CN107579555B - 空间用高压蓄电池软启动系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种空间用高压蓄电池软启动系统，其包含：高功率锂离子蓄电池组；切换开关模块，输入端连接所述高功率锂离子蓄电池组的其中一个输出端；一个及以上的后级载荷供电系统，每个后级载荷供电系统分别包含一对输入端；各个后级载荷供电系统的一对输入端分别与切换开关模块对应的一个输出端以及高功率锂离子蓄电池组的另一个输出端连接；所述的高功率锂离子蓄电池组、切换开关模块以及一个及以上的后级载荷供电系统构成一充电回路；充电限流旁路导通模块，串联在所述充电回路中；充电结束主导通模块，与所述的充电限流旁路导通模块并联；其中，所述的充电限流旁路导通模块包含：第一级均流单元；与所述第一级均流单元并联的第二级均流单元。

Description

空间用高压蓄电池软启动系统及其方法

技术领域

本发明涉及空间用高压蓄电池软启动系统及其方法。

背景技术

空间探测是当今世界科技发展的前沿领域，具有很强的基础性、前瞻性、创新性和带动性。人类的航天活动一般可分为地球应用卫星、载人航天和深孔探测三大领域，开展空间活动，是航天技术发展的必然选择，也是人类进一步了解宇宙、认识太阳系、探索地球与生命的起源和演化、获取更多科学认识的必须手段。

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，当前，随着空间电源系统技术的进步，锂离子蓄电池组担负着为平台载荷在阴影期供电的任务。

随着技术的进步，载荷对电源系统输出电压要求越来越高，部分应用要求蓄电池组输出电压达到上千伏。由锂离子串联蓄电池单体串联组成的蓄电池组，其输入侧的滤波电容需要充电，且充电过程中的电容充电电流需要进行限制，否则会影响电容的性能和使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间用高压蓄电池软启动系统及其方法，采用两级均流单元构成的充电限流模块，并使得两级均流单元先后开启，以大幅度提高蓄电池组的使用寿命和运行效率。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种空间用高压蓄电池软启动系统，其特征是，包含：

高功率锂离子蓄电池组，包含一对输出端；

切换开关模块，包含一个输入端以及若干输出端，该切换开关模块的输入端连接所述高功率锂离子蓄电池组的其中一个输出端；

一个及以上的后级载荷供电系统，每个后级载荷供电系统分别包含一对输入端；各个后级载荷供电系统的一对输入端分别与切换开关模块对应的一个输出端以及高功率锂离子蓄电池组的另一个输出端连接；所述的高功率锂离子蓄电池组、切换开关模块以及一个及以上的后级载荷供电系统构成一充电回路；

充电限流旁路导通模块，串联在所述充电回路中；

充电结束主导通模块，与所述的充电限流旁路导通模块并联；

其中，所述的充电限流旁路导通模块包含：

第一级均流单元，串联在所述充电回路中；该第一级均流单元包含串联的第一限流电阻以及第一开关；

第二级均流单元，与所述第一级均流单元并联；该第二级均流单元包含串联的第二限流电阻以及第二开关；

所述第一限流电阻的阻值大于所述第二限流电阻的阻值。

上述的空间用高压蓄电池软启动系统，其中，所述的后级载荷供电系统包含：

后级电容以及谐振电路；该后级电容的两端分别与所述切换开关模块对应的一个输出端以及高功率锂离子蓄电池组的另一个输出端连接。

上述的空间用高压蓄电池软启动系统，其中，所述的充电结束主导通模块包含：

并联的第三开关、第四开关、第五开关以及第六开关。

上述的空间用高压蓄电池软启动系统，其中：

每个所述后级载荷供电系统的输出端分别连接一负载。

上述的空间用高压蓄电池软启动系统，其中：

所述的第一开关、第三开关、第四开关、第五开关以及第六开关均采用2JB20-2型低压磁保持继电器实现。

上述的空间用高压蓄电池软启动系统，其中：

所述的第一开关通过2JB20-2型低压磁保持继电器的两个功率触点串联形成的继电器开关实现；

所述充电结束主导通模块的第三开关、第四开关、第五开关以及第六开关通过4个2JB20-2型低压磁保持继电器的8个功率触点并联形成的继电器开关实现。

一种空间用高压蓄电池软启动方法，其特征是，包含：

S1、负载开始工作前，接通第一开关，使高功率锂离子蓄电池组通过第一限流电阻给后级载荷供电系统充电；

S2、当流过第一限流电阻的电流减小到毫安级，接通第二开关，使高功率锂离子蓄电池组通过第二限流电阻继续给后级载荷供电系统充电；

S3、当流过第二限流电阻的电流减小到毫安级，接通充电结束主导通模块，实现充电结束主导通模块的零电压开通。

本发明与现有技术相比具有以下优点：采用两级均流单元构成的充电限流模块，并使得两级均流单元先后开启，以大幅度提高蓄电池组的使用寿命和运行效率。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本实施例中的2JB20-2继电器的技术参数图；

图3为本实施例中的2JB20-2继电器的技术电路图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，本发明提出了一种空间用高压蓄电池软启动系统，其包含：高功率锂离子蓄电池组，包含一对输出端；切换开关模块3，包含一个输入端以及若干输出端，该切换开关模块3的输入端连接所述高功率锂离子蓄电池组的其中一个输出端，用于选择任意一个后级载荷供电系统；一个及以上的后级载荷供电系统，每个后级载荷供电系统分别包含一对输入端；各个后级载荷供电系统的一对输入端分别与切换开关模块3对应的一个输出端以及高功率锂离子蓄电池组的另一个输出端连接；所述的高功率锂离子蓄电池组、切换开关模块3以及一个及以上的后级载荷供电系统构成一充电回路；充电限流旁路导通模块1，串联在所述充电回路中；充电结束主导通模块2，与所述的充电限流旁路导通模块1并联。

所述的充电限流旁路导通模块1包含：第一级均流单元，串联在所述充电回路中；该第一级均流单元包含串联的第一限流电阻以及第一开关K1，第一限流电阻包括R1、R2；第二级均流单元，与所述第一级均流单元并联；该第二级均流单元包含串联的第二限流电阻以及第二开关K2，第二限流电阻包括R3、R4；且所述第一限流电阻的阻值大于所述第二限流电阻的阻值。本发明的软启动开关原理是，通过两级启动，即先开通第一级开关，此时初始充电电流比较大，因此需要比较大的电阻来限制充电电流，当充电电流降到一定数值以下，为了减少充电电流在限流电阻上的压降，再开通第二级开关，使电容的充电电流通过第二级开关，第二级开关串联的电阻也相对较小，直到滤波电容的电压充满，断开两级开关。本发明通过采用两级均流单元，并通过相应的启动方式，能够保证系统的运行安全，相对一级均流单元，本发明适用于大功率高电压的蓄电池组中，相对一级均流单元，本方案的充电时间也会缩短，可大幅提高蓄电池组的使用寿命和运行效率。

本实施例中，所述的后级载荷供电系统包含：后级电容C以及谐振电路；该后级电容C的两端分别与所述切换开关模块3对应的一个输出端以及高功率锂离子蓄电池组的另一个输出端连接。

本实施例中，所述的充电结束主导通模块包含：并联的第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5以及第六开关K6。

每个所述后级载荷供电系统的输出端即图1中的0~600V分别连接一负载。

由于K3~K6均将工作高压零（微）电流状态，需选择耐高压开关，可以尝试采用低压磁保持继电器实现，因此，本方案中，所述的第一开关K1、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5以及第六开关K6均采用2JB20-2型低压磁保持继电器实现；2JB20-2型低压磁保持继电器的技术参数及电路图如图2、3所示，2JB20-2主触点与继电器壳之间以及主触点和其他触点之间正常条件下都能够达到2500V的耐压标准。

为了进一步提高耐电压等级，本实施例中，所述的第一开关通过2JB20-2型低压磁保持继电器的两个功率触点串联形成的继电器开关实现；同时，为了满足120A脉冲幅值电流要求，所述充电结束主导通模块的第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5以及第六开关K6通过4个2JB20-2型低压磁保持继电器的8个功率触点并联形成的继电器开关实现，以满足储能系统正常供电要求。

本实施例中，软启动电路方案，如图1所示，其中，K3~K6并联，用于在载荷正常工作时流过工作电流；旁路开关K1与限流电阻R1、R2串联，旁路开关K2与限流电阻R3、R4串联，合理选取限流电阻的阻值可以使流经限流电阻R1、R2、R3、R4的电流很小。负载开始工作前，接通K1，蓄电池组电压通过限流电阻R1、R2缓慢给后级载荷供电系统的输入电容充电，当R1、R2足够大时，通常在几十K，可以认为K1为零电流开通，当流过限流电阻R1、R2的电流减小到毫安级时，接通K2，蓄电池组电压通过限流电阻R3、R4继续给后级载荷供电系统的输入电容充电，合理选择R3、R4值，可以近似认为K2为零电流开通，当流过限流电阻R3、R4的电流减小到毫安级时，后级电容充满电，此时电阻R1、R2以及R3、R4两端电压接近于零，即开关K1主触点两端电压接近于零，这时，控制K3~K6导通，可实现K3~K6零电压开通，通过上述过程，可实现后级载荷供电系统的软上电。载荷工作完成后，需要切断中储能系统与载荷供电系统之间的连接，此时可以在确保蓄电池组放电电流为零后，断开K3~K6，之后断开K2、K1，则K2、K1为零电压关断，从而实现中储能系统与载荷供电系统的安全切断。

本发明还提供了一种空间用高压蓄电池软启动方法，其包含：

S1、负载开始工作前，接通第一开关K1，使高功率锂离子蓄电池组通过第一限流电阻（R1、R2）给后级载荷供电系统充电；

S2、当流过第一限流电阻（R1、R2）的电流减小到毫安级，接通第二开关K2，使高功率锂离子蓄电池组通过第二限流电阻（R3、R4）继续给后级载荷供电系统充电；

S3、当流过第二限流电阻的电流减小到毫安级，接通充电结束主导通模块，实现充电结束主导通模块的零电压开通。

本实施例中，由于R1、R2为限流电阻，用于实现后级载荷供电系统输入端后级电容C软上电，R1、R2的阻值选取需要综合考虑限制电流大小以及后级电容C充电时间长短，考虑到K1实际选型情况，R1、R2应该选择在后级电容C充电时间满足要求前提下，选择尽可能大阻值的电阻，以减小K1开通时的电流。

电阻选择如下：

R1、R2：蓄电池组最高电压UB_m=865V，C=120uF，假定C充电到850V即完成软启动充电，据此计算在1min内将C充电到850V所需的阻值。

UB=UB_m[1-e-(t/RC)]

UB是蓄电池电压，e是指数，t是时间变量，R是R1和R2串联电阻，据上述公式可以计算出所需要的限流电阻为123K，可以采用两个62K功率电阻进行串联，电阻型号为RIG1A，功率为6W。

K1开通瞬间，流过触点的电流为：865V/（62K*2）=6.97mA

可见，在限流电阻选择2个62K电阻串联，充电时间（充到850V）选择1min的前提条件下，K1开通瞬间电流为6.97mA，K1近似于高压零电流开通。

R3和R4为也是限流电阻，如果没有R3和R4，C由于有等效电阻的原因，充电电流有几毫安左右，做实验时发现在R1和R2上会产生90V左右的压降，这时开通K3，K4，K5，K6，会对电路产生冲击，因此并联了R3和R4，可以有效的减少在电阻上产生的压降， R3、R4串联电阻承受的最大电压为直流865V。此处拟选择718厂的RIG1A型电阻器，电阻值为R3=R4=43K，单个电阻的功率为6W。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种空间用高压蓄电池软启动系统，其特征在于，包含：

高功率锂离子蓄电池组，包含一对输出端；

切换开关模块，包含一个输入端以及若干输出端，该切换开关模块的输入端连接所述高功率锂离子蓄电池组的其中一个输出端；

一个及以上的后级载荷供电系统，每个后级载荷供电系统分别包含一对输入端；各个后级载荷供电系统的一对输入端分别与切换开关模块对应的一个输出端以及高功率锂离子蓄电池组的另一个输出端连接；所述的高功率锂离子蓄电池组、切换开关模块以及一个及以上的后级载荷供电系统构成一充电回路；

充电限流旁路导通模块，串联在所述充电回路中；

充电结束主导通模块，与所述的充电限流旁路导通模块并联；

其中，所述的充电限流旁路导通模块包含：

第一级均流单元，串联在所述充电回路中；该第一级均流单元包含串联的第一限流电阻以及第一开关；

第二级均流单元，与所述第一级均流单元并联；该第二级均流单元包含串联的第二限流电阻以及第二开关；

所述第一限流电阻的阻值大于所述第二限流电阻的阻值；

其中，负载开始工作前，接通第一开关，使高功率锂离子蓄电池组通过第一限流电阻给后级载荷供电系统充电；

当流过第一限流电阻的电流减小到毫安级，接通第二开关，使高功率锂离子蓄电池组通过第二限流电阻继续给后级载荷供电系统充电；

当流过第二限流电阻的电流减小到毫安级，接通充电结束主导通模块，实现充电结束主导通模块的零电压开通。

2.如权利要求1所述的空间用高压蓄电池软启动系统，其特征在于，所述的后级载荷供电系统包含：

后级电容以及谐振电路；该后级电容的两端分别与所述切换开关模块对应的一个输出端以及高功率锂离子蓄电池组的另一个输出端连接。

3.如权利要求1所述的空间用高压蓄电池软启动系统，其特征在于，所述的充电结束主导通模块包含：

并联的第三开关、第四开关、第五开关以及第六开关。

4.如权利要求1所述的空间用高压蓄电池软启动系统，其特征在于：

每个所述后级载荷供电系统的输出端分别连接一负载。

5.如权利要求2所述的空间用高压蓄电池软启动系统，其特征在于：

所述的第一开关、第三开关、第四开关、第五开关以及第六开关均采用2JB20-2型低压磁保持继电器实现。

6.如权利要求3或5所述的空间用高压蓄电池软启动系统，其特征在于：

所述的第一开关通过2JB20-2型低压磁保持继电器的两个功率触点串联形成的继电器开关实现；

所述充电结束主导通模块的第三开关、第四开关、第五开关以及第六开关通过4个2JB20-2型低压磁保持继电器的8个功率触点并联形成的继电器开关实现。

7.一种采用如权利要求1-6任意一项所述的空间用高压蓄电池软启动系统的空间用高压蓄电池软启动方法，其特征在于，包含：

S1、负载开始工作前，接通第一开关，使高功率锂离子蓄电池组通过第一限流电阻给后级载荷供电系统充电；

S2、当流过第一限流电阻的电流减小到毫安级，接通第二开关，使高功率锂离子蓄电池组通过第二限流电阻继续给后级载荷供电系统充电；

S3、当流过第二限流电阻的电流减小到毫安级，接通充电结束主导通模块，实现充电结束主导通模块的零电压开通。