CN106786999A - 一种锂离子蓄电池的在轨搁置维护电路 - Google Patents

Abstract

一种锂离子蓄电池的在轨搁置维护电路，包括容量调节主电路、容量保护电路、控制使能电路；容量调节主电路与配置的锂离子蓄电池数量一致，每个容量调节主电路包括磁保持继电器J7、MOS管Q1～Q4、三极管Q5、Q6、二极管D10、D11、电阻R20～R28、电源VCC41；容量保护电路与容量调节主电路数量一致，每个容量保护电路由容量检测子通路和保护使能子通路组成，包括运算放大器U41、U42、三极管Q18、电阻R19、R31～R40、磁保持继电器J9、电源VCC43、VCC44；控制使能电路与容量调节主电路数量一致，每个控制使能通路包括磁保持继电器J8、电源VCC42、电阻R29、R30。本发明采用主电路与锂离子蓄电池并联方式，实现方式简单；设置自主调节功能，容量维护手段多样，且可靠性高。

Description

一种锂离子蓄电池的在轨搁置维护电路

技术领域

本发明涉及一种用于锂离子蓄电池的在轨长期搁置期性能维护电路。

背景技术

近地航天器储能电源主要有镉镍锂离子蓄电池、氢镍锂离子蓄电池、锂离子蓄电池，相对于其他储能电源，锂离子蓄电池具有高比能量、高比功率、易于模块化设计等优点，是当前近地航天器储能电源的首选。目前锂离子蓄电池普遍认可的月自放电率为2％，一旦锂离子蓄电池经过长期搁置，电性能异常下降，包括电池内部化学体系消耗反应造成的容量不可逆衰减、内阻增大等。根据锂离子蓄电池在存储过程中失效的机理，一般认为较高的荷电态不利于锂离子蓄电池存储性能的保持。

对于有锂离子蓄电池长期存储需求的航天器，例如太阳同步晨昏轨道卫星、中地球轨道卫星(MEO)等领域，锂离子蓄电池性能异常下降意味着电源供电能力下降，导致航天器在轨能量平衡情况恶化，影响在轨工况配置和任务完成度，甚至缩短航天器在轨寿命。无论从电源系统稳定运行，保障供电可靠性，还是从提高航天器在轨运行寿命，维持航天器任务需求角度出发，都需要加强锂离子蓄电池长期存储期间的性能维护，避免锂离子蓄电池性能异常下降。

通过文献调研可知，国内外对锂离子蓄电池的在轨长期存储期间性能维护方法研究较少，国内航天器应对锂离子蓄电池的存储性能下降情况主要有以下方法：一是不采用维护措施，增大锂离子蓄电池容量设计余量来保证寿命末期电池容量，二是通过均衡管理器的强制均衡功能实现锂离子蓄电池容量的调整，上述方式在实际工程应用上存在以下局限性：1.方法一带来电源系统储能电源余量过大，造成卫星资源浪费，增加研制成本，2.方法二仅适用于采用均衡管理器和下位机的电源系统，且均衡管理器配置了强制分流功能，不适用于不带强制分流功能的均衡管理器，也不适用于采用商业现货电池等不需均衡管理和下位机功能的电源系统，3.方法二随着锂离子蓄电池电压的提升，均衡管理器在强制均衡期间工作热耗成比例大幅增加，对单机设备的热设计和散热要求很高，不利于整星热控优化设计。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有设计的不足，提供了一种体积小、重量轻、可靠性高、可独立配置的锂离子蓄电池在轨搁置维护电路。

本发明的技术解决方案是：

一种锂离子蓄电池的在轨搁置维护电路，包括：容量调节主电路、容量保护电路、控制使能电路；

容量保护主电路对锂离子蓄电池进行分流调节从而实现在轨期间锂离子蓄电池的容量调节；容量保护电路对锂离子蓄电池进行电压监测和分流调节控制从而实现锂离子蓄电池容量保护；控制使能电路对容量调节主电路进行约束，在容量调节主电路设置为使能状态时，允许执行容量调节动作。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明这种可用于锂离子蓄电池在轨搁置维护电路，实现了航天器在轨任务期间锂离子蓄电池长时间搁置的性能维护；容量调节主电路采用了与锂离子蓄电池并联的方式，实现方式简单；设置了可在轨使能或禁止功能的容量保护电路，实时检测锂离子蓄电池电压，能够在锂离子蓄电池电压低于设定电压时自主停止容量调节动作，保证锂离子蓄电池处于安全容量；设置了控制使能开关，在控制使能的前提下，才能够通过遥控指令开启锂离子蓄电池容量调节动作，防止在轨正常工作时发生误动作。

(2)本发明应用范围广，本发明的维护电路设计不仅适用于不带均衡管理和下位机的电源系统锂离子蓄电池在轨搁置维护处理，还可以适用于电源系统的均衡管理器未配置强制分流功能的情况；

(3)本发明具有自主管理功能，本发明的维护电路在使能保护电路前提下，可实时检测锂离子蓄电池容量维护情况，并在维护完成后自主停止维护动作，改变了当前依靠地面指令控制锂离子蓄电池在轨维护动作的情况；

(4)本发明的实现方式简单，本发明的维护电路设计与锂离子蓄电池并联，不改变锂离子蓄电池的使用条件和原有电源拓扑。

附图说明

图1为本发明锂离子蓄电池在轨搁置维护电路的原理图。

具体实施方式

锂离子蓄电池在轨搁置维护电路的主要功能是对锂离子蓄电池在轨长时间搁置期间的容量进行调整，可避免长期高荷电态存储带来的锂离子蓄电池性能损失，实现在轨任务期间锂离子蓄电池的性能维护。

如图1所示，本发明提出的锂离子蓄电池的在轨搁置维护电路，包括：容量调节主电路、容量保护电路、控制使能电路；

容量保护电路对锂离子蓄电池进行电压监测从而实现锂离子蓄电池容量保护，每路容量调节主电路配置一路容量保护电路，每路容量保护电路包括容量检测子电路、保护使能子电路。容量检测子电路对锂离子蓄电池电压进行实时检测，当锂离子蓄电池电压低于设定值时容量检测子电路输出保护信号至保护使能子电路，用于关断容量调节主电路分流开关管，当锂离子蓄电池电压高于设定值时容量检测子电路不输出；保护使能子电路对容量检测子电路进行约束，保护使能子电路处于使能状态时，保护使能子电路将容量检测子电路输出的保护信号接通，并输出控制信号，即容量保护电路输出的控制信号；保护使能子电路处于禁止状态时，保护使能子电路将容量检测子电路输出的保护信号断开，不输出控制信号，即容量保护电路无输出。保护使能子电路的使能或禁止状态可以通过地面遥控指令设置。

控制使能电路对容量调节主电路进行约束，防止锂离子蓄电池正常工作期间容量调节主电路被误接通，确保锂离子蓄电池安全。若控制使能电路处于使能状态，容量调节主电路可以执行地面遥控指令或容量保护电路输出的控制信号；若控制使能电路处于禁止状态，容量调节主电路不执行地面遥控指令和容量保护电路输出的控制信号。容量调节电路的使能或禁止状态可以通过地面遥控指令设置。

容量调节主电路用于对锂离子蓄电池进行分流调节从而实现容量消耗，采用并联在锂离子蓄电池正负两端的方式，每组锂离子蓄电池对应一路容量调节主电路，每路容量调节主电路采用了4个分流开关管经过两串两并后与功率电阻串联的设计，可以在不影响锂离子蓄电池正常工作的前提下实现该组锂离子蓄电池的容量调节，从而保证了锂离子蓄电池性能维护的有效性和可靠性。

锂离子蓄电池的长搁置期容量调节包含开启调节和停止调节两个动作，其中启动调节动作可通过地面遥控指令控制，停止调节动作可通过地面遥控指令或容量保护电路输出的控制信号控制。

在默认情况下锂离子蓄电池在轨搁置维护电路中的控制使能电路处于功能禁止状态，容量保护电路中的保护使能子电路处于功能禁止状态。当锂离子蓄电池需要进行长搁置期的容量调整时，需先发送地面遥控指令使控制使能电路处于使能状态，再发送地面遥控指令使主电路中分流开关管全部处于导通状态，锂离子蓄电池容量调节开启动作完成。当锂离子蓄电池容量调整至设置范围时，需发送地面遥控指令使主电路中分流开关管全部处于关断状态，再发送地面遥控指令使容量调节主电路处于控制禁止状态，锂离子蓄电池容量停止调节动作完成。在锂离子蓄电池容量调节开启动作完成后，维持控制使能电路的使能状态至锂离子蓄电池容量调节结束动作前。

为提高锂离子蓄电池容量调节的可靠性和安全性，可以在开启调节动作后通过地面遥控指令设置容量保护功能为使能状态；当锂离子蓄电池容量调整至设置范围时，容量保护电路检测到蓄电池容量充满状态并输出控制信号至容量调节主电路，容量调节主电路在控制使能电路使能前提下将分流开关管全部关断，锂离子蓄电池容量停止调节动作完成。

如图1所示，容量保护主电路包括磁保持继电器J7、MOS管Q1～Q4、三极管Q5、Q6、二极管D10、D11、电阻R20～R28以及电源VCC41；MOS管Q1漏极和MOS管Q3漏极相连后与锂离子蓄电池正端相连，Q1的源级与MOS管Q2的漏极相连，Q3的源级与MOS管Q4漏极相连，Q2的源级和Q4的源级相连后通过电阻R24接地，MOS管Q1～Q4起蓄电池功率分流作用，电阻R24为功率电阻，起功率消耗作用；电阻R20～23、R25～28起限流作用；

MOS管Q1～Q4的栅极分别串联电阻R20～R23后相连并与三极管Q5集电极相连；三极管Q5发射极与三极管Q6的集电极相连，Q6发射极通过电阻R27接地，Q5的基极和Q6的基极分别串联电阻R25和R26后相连并与二极管D10和D11的负极连接在一起；磁保持继电器J7动作端通过电阻R28与电源VCC41相连，J7公共端输出信号Signal_2并与二极管D11正极相连；二极管D10正极与来自容量保护电路的信号Signal_1相连；

J7的第一组线包的正端与第二组线包的正端连接在一起，并且与来自控制使能电路的信号Signal_3连接，J7的第一组线包的负端与第二组线包的负端分别接收外部遥控指令。

容量调节主电路还可以包括隔离二极管D14和D15；隔离二极管D14和D15用于消除磁保持继电器J1线包反电动势，隔离二极管D14串接在磁保持继电器J7的第一组线包正负极之间，其中D14正极与J7的第一组线包负极相连；隔离二极管D15串接在磁保持继电器J7的第二组线包正负极之间，其中D15正极与J7的第二组线包负极相连。

如图1所示，容量保护电路与容量调节主电路数量一致，每个容量保护电路均包括容量检测子电路和保护使能子电路；容量检测子电路实时检测锂离子蓄电池电压，并在锂离子蓄电池电压异常时发出保护信号Signal_4，保护使能子电路对容量检测子电路发出的保护信号Signal_4进行控制。

容量检测子电路包括运算放大器U41、U42、三极管Q18、电阻R19、R31～R39以及电源VCC43；

运放U41正输入端通过电阻R32与锂离子蓄电池正端相连，运放U41负输入端与其自身输出端相连，运放U41输出端通过电阻R34与运放U42负输入端相连，运放U42输出端与三极管Q18基极相连，三极管Q18集电极与电源VCC43相连，三极管Q18发射极通过电阻R39接地，且三极管Q18发射极的输出信号即为容量检测子电路发出的保护信号Signal_4；电阻R19、R31起负反馈作用，电阻R32～R39起限流作用。

保护使能子电路包括磁保持继电器J9、电阻R40以及电源VCC44；磁保持继电器J9公共端与信号Signal_4相连，J9动作端输出信号Signal_1给容量调节主电路；磁保持继电器J9的第一组线包正极和第二组线包正极相连后通过限流电阻R40与电源VCC44相连，J9第一组线包负极和第二组线包负极分别接收外部遥控指令。

如图1所示，控制使能电路与容量调节主电路数量一致，每个控制使能电路包括磁保持继电器J8、电源VCC42、电阻R29和R30；

磁保持继电器J8公共端通过电阻R29与电源VCC42相连，J8动作端的输出即为控制使能电路的输出信号Signal_3，J8第一组线包负极和第二组线包负极分别接收外部遥控指令。

本发明中涉及到四个电源，且电源VCC41、VCC42、VCC43、VCC44共地。

实施例：

如图1所示，容量调节主电路中，J7开关采用磁保持继电器，MOS管Q1～Q4起分流作用，三极管Q5和Q6起驱动作用，BAT为锂离子蓄电池，容量调节主电路由两并两串的分流开关管、三极管、功率电阻、继电器、二极管组成。初始状态，继电器J7断开，驱动三极管Q5和Q6关断，MOS管Q1～Q4关断。以J7所示磁保持继电器为例，1脚和2脚是一组线包(线包a)，9脚和10脚则是另外一组线包(线包b)。3、4、5脚和6、7、8脚分别组成两组触点开关，触点开关接通和断开动作分别由两组线包控制。为防止触点误动作，采用两组触点开关串联。其中3脚和6脚是公共触点，磁保持继电器正常工作时，3脚触点只能和同组开关的4脚和5脚触点中的一个相连，6脚触点同理，只能与7脚和8脚触点中的一个相连。线包a加电时，3脚触点和4脚触点相连，6脚触点和7脚触点相连；线包b加电时，3脚触点和5脚触点相连，6脚触点和8脚触点相连；若线包a和线包b同时加电，则线包a起作用。不妨假设磁保持继电器J7接收到容量调节的遥控指令(J7_on)，则有电源作用于线包a的1脚和2脚，当脉冲电流由1脚进入从2脚流出时，触点开关动作，3脚触点和4脚触点相连，6脚触点和7脚触点相连，此时驱动三极管Q5和Q6接通，MOS管Q1～Q4接通，锂离子蓄电池容量调节电路接通，即锂离子蓄电池进行功率分流动作。若假设磁保持继电器J7接收到断开的遥控指令(J7_off)，则有电源作用于线包b的9脚和10脚，当脉冲电流由9脚进入从10脚流出时，触点开关动作，3脚触点和5脚触点相连，6脚触点和8脚触点相连，此时驱动三极管Q5和Q6关断，MOS管Q1～Q4关断，锂离子蓄电池容量调节电路断开，即锂离子蓄电池停止功率分流工作。D14和D15为继电器线包消反电动势二极管，VCC41为+12V电源；D10和D11为隔离二极管，D10和D11组成或门电路，两路输入信号遵循“谁高谁输出”原则。

若锂离子蓄电池进入在轨长期搁置期，需要将锂离子蓄电池容量调整至设定范围时，可通过地面发送遥控指令J7_on，接通磁保持继电器J7，接通驱动三极管Q5和Q6，使MOS管Q1～Q4接通，从而接通锂离子蓄电池容量调节主电路，对锂离子蓄电池功率进行分流调节。当锂离子蓄电池容量已调整至设定范围时，可通过地面发送遥控指令J7_off，断开磁保持继电器J7，关断驱动三极管Q5和Q6，使MOS管Q1～Q4关断，从而断开锂离子蓄电池容量调节主电路，停止对锂离子蓄电池功率的分流调节。

容量保护电路用于防止锂离子蓄电池容量过低，包括容量检测子电路、保护使能子电路，如图1所示。容量检测子电路中，U41为电压采样芯片LM158，封装形式为DIP-8，单片集成2路运算放大电路(以下简称“运放”)。3脚为正输入端，2脚为负输入端，1脚为输出端。理想的集成运放正常工作时，2脚和3脚电压相等，称之为“虚短”；灌入芯片内部的电流为零，称之为“虚断”。以U41为例，根据“虚短”则2脚电压等于3脚电压，因为1脚与2脚相连后电压相等，所以1脚电压等于3脚电压，实现了信号采样和放大功能。U42为比较器LM108，封装形式为DIP-8，单片集成2路比较电路，正输入端3脚，负输入端2脚，输出端1脚。如果2脚电压高于3脚电压，则比较器输出低电平，反之则输出高电平。Q18为三极管，起驱动信号放大作用。若锂离子蓄电池电压高于设定值，比较器输出低电平，三极管Q18关断，从而容量检测子电路输出低电平；若锂离子蓄电池电压低于设定值，比较器输出高电平，三极管Q18接通，从而容量检测子电路输出高电平，即输出容量保护信号。VCC43为+12V电源，电阻R32～R34、R37～R39起限流作用，阻值为1kΩ，电阻R35和R36起分压作用，阻值分别为5.1kΩ、1kΩ，电阻R19、R31起负反馈作用，阻值为5.1kΩ。

保护使能子电路用于使能或禁止容量自主保护功能，保护使能子电路中，J9开关采用磁保持继电器。初始状态，继电器J9断开，容量保护电路无输出。假设发送容量保护使能指令(J9_on)，继电器J9触点开关动作，3脚触点和4脚触点相连，6脚触点和7脚触点相连，接通容量保护信号传输通路，此时容量保护电路可正常输出保护信号；若发送容量保护禁止指令(J9_off)，继电器J9的3脚触点和5脚触点相连，6脚触点和8脚触点相连，断开容量保护信号传输通路，此时容量保护电路无输出。D16和D17为继电器线包消反电动势二极管，电阻R40起限流作用，阻值为100Ω，VCC44为+28V电源。

控制使能电路防止容量调节主电路发生误动作，如图1所示，J8开关采用磁保持继电器，保护使能控制电路由电源、开关、电阻组成。初始状态，继电器断开。假设发送控制使能指令(J8_on)，磁保持继电器J8触点开关动作，3脚触点和4脚触点相连，6脚触点和7脚触点相连，此时磁保持继电器J7的线包a和b上电，J7可正常接受遥控指令执行容量调节和停止调节动作。若发送控制禁止指令(J8_off)，磁保持继电器J8的3脚触点和5脚触点相连，6脚触点和8脚触点相连，磁保持继电器J7的线包a和b断电，J7不能正常接受遥控指令因而无法动作。D12和D13为继电器线包消反电动势二极管，电阻R29和R30起限流作用，阻值为100Ω，VCC42为+28V电源。

工作原理：

本发明电路包括容量调节主电路、容量保护电路和控制使能电路；容量调节主电路与锂离子蓄电池的配置数量一致，该电路并联在对应锂离子蓄电池的正负两端，通过开启调节动作和停止调节动作完成对锂离子蓄电池的容量调节，开启调节动作在控制使能电路使能前提下可通过地面遥控指令实现，停止调节动作在控制使能电路使能前提下可通过地面遥控指令实现，也可在控制使能电路使能和容量保护电路中保护使能子电路使能前提下通过容量保护电路输出的控制信号实现，以避免地面遥控指令未能及时发送造成锂离子蓄电池电压低于安全阈值。容量保护电路包括容量检测子电路和保护使能子电路，容量检测子电路用于检测锂离子蓄电池电压，一旦锂离子蓄电池电压低于设定值，容量检测子电路输出保护信号到保护使能子电路；保护使能子电路对容量检测子电路输出的保护信号进行约束，若保护使能子电路使能，则保护使能子电路输出控制信号，并作为容量保护电路输出的控制信号送至容量调节主电路；控制使能电路对容量调节主电路的开启调节动作和停止调节动作进行约束，在控制使能电路禁止状态，容量调节主电路的开启调节动作和停止调节动作均不能实现。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种锂离子蓄电池的在轨搁置维护电路，其特征在于包括：容量调节主电路、容量保护电路、控制使能电路；

容量保护主电路对锂离子蓄电池进行分流调节从而实现在轨期间锂离子蓄电池的容量调节；容量保护电路对锂离子蓄电池进行电压监测和分流调节控制从而实现锂离子蓄电池容量保护；控制使能电路对容量调节主电路进行约束，在容量调节主电路设置为使能状态时，允许执行容量调节动作。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子蓄电池充电调节保护电路，其特征在于：所述充电调节主电路与配置的锂离子蓄电池数量一致。

3.根据权利要求1或2所述的一种锂离子蓄电池充电调节保护电路，其特征在于：容量保护主电路包括磁保持继电器J7、MOS管Q1～Q4、三极管Q5、Q6、二极管D10、D11、电阻R20～R28以及电源VCC41；

MOS管Q1漏极和MOS管Q3漏极相连后与锂离子蓄电池正端相连，Q1的源级与MOS管Q2的漏极相连，Q3的源级与MOS管Q4漏极相连，Q2的源级和Q4的源级相连后通过电阻R24接地；

MOS管Q1～Q4的栅极分别串联电阻R20～R23后相连并与三极管Q5集电极相连；三极管Q5发射极与三极管Q6的集电极相连，Q6发射极通过电阻R27接地，Q5的基极和Q6的基极分别串联电阻R25和R26后相连并与二极管D10和D11的负极连接在一起；磁保持继电器J7动作端通过电阻R28与电源VCC41相连，J7公共端输出信号Signal_2并与二极管D11正极相连；二极管D10正极与来自容量保护电路的信号Signal_1相连；

J7的第一组线包的正端与第二组线包的正端连接在一起，并且与来自控制使能电路的信号Signal_3连接，J7的第一组线包的负端与第二组线包的负端分别接收外部遥控指令。

4.根据权利要求3所述的一种锂离子蓄电池充电调节保护电路，其特征在于：所述容量调节主电路还包括隔离二极管D14和D15；隔离二极管D14和D15用于消除磁保持继电器J1线包反电动势，隔离二极管D14串接在磁保持继电器J7的第一组线包正负极之间，其中D14正极与J7的第一组线包负极相连；隔离二极管D15串接在磁保持继电器J7的第二组线包正负极之间，其中D15正极与J7的第二组线包负极相连。

5.根据权利要求4所述的一种锂离子蓄电池充电调节保护电路，其特征在于：所述容量保护电路与容量调节主电路数量一致，每个容量保护电路均包括容量检测子电路和保护使能子电路；容量检测子电路实时检测锂离子蓄电池电压，并在锂离子蓄电池电压异常时发出保护信号Signal_4，保护使能子电路对容量检测子电路发出的保护信号Signal_4进行控制。

6.根据权利要求5所述的一种锂离子蓄电池充电调节保护电路，其特征在于：所述容量检测子电路包括运算放大器U41、U42、三极管Q18、电阻R19、31～R39以及电源VCC43；

运放U41正输入端通过电阻R32与锂离子蓄电池正端相连，运放U41负输入端与其自身输出端相连，运放U41输出端通过电阻R34与运放U42负输入端相连，运放U42输出端与三极管Q18基极相连，三极管Q18集电极与电源VCC43相连，三极管Q18发射极通过电阻R39接地，且三极管Q18发射极的输出信号即为容量检测子电路发出的保护信号Signal_4。

7.根据权利要求6所述的一种锂离子蓄电池充电调节保护电路，其特征在于：所述保护使能子电路包括磁保持继电器J9、电阻R40以及电源VCC44；磁保持继电器J9公共端与信号Signal_4相连，J9动作端输出信号Signal_1给容量调节主电路；磁保持继电器J9的第一组线包正极和第二组线包正极相连后通过限流电阻R40与电源VCC44相连，J9第一组线包负极和第二组线包负极分别接收外部遥控指令。

8.根据权利要求7所述的一种锂离子蓄电池充电调节保护电路，其特征在于：所述控制使能电路与容量调节主电路数量一致，每个控制使能电路包括磁保持继电器J8、电源VCC42、电阻R29和R30；

磁保持继电器J8公共端通过电阻R29与电源VCC42相连，J8动作端的输出即为控制使能电路的输出信号Signal_3，J8第一组线包负极和第二组线包负极分别接收外部遥控指令。

9.根据权利要求8所述的一种锂离子蓄电池充电调节保护电路，其特征在于：电源VCC41、VCC42、VCC43、VCC44共地。