CN109698533A - 空间锂电池自供电均衡调节系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间锂电池自供电均衡调节系统，属于空间电源技术领域，其特征在于：所述空间锂电池自供电均衡调节系统至少还包括：与第一NPN三极管的基极电连接的电压比较电路A；与第二NPN三极管的基极电连接的电压比较电路B；与电压比较电路A、电压比较电路B电连接的分压电路；与电压比较电路A电连接的基准门限电路A；与电压比较电路B电连接的基准门限电路B；以及恒流反馈电路；所述恒流反馈电路分别与锂电池的负极、第二NPN三极管的发射极电连接；所述第二NPN三极管的发射极与基准门限电路B电连接。通过本发明所示电路调整后的蓄电池组内部，各单体间不一致性小于15mV，满足空间应用的需求。

Description

空间锂电池自供电均衡调节系统
技术领域
本发明属于空间电源技术领域，尤其涉及一种空间锂电池自供电均衡调节系统。
背景技术
随着航天技术的发展，卫星星座日益增多，应用范围日益广泛。卫星星座模式的发展要 求电源系统在其研发和生产过程中多套并行生产，快速组装、快速测试及快速交付。为了满 足上述需求，电源系统需要采用通用化、系列化、模块化设计并提高可扩展性。
锂离子蓄电池组是卫星电源系统的重要储能单机，其由多节锂电池串并联组成。面对低 轨星座数百颗卫星的需求量，亟需适合军用和民用的商业化星座平台电池产品。为此，本申 请人研制了中容量、低成本、具有安全断开阀和泄压保护阀的5Ah锂离子蓄电池单体。为了 提升低轨星座电源系统可靠度，同时降低电池组的配置成本，该型蓄电池单体创新性地采用 了先串联后并联的拓扑结构。相应的，锂电池均衡电路虽然有多种解决方案，但针对的蓄电 池拓扑结构都是单体电池先并联后串联。这就要求电池管理方案也必须进行相应的创新设计， 以适应该型电池全新拓扑结构的需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种空间锂电池自供电均衡调节系统，该空间锂电池 自供电均衡调节系统通过简洁可靠的硬件均衡电路，使数百只单体电池均保持在相互平衡的 状态，保证蓄电池在轨寿命。经试验验证，按本发明所示电路调整后的蓄电池组内部，各单 体间不一致性小于15mV，满足空间应用的需求。
本发明所采用的具体技术方案为：
本专利的发明目的是提供一种空间锂电池自供电均衡调节系统，包括自主均衡电路；所 述自主均衡电路包括第一NPN三极管和第二NPN三极管；锂电池的正极通过分流电阻与第一 NPN三极管的集电极电连接，所述第一NPN三极管的发射极与第二NPN三极管的集电极电 连接；所述第二NPN三极管的发射极通过反馈电阻与锂电池的负极电连接；所述空间锂电池 自供电均衡调节系统至少还包括：
与第一NPN三极管的基极电连接的电压比较电路A；
与第二NPN三极管的基极电连接的电压比较电路B；
与电压比较电路A、电压比较电路B电连接的分压电路；
与电压比较电路A电连接的基准门限电路A；
与电压比较电路B电连接的基准门限电路B；
以及恒流反馈电路；所述恒流反馈电路分别与锂电池的负极、第二NPN三极管的发射极 电连接；所述第二NPN三极管的发射极与基准门限电路B电连接。
进一步：上述分压电路包括与第七电阻和第八电阻，上述空间锂电池的正极通过第七电 阻与分压电路的输出端子VM电连接，上述空间锂电池的负极通过第八电阻与分压电路的输 出端子VM电连接。
更进一步：电压比较电路A的基准端子与上述输出端子VM电连接；上述电压比较电路 A的比较端子上电连接有参考电压产生电路A；上述参考电压产生电路A包括第一电阻、第 二电阻、第三电阻和第一稳压管；空间锂电池依次通过第一电阻、第二电阻与上述比较端子 电连接；空间锂电池依次通过第一电阻、第二电阻、第三电阻接地；空间锂电池依次通过第 一电阻、第一稳压管接地。
更进一步：电压比较电路B的基准端子与上述输出端子VM电连接；上述电压比较电路 B的比较端子上电连接有参考电压产生电路B；上述参考电压产生电路B包括第四电阻、第五 电阻、第六电阻和第二稳压管；空间锂电池依次通过第四电阻、第五电阻与上述电压比较电 路B的比较端子电连接；空间锂电池依次通过第四电阻、第五电阻、第六电阻接地；空间锂 电池依次通过第四电阻、第二稳压管接地。
本发明的优点及积极效果为：
1.本发明能够适用于空间产品多节蓄电池先串联后并联的蓄电池自主均衡，产品性能稳 定可靠；
2.本发明电路的供电不需外接电源，直接利用蓄电池单体供电，自耗电电流小，且该拓 扑可有效隔离电路故障，避免故障蔓延，同时降低产品成本；
3.本发明采用反馈电阻等分立器件实现电源的反馈控制，未使用复杂的电源控制芯片， 降低了产品成本，提高了产品的可维修性；
4.本发明采用三极管作为主功率器件，无需MOSFET等昂贵器件，降低了成本；
5.本发明中分流电路功率器件采用了串联冗余拓扑结构，保证了空间使用时的可靠性， 避免了单一器件失效带来毁灭性损失，保证了单体电池的安全使用；
本发明的每个输出端对应一节蓄电池单体，不受蓄电池串联或并联节数的影响，可扩展 能力强，适用范围广。
附图说明
图1为本发明优选实施例的使用状态图；
图2为本发明优选实施例的电路拓扑图；
图3为本发明优选实施例中A通道参考电压产生电路图
图4为本发明优选实施例中B通道参考电压产生电路图
图5为本发明优选实施例中电池电压分压电路图
图6为本发明优选实施例中均衡电路中上端电压比较电路原理图
图7为本发明优选实施例中均衡电路中下端电压比较电路原理图
图8为本发明优选实施例中上端分流电路的原理图
图9为本发明优选实施例中下端分流电路的原理图
图10为本发明优选实施例中均衡电流与电池电压关系图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细 说明如下。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
一种空间锂电池自供电均衡调节系统，包括自主均衡电路；所述自主均衡电路包括第一 NPN三极管和第二NPN三极管；锂电池的正极通过分流电阻与第一NPN三极管的集电极电 连接，所述第一NPN三极管的发射极与第二NPN三极管的集电极电连接；所述第二NPN三 极管的发射极通过反馈电阻与锂电池的负极电连接；所述空间锂电池自供电均衡调节系统至 少还包括：
与第一NPN三极管的基极电连接的电压比较电路A；
与第二NPN三极管的基极电连接的电压比较电路B；
与电压比较电路A、电压比较电路B电连接的分压电路；
与电压比较电路A电连接的基准门限电路A；
与电压比较电路B电连接的基准门限电路B；
以及恒流反馈电路；所述恒流反馈电路分别与锂电池的负极、第二NPN三极管的发射极 电连接；所述第二NPN三极管的发射极与基准门限电路B电连接。
请参阅图1至图10：本发明的技术方案主要包括：基准门限电路、分压电路、电压比较 电路、恒流反馈电路、分流电阻等模块，每个模块从结构上分为上端和下端电路。后文将上 端电路称为A电路，其基准电压较低，先于下端电路开启，呈现开关特性，下端称为B电路， 其呈现线性分流特性。整体电路结构如图2所示。
自主均衡电路采用单体电池供电。如图3所示：电压比较电路A的基准端子与上述输出 端子VM电连接；上述电压比较电路A的比较端子上电连接有参考电压产生电路A；上述参 考电压产生电路A包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一稳压管；空间锂电池依次通过 第一电阻、第二电阻与上述比较端子电连接；空间锂电池依次通过第一电阻、第二电阻、第 三电阻接地；空间锂电池依次通过第一电阻、第一稳压管接地。均衡产生各路参考电压的方 式为：先由限流电阻R1和稳压管D1得到1.8V的稳定电压V1，再利用多个电阻R2、R3进行 分压，得到参考电压VREF1。为了减小温度等环境因素对基准电压的影响，此处的稳压二极 管选用的低温度系数的IN4614，分压电阻也选择低温度系数电阻。上端电路需要一路参考电 压VREF1,其电路如图3所示。
下端电路与上端电路类似，需要一路参考电压，先由限流电阻R4和稳压管D2得到1.8V 的稳定电压V1，再利用多个电阻R5、R6等进行分压，得到参考电压VREF2。VREF2电路如图 4所示：电压比较电路B的基准端子与上述输出端子VM电连接；上述电压比较电路B的比较端子上电连接有参考电压产生电路B；上述参考电压产生电路B包括第四电阻、第五电阻、第六电阻和第二稳压管；空间锂电池依次通过第四电阻、第五电阻与上述电压比较电路B的比较端子电连接；空间锂电池依次通过第四电阻、第五电阻、第六电阻接地；空间锂电池依次通过第四电阻、第二稳压管接地。
在对电池电压进行比较之前，应利用多个电阻R7、R8等对其进行分压，使其电压VM与 VREF相仿。电池分压电路如图5所示：上述分压电路包括与第七电阻和第八电阻，上述空间 锂电池的正极通过第七电阻与分压电路的输出端子VM电连接，上述空间锂电池的负极通过 第八电阻与分压电路的输出端子VM电连接。
当单体电池电压低于3V时，电压比较电路U1不参与工作，输出为低电平，不会导通后 续分流电路；当单体电池电压高于3V时，电压比较电路U1开始工作。上端比较电路具有分 流闸门的作用，应在电池电压高于4.10V后输出高电平，以开启后面的分流电路。为了保障 分流曲线的线性，本设计中令上端比较电路U1提前动作，即在电池电压为4.08V时输出高电 平。上端比较电路的具体结构如图6所示。
为了依据电池电压对分流的开启进行精确地控制，设计中需要将VCELL缩小之后再进行 比较。考虑到基准电压为1.8V，将电池电压缩小即VM，电压比较电路的输出信号BALANCE-A 直接控制分流电路。
下端电压比较电路由1个运放U2构成，运放为低压运放器件，供电电压高于3V可正常 工作，当单体电池电压低于3V时，线性放大电路U2不参与工作，输出为低电平，不会导通后续分流电路。该由蓄电池单体直接供电，其电路结构如图7所示。随着电池电压的增加，运放正负输入端压差也缓慢增加，此电压增加的量是输出电压的若干倍，故可以实现线性分 流，即分流电流随电池电压的增加而线性增加。
上端分流电路的原理图如图8所示，电路主体由1个三极管T1构成。T1是一个功率型 NPN三极管。分流电路在上端比较电路导通之后立即导通，从而对电池分流进行预开启。
下端均衡分流电路如图9所示，电路主体由1个三极管T2组成，其工作原理与图8所示 的上端电路类似。R1两端的电压将作为反馈信号送入下端电压比较电路，以实现线性分流。
当电池电压较低时，下端B电路中运放正端电池电压低于负端基准电压，运放U2输出为 低电平，分流三极管关断，即电流处于钳断状态。当电池电压升高，运放U2正端电池电压高 于负端基准电压，运放U2输出电压升高，三极管T2进入线性放大区，CE间通过电流。当电 流流过反馈电阻RF时，反馈电阻RF两端电压反馈至运放U2负端的基准电压，使其升高，当 基准与电池电压相等时，电路达到平衡状态，此时分流电流与电池电压呈线性关系；当电池 电压继续升高，三极管T2通过电流逐渐增大至饱和导通状态，此时电流仅与分流电阻R0呈 正比关系，即电流达到最大状态。
所述发明实例，测得均衡电流与电池电压关系如附图10所示，证实本发明能够实现精确 分流。
当电池电压低于4.1V时，“均衡电路”不启动，单体电池耗电电流＜1mA；
若某节电池电压高于4.1V，“均衡电路”启动，分流部分电池电流，从而减小对电池“过 充”的可能性；
当电池电压在4.1～4.2V变化时，分流电流在1mA～100mA变化，且与电压呈线性关系；
当电池电压高于4.2V时，分流电流维持最大分流电流(100mA以上)
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依 据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技 术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种空间锂电池自供电均衡调节系统，包括自主均衡电路；所述自主均衡电路包括第一NPN三极管和第二NPN三极管；锂电池的正极通过分流电阻与第一NPN三极管的集电极电连接，所述第一NPN三极管的发射极与第二NPN三极管的集电极电连接；所述第二NPN三极管的发射极通过反馈电阻与锂电池的负极电连接；其特征在于：所述空间锂电池自供电均衡调节系统至少还包括：
与第一NPN三极管的基极电连接的电压比较电路A；
与第二NPN三极管的基极电连接的电压比较电路B；
与电压比较电路A、电压比较电路B电连接的分压电路；
与电压比较电路A电连接的基准门限电路A；
与电压比较电路B电连接的基准门限电路B；
以及恒流反馈电路；所述恒流反馈电路分别与锂电池的负极、第二NPN三极管的发射极电连接；所述第二NPN三极管的发射极与基准门限电路B电连接。
2.根据权利要求1所述的空间锂电池自供电均衡调节系统，其特征在于：上述分压电路包括与第七电阻和第八电阻，上述空间锂电池的正极通过第七电阻与分压电路的输出端子VM电连接，上述空间锂电池的负极通过第八电阻与分压电路的输出端子VM电连接。
3.根据权利要求2所述的空间锂电池自供电均衡调节系统，其特征在于：电压比较电路A的基准端子与上述输出端子VM电连接；上述电压比较电路A的比较端子上电连接有参考电压产生电路A；上述参考电压产生电路A包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第一稳压管；空间锂电池依次通过第一电阻、第二电阻与上述比较端子电连接；空间锂电池依次通过第一电阻、第二电阻、第三电阻接地；空间锂电池依次通过第一电阻、第一稳压管接地。
4.根据权利要求2所述的空间锂电池自供电均衡调节系统，其特征在于：电压比较电路B的基准端子与上述输出端子VM电连接；上述电压比较电路B的比较端子上电连接有参考电压产生电路B；上述参考电压产生电路B包括第四电阻、第五电阻、第六电阻和第二稳压管；空间锂电池依次通过第四电阻、第五电阻与上述电压比较电路B的比较端子电连接；空间锂电池依次通过第四电阻、第五电阻、第六电阻接地；空间锂电池依次通过第四电阻、第二稳压管接地。
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