信号，所述电压信号小于预设的解锁终止电压时开启充电，大于预设的硬件充电终止电压时，则停止充电；
步骤二、下位机硬件控制电路及判断模块比较蓄电池单体电压与预设的单体软件解锁电压和单体软件终止电压；或比较蓄电池组电压与蓄电池组软件解锁电压和蓄电池组软件终止电压，并根据比较结果控制第二控制支路导通或者截止。
进一步，所述步骤二包括：比较蓄电池单体电压与预设的单体软件解锁电压和单体软件终止电压模式下，蓄电池单体电压小于单体软件解锁电压时，第二控制支路开始充电；大于单体软件终止电压时，第二控制支路停止充电。
进一步，所述步骤二包括：比较蓄电池组电压与预设的蓄电池组软件解锁电压和蓄电池组软件终止电压模式下，蓄电池组电压小于蓄电池组软件解锁电压时，第二控制支路开始充电；大于蓄电池组软件终止电压时，第二控制支路停止充电。
进一步，蓄电池组软件解锁电压、蓄电池组软件终止电压、单体软件解锁电压、单体软件终止电压通过软件设置，可在轨通过数据包注入判断模块。
进一步，n路充电电路的硬件充电终止电压依次增加，最大值不超过mхNV,m为蓄电池组中蓄电池单体数，NV为蓄电池单体允许最大电压；n路充电电路的解锁终止电压依次递增，最小值不小于mхLV，LV为蓄电池单体允许充电电压。
进一步，第二控制电路优先启动控制时，设置同一充电支路的蓄电池组软件终止电压小于硬件充电终止电压；蓄电池组软件解锁电压大于解锁终止电压。
进一步，第一控制电路优先启动控制时，设置同一充电支路的蓄电池组软件终止电压大于硬件充电终止电压；蓄电池组软件解锁电压小于解锁终止电压。
本发明的优点包括：
1）本发明的锂离子蓄电池组分级充电方法，可设置多个充电终止电压和解锁电压，使得锂离子蓄电池组在不同的荷电态下可对应不同的充电电流，有效防止电池组过充或发热；
2）本发明的锂离子蓄电池组分级充电方法，每路充电电路软件和硬件可同时启控，防止单个器件失效使得充电无法切除，通过双重控制避免蓄电池的过充，对蓄电池组起到有效的保护；
3）本发明的锂离子蓄电池组分级充电方法，通过软件控制中的数字滤波，可以避免采样误差或失效引起的充电异常情况，有效提高了充电控制的可靠性；
4）本发明的锂离子蓄电池组分级充电方法，采用软件和硬件相结合的控制策略，通过设置合理的控制参数，软件、硬件都可单独起控，增加了控制的灵活性，也克服了单一逻辑控制的局限性，对卫星用锂离子蓄电池组的充电控制具有重要的工程价值。
附图说明
图1为本发明实施例提供的锂离子蓄电池组分级充电装置的示意图；
图2为本发明实施例提供的锂离子蓄电池组分级充电装置的控制电路的示意图。
具体实施方式
下文中结合附图和实施例对本发明的精神和实质作进一步阐述。
如图1所示，本发明实施例提供的锂离子蓄电池组分级充电装置包括：n个太阳阵子阵和n路控制电路，所述n个太阳阵子阵分别对锂离子蓄电池组充电，每个充电电路串联1路控制电路；n为任意自然数；如图2所示，每路控制电路包括两个控制支路；所述两个控制支路测量当前充电电压，并与预设充电条件比较，满足预设充电条件充电电路导通；反之，充电电路截至。
参考图2，所述n路控制电路结构相同，包括：蓄电池组电压采样电路11、蓄电池单体电压采样电路22、逻辑控制电路44、下位机硬件控制电路及判断模块33、第一分流管、第二分流管和输出二极管；所述蓄电池组电压采样电路11、逻辑控制电路44、第一分流管和输出二极管组成第一控制支路；所述蓄电池组电压采样电路11、蓄电池单体电压采样电路22、下位机硬件控制电路及判断模块33、第二分流管和输出二极管构成第二控制支路。
逻辑控制电路与所述蓄电池组电压采样电路连接，形成逻辑判断信号并输出到第一分流管；下位机硬件控制电路及判断模块与所述蓄电池组电压采样电路、蓄电池单体电压采样电路连接，所采集信号经过判断运算后，形成判断信号并输出到第二分流管；所述第一分流管与第二分流管并联、其D端与输出二极管管输入端相连；所述输出二极管输出端与蓄电池组负端相连。
每一路的控制电路中，硬件部分控制方法如下：通过设置蓄电池组电压采用电路和逻辑控制电路中各元器件的参数，使得在开始充电后，采样得到的蓄电池组电压低于设定的硬件充电终止电压时，太阳子阵电流经输出二极管给蓄电池组充电，当采样得到的蓄电池组电压高于设定的硬件充电终止电压时，太阳子阵电流经第一分流管进行分流，当采样得到的蓄电池组电压低于设定的硬件解锁电压时，可以恢复充电。软件部分控制方法如下：通过设置蓄电池组电压采用电路、蓄电池单体电压采样电路和下位机硬件控制电路及软件算法，使得在开始充电后，采样得到的蓄电池组电压（单体电压）低于设定的软件终止电压时，太阳子阵电流经输出二极管给蓄电池组充电，当采样得到的蓄电池组电压高于设定的软件终止电压时，太阳子阵电流经第二分流管进行分流，当采样得到的蓄电池组电压低于设定的软件解锁电压时，可以恢复充电。
本发明还提供采用所述的锂离子蓄电池组分级充电装置的充电方法，包括：
步骤一、逻辑控制电路采集蓄电池组电压信号，所述电压信号小于预设的解锁终止电压时开启充电，大于预设的硬件充电终止电压时，则停止充电；
步骤二、下位机硬件控制电路及判断模块比较蓄电池单体电压与预设的单体软件解锁电压和单体软件终止电压；或比较蓄电池组电压与蓄电池组软件解锁电压和蓄电池组软件终止电压，并根据比较结果控制第二控制支路导通或者截止。
进一步，所述步骤二包括：比较蓄电池单体电压与预设的单体软件解锁电压和单体软件终止电压模式下，蓄电池单体电压小于单体软件解锁电压时，第二控制支路开始充电；大于单体软件终止电压时，第二控制支路停止充电。
进一步，所述步骤二包括：比较蓄电池组电压与预设的蓄电池组软件解锁电压和蓄电池组软件终止电压模式下，蓄电池组电压小于蓄电池组软件解锁电压时，第二控制支路开始充电；大于蓄电池组软件终止电压时，第二控制支路停止充电。
进一步，蓄电池组软件解锁电压、蓄电池组软件终止电压、单体软件解锁电压、单体软件终止电压通过软件设置，并在轨注入判断模块。
进一步，n路充电电路的硬件充电终止电压依次增加，最大值不超过mхNV,m为蓄电池组中蓄电池单体数，NV为蓄电池单体允许最大电压；n路充电电路的解锁终止电压依次递增，最小值不小于mхLV，LV为蓄电池单体允许充电电压。
进一步，第二控制电路优先启动控制时，设置同一充电支路的蓄电池组软件终止电压小于硬件充电终止电压；蓄电池组软件解锁电压大于解锁终止电压。
进一步，第一控制电路优先启动控制时，设置同一充电支路的蓄电池组软件终止电压大于硬件充电终止电压；蓄电池组软件解锁电压小于解锁终止电压。
实例1，采用本发明实施例所提供的锂离子蓄电池组分级充电装置对不调节母线高功率锂离子蓄电池组分级充电，包括：
步骤一、物理划分太阳电池阵；
将太阳电池阵电路划分为n个子阵，对应电流分别为I1，…，In。
步骤二、设置逻辑控制电路参数；
通过设置元器件参数，各路逻辑控制电路中硬件充电终止电压为V硬件终止1，…，V硬件终止n，硬件充电解锁电压为V硬件解锁1，…，V硬件解锁n。
本实例中，蓄电池组单体允许最大电压为4.2V，蓄电池组包含n个蓄电池单体，V硬件终止n设置为4.2*nV，V硬件终止1设置为4.1*nV，其余充电终止电压按等阶梯依次设置；蓄电池组单体允许充电电压为3.9V，V硬件解锁n设置为3.9*nV，V硬件解锁1设置为3.8*nV，其余充电解锁电压按等阶梯依次设置，使得蓄电池组可在3.8*nV~4.2*nV之间循环工作；
步骤三、设置下位机软件算法
下位机通过控制参数写入，设置软件充电终止电压为V软件终止1，…，V软件终止n，软件充电解锁电压为V软件解锁1，…，V软件解锁n，软件充电终止单体电压为V软件单体终止，软件充电解锁单体电压为V软件单体解锁，软件设置值按需设置。
具体地，当需要软件优先启控硬件备份时，可设置V软件终止i略小于V硬件终止i（i=1～n），V软件解锁i略大于V解锁终止i（i=1～n），V软件单体终止设置为4.1V，V软件单体解锁设置为3.9V。蓄电池开始充电时，起始充电电流为（I1，+…+，In），当蓄电池电压上升到V软件终止1，第1路充电电路变为分流状态（不充电），充电电流变为（I2，+…+，In），当蓄电池电压继续上升时，蓄电池充电电流逐级变小，直至蓄电池电压大于V软件终止n，充电电流变为0；当蓄电池负载工作后，蓄电池电压逐渐降低，当蓄电池电压下降到V软件解锁n，第n路充电电路由分流状态变为充电状态，蓄电池充电电流由0变为In，当蓄电池电压继续下降时，直至蓄电池电压小于V软件解锁1，蓄电池组充电电流恢复到（I1，+…+，In）。
当需要硬件优先启控软件备份时，可设置V软件终止i略大于V硬件终止i（i=1～n），V软件解锁i略小于V解锁终止i（i=1～n），V软件单体终止设置为4.2V，V软件单体解锁设置为3.8V。蓄电池开始充电时，起始充电电流为（I1，+…+，In），当蓄电池电压上升到V硬件终止1，第1路充电电路变为分流状态（不充电），充电电流变为（I2，+…+，In），当蓄电池电压继续上升时，蓄电池充电电流逐级变小，直至蓄电池电压大于V硬件终止n，充电电流变为0；当蓄电池负载工作后，蓄电池电压逐渐降低，当蓄电池电压下降到V硬件解锁n，第n路充电电路由分流状态变为充电状态，蓄电池充电电流由0变为In，当蓄电池电压继续下降时，直至蓄电池电压小于V硬件解锁1，蓄电池组充电电流恢复到（I1，+…+，In）。
本发明中锂离子蓄电池组分级充电方法在完成参数设置后，软件、硬件同时起控，第一分流管、第二分流管任何一个出现开路故障，都不影响整个电路的控制功能，提高了充电装置的可靠性。
下位机软件中可采取数字滤波措施，可设置单体电压、组电压的置信区间，并剔除与均值偏差较大的单体电压，防止采样电路失效造成充电异常。
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 (10)

1.锂离子蓄电池组分级充电装置，包括：n个太阳阵子阵和n路控制电路，所述n个太阳阵子阵分别对锂离子蓄电池组充电，每个充电电路中串联1路控制电路；n为任意自然数；其特征在于，每路控制电路包括两个控制支路；所述两个控制支路测量当前充电电压，并与预设充电条件比较，满足预设充电条件充电电路导通；反之，充电电路截至。
2.依据权利要求1所述的锂离子蓄电池组分级充电装置，其特征在于，所述n路控制电路结构相同，包括：蓄电池组电压采样电路、蓄电池单体电压采样电路、逻辑控制电路、下位机硬件控制电路及判断模块、第一分流管、第二分流管和输出二极管；所述蓄电池组电压采样电路、逻辑控制电路、第一分流管和输出二极管组成第一控制支路；所述蓄电池组电压采样电路、蓄电池单体电压采样电路、下位机硬件控制电路及判断模块、第二分流管和输出二极管构成第二控制支路。
3.依据权利要求2所述的锂离子蓄电池组分级充电装置，其特征在于，逻辑控制电路与所述蓄电池组电压采样电路连接，形成逻辑判断信号并输出到第一分流管；下位机硬件控制电路及判断模块与所述蓄电池组电压采样电路、蓄电池单体电压采样电路连接，所采集信号经过判断运算后，形成判断信号并输出到第二分流管；所述第一分流管与第二分流管并联、其D端与输出二极管输入端相连；所述输出二极管输出端与蓄电池组正端相连。
4.权利要求1至3中任意一项提供的锂离子蓄电池组分级充电装置的充电方法，其特征在于，包括：
步骤一、逻辑控制电路采集蓄电池组电压信号，所述电压信号小于预设的硬件充电解锁电压时开启充电，大于预设的硬件充电终止电压时，则停止充电；
步骤二、下位机硬件控制电路及判断模块比较蓄电池单体电压与预设的单体软件解锁电压和单体软件终止电压；或比较蓄电池组电压与预设的蓄电池组软件解锁电压和蓄电池组软件终止电压，并根据比较结果控制第二控制支路导通或者截止。
5.依据权利要求4所述的充电方法，其特征在于，所述步骤二包括：比较蓄电池单体电压与预设的单体软件解锁电压和单体软件终止电压模式下，蓄电池单体电压小于单体软件解锁电压时，第二控制支路导通，开始充电；大于单体软件终止电压时，第二控制支路截至，停止充电。
6.依据权利要求4所述的充电方法，其特征在于，所述步骤二包括：比较蓄电池组电压与预设的蓄电池组软件解锁电压和蓄电池组软件终止电压模式下，蓄电池组电压小于蓄电池组软件解锁电压时，第二控制支路开始充电；大于蓄电池组软件终止电压时，第二控制支路停止充电。
7.依据权利要求4所述的充电方法，其特征在于，蓄电池组软件解锁电压、蓄电池组软件终止电压、单体软件解锁电压、单体软件终止电压通过软件设置，可注入判断模块进行修改。
8.依据权利要求4所述的充电方法，其特征在于，n路充电电路的硬件充电终止电压依次增加，最大值不超过mхNV,m为蓄电池组中蓄电池单体数，NV为蓄电池单体允许最大电压；n路充电电路的解锁终止电压依次递增，最小值不小于mхLV，LV为蓄电池单体允许充电电压。
9.依据权利要求4所述的充电方法，其特征在于，第二控制电路优先启动控制时，设置同一充电支路的蓄电池组软件终止电压小于硬件充电终止电压；蓄电池组软件解锁电压大于解锁终止电压。
10.依据权利要求4所述的充电方法，其特征在于，第一控制电路优先启动控制时，设置同一充电支路的蓄电池组软件终止电压大于硬件充电终止电压；蓄电池组软件解锁电压小于解锁终止电压。
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