CN107656208B - 空间用蓄电池单体电压高精度采样集成模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间用蓄电池单体电压高精度采样集成模块，其中每个功能单元包含封装在内部的蓄电池单体电压采样单元、蓄电池单体电压采样补偿跟随单元，以及设置在外部的蓄电池单体电压采样补偿单元；蓄电池单体电压采样补偿跟随单元对蓄电池单体电压采样单元的采样电压进行误差补偿时的阻抗匹配；蓄电池单体电压补偿单元通过外部的工作电压对采样电压进行正负补偿。本发明基于INA148芯片实现蓄电池组高共模电压下单体电压的高精度采集，自带误差补偿引脚可以通过外接补偿实现采样精度的校正，满足空间高压锂离子蓄电池组高精度均衡管理要求。设计4路或7路基于厚膜工艺的空间高精度采样集成模块，通过灵活搭配，来适应目前空间电源常用的采样要求。

Description

空间用蓄电池单体电压高精度采样集成模块

技术领域

本发明涉及一种空间领域中航天电源锂离子蓄电池储能系统的高集成度采样技术，具体涉及一种空间用蓄电池单体电压高精度采样集成模块。

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，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。由锂离子串联蓄电池单体串联形成蓄电池组，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、载荷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。

为了保证飞行器满足任务寿命要求，蓄电池组必须进行高性能的均衡管理方能确保性能满足要求，而高精度的采样则是高性能均衡管理能否实现的前提。特别随着空间载荷技术的进步，对电源系统的输出功率和输出电压要求越来越高，特别对于锂离子蓄电池储能系统而言，要求采用更多的单体进行串联，如此将会对锂离子蓄电池组的均衡管理和采样提出更高的要求，要求在进行蓄电池组高共模电压采样的同时提高蓄电池组的采样精度，并且从管理系统轻量化、小型化长远角度考虑，需要对采样系统进行模块化设计，本发明即基于此提出。

发明内容

本发明提供一种对空间电源系统高压锂离子蓄电池组的高精度采样模块，构建高集成、高精度、高可靠的高共模电压锂离子蓄电池单体电压采样模块，进行高压蓄电池组电压的高精度采样和高精度校正，并简化采样电路的规模，实现系统的高集成设计。

为实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种空间用蓄电池单体电压高精度采样集成模块，所述采样集成模块内部集成有若干个功能单元，其各自与蓄电池组中相对应的蓄电池单体连接进行单体电压采样；

每个功能单元，包含封装在采样集成模块内部的蓄电池单体电压采样单元、蓄电池单体电压采样补偿跟随单元，以及设置在采样集成模块外部的蓄电池单体电压采样补偿单元；

所述蓄电池单体电压采样补偿跟随单元对蓄电池单体电压采样单元的采样电压进行误差补偿时的阻抗匹配；所述蓄电池单体电压补偿单元通过外部的工作电压对采样电压进行正负补偿。

优选地，所述蓄电池单体电压采样单元包含高共模电压采样芯片INA148，其设有第一输入端、第二输入端从对应连接的蓄电池单体处获得输入电压Vin+、Vin-，还设有第三输入端从相连接的所述蓄电池单体电压采样补偿跟随单元处获得调节后的误差补偿电压Vref，以便通过设置的输出端来输出与蓄电池单体电压数值相同的采样电压Vo。

优选地，所述蓄电池单体电压采样补偿跟随单元包含双单元集成的运算放大器LM158，通过第一单元的输出引脚向相连接的蓄电池单体电压采样单元提供误差补偿电压Vref；所述第一单元的输出引脚还与该第一单元的反相输入引脚连接；所述第一单元的同相输入引脚通过连接封装在采样集成模块内部的内部分压电阻，来与设置在采样集成模块外部的所述蓄电池单体电压采样补偿单元电性连接。

优选地，所述蓄电池单体电压采样补偿单元设有依次串联的第一电阻、第二电阻、第三电阻；所述第二电阻及第三电阻是对误差补偿电压进行调节的调试电阻；所述第一电阻与外部的正工作电压连接，所述第三电阻与外部的负工作电压连接，所述第一电阻与第二电阻相连接的节点接入到采样集成模块内部，通过连接所述内部分压电阻，来与所述蓄电池单体电压采样补偿跟随单元电性连接。

优选地，所述采样集成模块内部还对每个功能单元封装有一级射级跟随电路，其串联在蓄电池单体电压采样单元与外部的后级处理电路之间。

优选地，每个功能单元的一级射极跟随电路，采用运算放大器LM158的第二单元构建；第二单元的同相输入引脚连接所述蓄电池单体电压采样单元的输出端来获得采样电压Vo，第二单元的反相输入引脚连接该第二单元的输出引脚，所述第二单元的输出引脚还接至采样集成模块的外部。

优选地，所述蓄电池单体电压采样单元对共模电压200V的单体电压进行采样，或者在满足一级降额要求时对共模电压100V以内的单体电压进行采样。

优选地，所述采样集成模块封装有基于厚膜工艺集成的4个或7个功能单元。

本发明采用INA148芯片内核为核心，通过厚膜工艺集成多路高精度采样单元(优选为4路、7路)，其通过将专门设计的包含蓄电池单体电压采样单元、蓄电池单体电压采样补偿跟随单元、蓄电池单体电压采样补偿单元在内的功能电路进行厚膜工艺处理后，结合元器件在电路上的安装要求，采用既有的封装结构壳体实现采样模块的封装集成，根据预先设计好的引脚定义，可以实现电路功能接入和输出点的引出，方便进行电路PCB板的设计，同时，考虑空间应用环境的特殊要求，可以兼顾进行集成模块的抗辐加固设计。

蓄电池单体电压采样电路以INA148芯片为核心构建，将串联蓄电池组中某个需要电压测量的单体按照原理图接入集成模块相应管脚，可以将该单体电压转换为与工作电压共地的0～5V电压低压输出，输出电压即为所测蓄电池单体电压，由于采样电路的同相端和反相端分别串有兆欧级的高精密光刻分压电阻，使得采样电路引起蓄电池单体漏电流为微安级，有利于提高蓄电池管理性能。

为了对采样精度进行校正，可通过IN148A芯片的8脚进行误差补偿，本发明通过串入双路运算放大器LM158进行阻抗匹配，减小外部电路扰动对采样精度的影响，通过参数的合理设计，可以实现采样电压±12mV范围内的误差补偿。

单体电压采样电路输出需要给到后级处理电路(模拟量通道、AD等)，故应当具备一定的信号驱动能力。为减小后级电路对采样精度的影响，采样输出将串联一级射极跟随器提高输出驱动能力，以实现后级阻抗匹配。采样电压经射极跟随器输出后经过适当的滤波保护即可满足要求。

本发明空间用蓄电池单体电压高精度采样集成模块，和现有空间电源系统采样技术相比，其优点在于：

1)本采样集成模块基于INA148芯片内核实现，可以满足100V高压电源系统高共模电压情况下的采样要求，自带误差补偿引脚可以通过外接补偿实现采样精度的校正，提高采样精度到5mV以内，本方案高输入阻抗相对于传统采样电路有助于减小采样电路引起蓄电池漏电流到微安级，可大幅减小蓄电池组长寿命使用过程中的自放电率。

2)本发明采用集成模块化设计，设计误差补偿和输出阻抗匹配功能，大大简化了传统采样电路结构，有助于系统高集成和高可靠设计。

附图说明

图1为本发明对应单体电压采样电路的放大原理图；

图2为高共模电压采样电路原理图；

图3为集成运算放大器(LM158)原理图；

图4为7串蓄电池组采样模块封装结构的示意图；

图5为本发明使用7串蓄电池组采样模块原理电路的示意图；

图6为本发明使用4串蓄电池组采样模块原理电路的示意图。

具体实施方式

随着技术进步，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。对于高压蓄电池组而言，需要解决其循环使用过程中的均衡管理问题，特别针对空间应用环境，进行高压蓄电池组复杂空间环境下高可靠采样，是实现高压蓄电池组长寿命应用所需高性能均衡的先决条件。

本发明提供一种空间用蓄电池单体电压高精度采样集成模块，对传统分离式采样电路实现高集成和高精度设计。下面结合具体实施例对本发明的高精度采样集成模块进一步加以阐述。

配合参见图1、图5、图6所示，所述的空间高精度采样集成模块中，集成有若干个功能单元。每个功能单元，包含蓄电池单体电压采样单元10、蓄电池单体电压采样补偿跟随单元20、蓄电池单体电压采样补偿单元30。

其中，单体电压采样单元10基于高共模电压采样芯片INA148实现，其可承受共模电压200V的单体电压采样，考虑一级降额要求，可以对共模电压100V以内的单体电压进行采样。蓄电池单体电压采样补偿跟随单元20用于实现INA148芯片误差电压补偿的阻抗匹配，提高补偿精度。蓄电池单体电压补偿单元30通过外部的工作电压(+12V、-12V)实现单体电压采样值得高精度补偿，其可进行正负补偿。

考虑到空间电源系统除了对采样精度要求很高外，对电路的集成度和可靠度要求也很高，特别对于高压电源系统而言，由于串联单体较多，将导致采样电路异常复杂和庞大，基于此，本发明基于厚膜电路工艺，提出了对多个采样电路(含补偿和驱动阻抗匹配)进行集成设计。即，外部封装结构40通过多脚标准的封装对多个功能单元进行集成，将各功能单元的蓄电池单体电压采样单元10、蓄电池单体电压采样补偿跟随单元20封装到同一个采样模块内，提高采样电路的集成度。所述的外部封装结构40，实现上述功能单元电性能引出到电路板，实现集成采样模块的安装，同时，针对空间应用要求，采用特殊材料进行外壳封装，可以实现对采样集成模块的抗辐加固设计，满足高轨等领域的应用要求。

优选的示例中，设计有7路(图5)和4路(图6)两种基于厚膜工艺的空间高精度采样集成模块，通过灵活搭配可以实现对4、7、11、22节及其以内串联单体电压进行高精度采样，采样到的单体电压(0～5V)可以进入后及系统，同时满足一级降额要求。从而适应目前空间电源常用的28V/42V/100V母线电源系统储能蓄电池的采样要求，简化了采样电路，提高了系统的可靠性。下文以7路高精度采样集成模块为例进行说明。

图4为7串蓄电池组采样模块封装结构的示意图，上表是该封装结构的示例尺寸，包含：封装壳体的长度D、宽度E、高度A、引脚高度L、引脚直径φb、长度方向上相邻引脚的间距e、宽度方向上相邻引脚的间距e1、壳体一侧边缘到该侧最近的引脚的距离Z。

如图2所示，所述的蓄电池单体电压采样单元10采用汽车级芯片INA148为内核，构建基于差动运放的高精度采样电路，满足高共模电压采样要求。定义芯片INA148的同相端输入电压为Vin+，反相端输入电压为Vin-，误差补偿电压为Vref，采样输出电压为Vo，则Vo＝“Vin+”-“Vin-”+Vref，可以看出，通过合理调整Vref值，即可得到蓄电池单体电压为采样输出值Vo。将串联蓄电池组中某个需要测量电压的单体Bat_n接入集成模块相应管脚，和对应INA148芯片的Vin+、Vin-端连接，可以将该单体电压转换为与工作电压共地的0～5V电压低压输出，输出电压即为所测蓄电池单体Bat_n电压。

同时，芯片INA148内部串联的分压电阻，采用高精密的光刻电阻，能够实现单体电压的高精度分压；同时，其内部分压电阻阻值达兆欧级(图中为1MΩ)，对于高压蓄电池组采样系统而言，能够减小高共模电压的影响，并有效减小采样电路引起的漏电流，从而有利于确保采样系统的高性能。此外，该采样电路还提供外部误差补偿功能，可以进行采样误差的线性补偿，有利于确保单体电压宽范围内的采样精度。

所述的蓄电池单体电压采样补偿跟随单元20，采用双路集成运算放大器LM158，实现采样电压进行误差补偿时的阻抗匹配，进一步提高采样输出的稳定精度。配合参见图1、图3所示，LM158的1脚(A单元的输出端)分别连接芯片INA148的Vref端和LM158的2脚(A单元的反相输入端)。LM158的3脚(A单元的同相输入端)引出至封装结构以外，与蓄电池单体电压采样补偿单元30连接。

在参数设计方面，为了实现最小精度mV级的补偿，在对采样电路进行误差补偿之前，为了方便补偿电压的调节，分压调节设计成模块内外两级，正负工作电压(±12V或±15V)通过集成模块外部的电阻分压后再经过内部电阻分压。所述蓄电池单体电压采样补偿单元30，即通过外部电阻对正负工作电压进行分压，可以实现采样单元输出电压的正负补偿，从而实现采样精度的校正。通过配置合适组织的电阻，可以实现电压mV量级的高精度的补偿。外部分压电阻设计成“1+2”三个电阻串联方式，其中，和+12V工作电压相连设置一个电阻，阻值为定值20k，和-12V工作电压相连设置两个调试电阻R*，其可以根据实际采样情况进行具体补偿电压的调节。设置在运算放大器LM158到外部分压电阻之间的内部分压电阻，选择高精密(高稳定度)的电阻，阻值分别为100kΩ和100Ω，这样，通过改变外部调试电阻，可以实现误差值mV级的精确补偿。

蓄电池单体电压经过本采样电路输出后，将进入后级处理电路(模拟量通道)，考虑到基于INA148采样电路输出驱动能力有限，可能会影响采样精度，因此，本发明在采样输出和后级处理电路之间串入一级射级跟随电路，用来确保电路过程中的可靠驱动，提高采样电压的稳定性，降低外部干扰源对采样精度的影响。为了提高电路集成度，串联在误差补偿电压端以及采样电路输出端串联一级射极跟随电路，采用运算放大器LM158中的B单元实现。LM158的5脚(B单元的同相输入端)连接INA148的Vo端，6脚(B单元的反相输入端)连接7脚(B单元的输出端)，该7脚同时引出至封装结构以外作为对应该功能单元的输出端。

综上所述，本发明公开一种空间用蓄电池单体电压高精度采样集成模块，采用分组模块化设计的方法对多路采样电路进行集成设计，基于INA148高精度集成采样芯片实现蓄电池组高共模电压下单体电压的高精度采集，满足空间高压锂离子蓄电池组高精度均衡管理要求。根据当前空间电源系统母线体制要求，考虑通用设计，优选地将集成采样模块分别设计成7串蓄电池组采样模块和4串蓄电池足采样模块误差补偿电路，通过组合使用可以分别满足28V/42V/100V直流母线电源系统锂离子蓄电池组的管理要求。本发明有助于解决空间高压蓄电池组单体电压高共模电压下的的高精度采样问题，为实现高压蓄电池组高精度均衡管理的必要条件。

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 (6)

1.一种空间用蓄电池单体电压高精度采样集成模块，其特征在于，

所述采样集成模块内部集成有若干个功能单元，其各自与蓄电池组中相对应的蓄电池单体连接进行单体电压采样；

每个功能单元，包含封装在采样集成模块内部的蓄电池单体电压采样单元（10）、蓄电池单体电压采样补偿跟随单元（20），以及设置在采样集成模块外部的蓄电池单体电压采样补偿单元（30）；

所述蓄电池单体电压采样补偿跟随单元（20）对蓄电池单体电压采样单元（10）的采样电压进行误差补偿时的阻抗匹配；所述蓄电池单体电压采样 补偿单元（30）通过外部的工作电压对采样电压进行正负补偿；

所述蓄电池单体电压采样补偿跟随单元（20）包含双单元集成的运算放大器，通过所述双单元集成的运算放大器的第一单元的输出引脚向相连接的蓄电池单体电压采样单元（10）提供调节后的误差补偿电压Vref；所述第一单元的输出引脚还与该第一单元的反相输入引脚连接；所述第一单元的同相输入引脚通过连接封装在采样集成模块内部的内部分压电阻，来与设置在采样集成模块外部的所述蓄电池单体电压采样补偿单元（30）电性连接；

所述蓄电池单体电压采样补偿单元（30）设有依次串联的第一电阻、第二电阻、第三电阻；所述第二电阻及第三电阻是对误差补偿电压进行调节的调试电阻；所述第一电阻与外部的正工作电压连接，所述第三电阻与外部的负工作电压连接，所述第一电阻与第二电阻相连接的节点接入到采样集成模块内部，通过连接所述内部分压电阻，来与所述蓄电池单体电压采样补偿跟随单元（20）电性连接；

所述采样集成模块内部还对每个功能单元封装有一级射级跟随电路，使其串联在蓄电池单体电压采样单元（10）与外部的后级处理电路之间；每个功能单元的一级射极跟随电路，基于所述双单元集成的运算放大器的第二单元构建；第二单元的同相输入引脚连接所述蓄电池单体电压采样单元（10）的输出端来获得采样电压Vo，第二单元的反相输入引脚连接该第二单元的输出引脚，所述第二单元的输出引脚还接至采样集成模块的外部。

2.如权利要求1所述空间用蓄电池单体电压高精度采样集成模块，其特征在于，所述蓄电池单体电压采样单元（10）包含高共模电压采样芯片INA148，其设有第一输入端、第二输入端从对应连接的蓄电池单体处获得输入电压Vin+、Vin-，还设有第三输入端从相连接的所述蓄电池单体电压采样补偿跟随单元（20）处获得调节后的误差补偿电压Vref，以便通过设置的输出端来输出与蓄电池单体电压数值相同的采样电压Vo。

3.如权利要求2所述空间用蓄电池单体电压高精度采样集成模块，其特征在于，所述蓄电池单体电压采样补偿跟随单元（20）包含的双单元集成的运算放大器为LM158。

4.如权利要求3所述空间用蓄电池单体电压高精度采样集成模块，其特征在于，每个功能单元的一级射极跟随电路，基于运算放大器LM158的第二单元构建。

5.如权利要求2所述空间用蓄电池单体电压高精度采样集成模块，其特征在于，所述蓄电池单体电压采样单元（10）对共模电压200V的单体电压进行采样，或者在满足一级降额要求时对共模电压100V以内的单体电压进行采样。

6.如权利要求1所述空间用蓄电池单体电压高精度采样集成模块，其特征在于，所述采样集成模块封装有基于厚膜工艺集成的4个或7个功能单元。

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