CN110133504A - 一种基于超级电容的电池充放电设备检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于运载火箭电池充放电设备性能检测的专用系统，该检测系统以超级电容替代传统的锌银蓄电池实现对火箭电池充放电设备的全面性能检测，检测系统由储能、安全保护、测量显示、温控等效、电源配电和接口等模块组成，可同时进行24路单体充电和流程控制功能检测，检测项目和指标能全面覆盖设备要求。本发明将超级电容技术应用至运载火箭电池充放电设备的性能检测领域，所设计的检测系统具有检测项目齐全、维护使用方便、充电检测速度快、放电检测电流范围宽、可灵活重构、检测成本低等突出优点；检测系统工作性能可靠，在实际任务中成功应用并形成了配套的检测方法和规范。

Description

一种基于超级电容的电池充放电设备检测系统

技术领域

本发明属于于航天测试发射领域，将超级电容技术应用到运载火箭充放电设备的性能检测工作，设计了用于运载火箭锌银电池充放电设备性能检测的专用检测系统，实现了对运载火箭电池充放电设备在发射场的快速、全面性能检测。

背景技术

运载火箭电池(均为锌银蓄电池)为火箭飞行过程中箭上仪器设备和火工品提供电源，其性能好坏直接影响到航天发射任务的成败。为了适应航天发射任务对发射场在短时间内完成大量火箭电池充放电工作的需求，载人航天发射场研制列装了智能化、自动化和测试集成度高的运载火箭电池充放电设备，该设备性能直接影响火箭电池的产品安全和发射进程，必须在设备使用前确保其工作性能和可靠性。

运载火箭电池充放电设备主要用于对运载火箭电池进行充电、放电和温控功能测试。现阶段，普遍采用“锌银蓄电池组检测法”对运载火箭电池充放电设备的充放电及加温性能进行检测，即采用与火箭电池相同型号的锌银蓄电池作为检测负载(检测原理见图3)，此检测方法主要存在以下缺陷：

1)检测成本高。运载火箭电池充放电设备充放电接口多(8×24路)，一块锌银蓄电池单体仅能检测一个充放电接口，完成一路充电机的单次流程检测至少需要购置24个锌银蓄电池单体；由于锌银蓄电池存在造价昂贵、使用寿命短的特点，使得充放电设备的性能检测由于成本和代价过高的问题难以开展。

2)检测时间长。锌银蓄电池为化学电池，有严格的充放电速度限制，单次由空载到满荷的充电时间需10小时以上。采用锌银蓄电池作为运载火箭电池充放电的检测负载，完成内部8台充电设备的充电性能检测需要12个工作日(检测电池组充放8次)检测时间较长，效率低，与航天发射任务间隙时间日益缩短的趋势不相适应。

3)操作安全性差。运载火箭锌银电池由于有装箭体积和质量的特殊要求，设计极为紧凑，单体极柱间间隙狭小(如图4所示)，在测试操作中极易出现电池短路，对设备和人员造成安全威胁；

4)环境要求高。由于锌银电池的低温放电性能较差，因此在极端环境下，使用其进行充放电设备检测，所获取的参数可靠性较低。

超级电容是一种介于静电电容和电池之间的新型电力储能器件，具有静电电容的高放电功率优势，也具有电池的大电荷储存能力，由于其具有特殊的优点，已在许多领域获得应用。

本发明针对运载火箭电池充放电设备现行检测方案效率低、成本高、安全可靠性差等缺点，在充分研究火箭充放电设备检测需求和超级电容器等电源技术的基础上，提出了以超级电容为核心储能模块替代锌银电池作为检测负载的检测系统方案，并用软件仿真手段验证了方案可行性。集成“超级电容器核心储能模块技术”、“多重安全保护技术”、“模块化设计方案”等一系列技术手段设计实现了检测系统，该系统可以有效提高火箭充放电设备的检测效率、全面性、安全性，大幅缩减了检测成本和检测时间。

发明内容

本发明提出以超级电容替代锌银电池对火箭电池充放电设备进行性能检测的方案，设计实现了基于超级电容的运载火箭充放电设备检测系统，为发射场运载火箭充放电设备的快速、全面性能检测提供了设备和方法保障。

本发明主要包括：

步骤一、充放电设备检测需求分析。针对充放电设备传统检测方法的局限性，结合设备的功能特点及载人航天任务使用要求，提出了充放电设备全面检测的内容和指标。

步骤二、超级电容器替代锌银电池作为检测负载的电路设计方案及验证。对比分析锌银电池和超级电容器充放电特性，提出相应设计方案并完成仿真验证。

步骤三、检测系统方案设计与实现。研究并应用储能模块重构、均衡稳压分流、过压过流保护等技术，完成检测系统的设计与生产。

步骤四、系统应用及检测方法研究。基于检测系统，研究设计充放电设备的检测项目、方法和标准，在载人航天“交汇对接”任务中成功应用，并形成相应的检测规范。

其特征在于：

(1)一体化、模块化检测系统设计。本发明提出了检测系统的一体化、模块化设计方案，检测系统由电容储能、均衡稳压、安全保护、测量显示、温控等效、电源配电、接口七个模块组成，核心模块为电容储能模块。一体化的集成设计方案整合充放电检测需求，与运载火箭电池测试流程和操作状态一致，便于设备管理操作和人员训练，有利于提升发射场充放电设备检测工作的整体效率和操作状态固化训练；模块化设计方案可以满足运载火箭电池充放电设备的检测需求，设备检测针对性、适应性更高。

(2)超级电容器的储能模块设计及重构技术。提出使用超级电容替代锌银电池作为检测负载，并对储能模块电路方案进行详细设计。超级电容充电速度快、充电电流范围广的特点，有效解决检测工作中锌银电池要求苛刻、充电时间长的问题。超级电容价格远低于锌银蓄电池，可以达到充电机24路充电性能同时检测和完整控制流程检测的需求。采用储能模块重组技术，小电流模式下电容模组使用24个电容串联的结构，大电流电容模组采用4×4的电容串并结合的结构，解决了放电设备检测中不同电流情况下的检测需求。

(3)超级电容器多单体储能均衡稳压分流技术。为了保证超级电容的工作安全，在电容模组中的每支超级电容上均配置旁路电流达10A的均衡电路板，以均衡在串联工作状态下每支超级电容上的工作电压，此均压方案电路设计简单，电路元器件少，成本低，能快速实现每个电容充满后分流均压。

(4)基于智能仪表的多层次充放电安全防护技术。充电过程中，当电容两端的电压超过2.7V时，电容器有可能击穿，为了保证电容模组中超级电容的工作安全，在充电回路中设计过压保护电路，可根据使用的需要自由设置充电过程的安全电压，保护电容器的安全；充放电过程中，超级电容内将储存大量的能量，测试操作过程中，稍有不慎，便会损坏检测系统和被测设备，在充电回路中设计过流保护电路，预防意外发生。

本发明的优势是：

本发明提出的基于超级电容的发射场锌银电池充放电设备检测系统，解决了载人航天发射场箭上电池充放电设备缺少专用检测设备、检测成本高、周期长、检测内容不全等问题。提高了检测效率，降低了检测成本，保证了检测的准确性和安全可靠性，维护使用方便。

附图说明

图1检测系统结构框图；

图2电容模组串联结构原理图；

图3“锌银蓄电池组检测法”测试示意；

图4锌银电池组结构示意；

图5运载火箭电池充放电充电设备对电池的充电原理；

图6加入均压分流电路后五个超级电容端电压变化；

图7均衡稳压电路原理；

图8温控等效模块原理图；

图9安全保护电路工作原理图；

图10检测系统接口与监测界面(正面)；

图11检测系统接口与监测界面(背面)；

图12大电流放电电容模组重构示意；

图13超级电容串联均压效果对比曲线；

图14运载火箭充放电设备检测指标。

具体实施方式

结合附图对本发明的运载火箭电池充放电设备检测系统做进一步详细描述。

步骤一、充放电设备检测需求分析。针对充放电设备传统检测方法的局限性，结合设备的功能特点及载人航天任务使用要求，提出了充放电设备全面检测的内容和指标。

运载火箭电池充放电设备能够实现充电、放电和加温过程的智能化、自动化测试。由测控系统、8台充电机、2台放电机、2台加温设备以及配套的测试软件、测试电缆组成。

1)充电设备检测需求

任务测试过程中，运载火箭电池充电设备对电池的充电原理如图5所示，由设备的测控系统对充电回路的电流进行测量，根据采样值调整充电电流值，从而实现对电池充电过程的精准控制。因此，运载火箭电池充放电的测控系统中充电电流测量精度及充电电流的控制精度需要进行检测。

运载火箭电池充放电设备充电功能具有恒压分流电路、自动切除功能。同充电电流控制类似，分流电路的控制精度必须检测合格；自动切除功能的实现在于实时检测电池单体端电压，一旦电压满足恒压设定值，则自动切除，因此需要检测设备对充电单体的端电压采集精度。运载火箭电池充放电设备具有24路充电线路的自动化流程控制，相应的软件测试流程控制功能也必须进行检测。

2)放电设备检测需求

放电设备数据采集精度的检测需求与充电设备基本相同，但无分流电路与自动切除功能。其基本检测需求为放电电流控制精度、放电电流测量精度、放电组合电压测量精度及放电流程控制功能等。

3)加温设备检测需求

加温设备基本检测需求包括加温电压、电流控制精度及流程控制功能。

步骤二、超级电容器替代锌银电池作为检测负载的电路设计方案及验证。对比分析锌银电池和超级电容器充放电特性，提出相应电路设计方案并进行仿真验证。

检测系统设计之前，采用软件仿真的方法，分析超级电容单体直流充电特性和串联直流充电特性，设计充放电电路，为检测系统设计提供理论指导。

超级电容串联使用时，由于每个超级电容的性能不一致，易出现端电压不一致，个别超级电容端电压会出现过低或过高，端电压过低时，超级电容处于欠充状态，电压过高时，超级电容处于过充状态，继续充电可能造成超级电容击穿损坏。因此，为了满足每个超级电容充分充电，同时保证超级电容的安全性，必须在充电电路中加入串联均压分流电路，在某个超级电容充满后，自动分流到欠充的超级电容上，保证每个超级电容端电压不超过额定电压，且每个超级电容不会出现过充和欠充的情况。

为验证串联均压分流电路，采用PSIM软件建立仿真电路，10A直流电流充电10分钟，五个串联超级电容端电压变化如图6所示。仿真结果表明，采用串联均压分流电路，有效限制了超级电容端电压，防止过充，保护了超级电容，而且实现了充电电流分流，保证了每个超级电容充分充电。

超级电容的工作电压2.7V，充电时间短(1～60s)，充电电流和放电电流范围大(0～200A)，循环使用大于10万次，可长期存储，使用寿命长，是作为锌银电池替代产品的最佳产品，作为储能模块进行充放电设备检测，可有效覆盖锌银电池的工作特性，具备降低检测成本、缩短检测周期，同时满足检测指标、保证检测效果的众多优点。

步骤三、检测系统方案设计与实现。研究并应用储能模块重构、均衡稳压分流、过压过流保护等技术，完成检测系统的设计与生产。该系统可实现对充放电设备全工况、全流程检测。

运载火箭电池充放电设备检测系统的采用一体化、模块化设计方案并进行优化，满足了运载火箭电池充放电设备的检测需求。

1)储能模块。

储能模块实现系统的充电、放电功能，技术方案如下：

a)储能模块主体采用24个3000F/2.7V的SPP3000型超级电容器单体串联构成，如图2中所示，单体电容C1～C24串联，提供60V输出电压；

b)模块加装密封外壳，用以保护设备的安全性；每个单体均设有独立引出端子，如图2中所示，X1～X48为24块单体电容的引出端子，作为监测单体状态的接线端；

c)分别在C6单体、C12单体、C18单体处设置引出线，使其能够输出15V、30V、45V电压，满足充放电设备检修检测对不同电压的需求；

d)每个单体电容均并联独立的均衡稳压电路，用以消除充电过程中由于电容单体个体差异导致的过充现象，防止单体过充受损；

e)每个单体并联电压表，监测单体充放电过程中的电压参数；图2中发光二极管用以检测单体充电状态，当单体过充时，二极管发光，同时均衡电路工作；

f)均衡稳压电路原理如图7所示，电路的分流阈值电压为2.68V，电流为10A。电路的1、2两端与超级电容单体的引出正负端子连接，当超级电容单体电压小于2.68V时，均衡电路工作于阻断状态，只有很小的漏流通过，当单体电压大于2.68V时，随着电压的增大，流过均衡电路的电流急剧增加，实现分流，将电压稳定在单体额定电压2.7V以内。

2)温控等效模块

温控等效模块用于检测加温设备性能。技术方案如下：

a)采用可控电阻和钮子开关(图8中R1和SA2)组成温控等效电路；

b)采用分流器(图8中FU1)和电流表(图8中PA2)测量、显示加温电流；采用电压表(图8中PV26)测量、显示加温电压；

c)采用稳压板(图8中G2、G3)将机内电源模块输出的DC24V电源降压为5V供电压表和电流表使用；

d)采用圆柱形测试插孔作为加温电源的输入端子，模块最大工作电压为DC30V，最大工作电流为10A；

e)工作原理说明：如原理图8所示，检测加温设备时，电路的正负极柱(DC30V+，DC0V-)分别与加温设备的正负极输出相连，启动加温过程，电流表、电压表测量显示加温回路的电流、电压。断开钮子开关后，加温回路断开，充放电设备的测控系统加温程序检测到加温电流为零，自动停止加温测控程序，停止记录数据。重复以上流程，分别检查加温设备流程控制功能和电压、电流测量精度、控制精度等项目。

3)安全保护模块

安全保护模块用于在充放电过程的安全控制，当系统出现过压、过流现象时，自动切断充电、放电回路，保护系统和充放电设备不受过压、过流的影响。技术方案如下：

a)采用HB4740型智能电压表和直流接触器实现系统的过压保护功能，HB4740型智能电压表可根据需要预置不同的保护电压值。实现电路如图9所示，设计原理为：智能电压表PV25监测电容模组0V、60V两引出端子的电压，充电时，当电容模组的电压超过预置安全电压时，PV25的常开触点J2闭合，驱动控制继电器KM2动作，主回路的直流接触器KM1释放，断开充电回路，避免储能模块出现过压现象；

b)采用HB4740型智能电流表、直流接触器、主回路熔断器FU2实现系统的过流保护功能，HB4740型智能电压表可根据需要预置不同的保护电流值。电路原理如图9所示，设计原理为：智能电流表PA1监测串联在主回路中FU2两端的电压，当主回路电流超过预置安全电流时，FU2两端的电压亦超过安全值，PA1的常开触点J2闭合，驱动控制继电器KM2动作，主回路的直流接触器KM1释放断开充电回路，从而避免超负荷放电对检测系统和充放电设备的损害；

c)智能电压表PV25、直流接触器KM1、控制继电器KM2的供配电由总电源SA1以及AC/DC24V电源G1完成。

4)专用接口与测控模块

专用接口是指本检测系统与充放电设备的电路连接接口，实现系统与充放电设备的电路连接功能。实时测量模块由智能电压表、电流表和指示灯组成，实现充放电过程中电压、电流参数和工作状态的监测功能。系统的接口和测量模块界面如图10、11所示，技术方案如下：

a)采用24对圆柱形镀铜插孔实现与充电设备24对分支电缆的连接接口，排列方式为6×4，如图10中12所示，对应图2中的X1～X48；采用1对圆柱形镀铜插孔实现与加温设备电缆的连接接口，如图10中13所示,对应图2中的X49、X50；

b)测控模块实现本系统在充放电设备检测过程中的电压、电流参数实时测量、加温过程控制和报警状态解除等功能。测控界面布局如图10所示：图10中1为智能电压表，2为智能电流表，用于测量显示系统充放电过程中的总电压和总电流；3、5为指示灯，对应图9中HL2、HL3，用于显示系统充放电过程中的过压报警和过流报警信号；4为常闭触点按钮，对应图9中SA2，用于解除报警信号；6为数字电压表，共24块，对应于图2中所示电压表，用于监视单体电压；11为单体过充状态指示灯，用于监视单体的充电状态，共24个，对应图2中所示发光二极管；8、9为数字电压、电流表，对应图8中所示PV26和PA2，用于测量显示加温过程中的电压和电流参数；10为钮子开关，对应图8中所示SA2，用于模拟温度继电器功能，控制加温回路的通断；7为检测系统交流总电源断路器，对应图9和图8中的SA1；

c)系统电源输入与充放电接口如图11所示，1～5为不同电压的接线端，对应图2中“0V”、“15V”、“30V”、“45V”、“60V”端子，实现与充电电缆、放电电缆的连接；6为储能模块输出短路保护熔断器，设置于放电主回路中，对应图9中FU2；7为系统AC 220V电源输入接线端。

5)电源模块

电源模块用于为系统供配电，主要为温控等效装置、安全保护模块和测控模块提供工作电源，技术方案如下：

a)采用AC/DC电源模块(如图9中G1)将AC220V交流电源变换为DC24V直流电源，作为系统安全保护模块的直流接触器及稳压板的工作电源；

b)采用AC/220V断路器(如图9中SA1)作为系统的总输入电源控制开关，AC220V作为智能电流表、电压表、AC/DC模块的工作电源；

c)在AC220V输入电路中串联额定电流为2A的保险管(如图9中FU1)以提高系统供电的安全性。

1)储能模块重组技术

由于检测样本跨度特别大，充电电流检测点的范围从0.3A到7A，相差23倍；放电电流检测点的范围为5A～280A，相差56倍。采用储能模块重组技术，根据不同情况分别使用小电流、大电流模块。小电流模块电容模组采用24个电容串联的结构如图2所示，大电流电容模组采用16个电容4串4并的结构如图12所示。

2)均衡稳压保护技术

为了保证超级电容的工作安全，在电容模组中的每支超级电容上均配置旁路电流达10A的均衡电路板，以均衡在串联工作状态下每支超级电容上的工作电压(恒压保护电压：2.7V)。如图2所示。

3)过流过压保护电路设计

充放电过程中，超级电容内将储存大量的能量，测试操作过程中，稍有不慎，便会损坏检测系统和运载火箭电池充放电设备，在充电回路中设计过流、过压保护电路，预防意外发生。如图9所示。

4)仿真验证

使用PSIM软件搭建电路，采用容差为5％的24支超级电容直接串联10A直流充电仿真，仿真结果显示采用串联均压技术，每个超级电容电压均限制在2.7V，确保安全可靠(见图13)。

通过设置24单体串联的储能模块方案解决了完整检测一路充电机整体充电性能和全流程检测的问题；通过模块重构设计解决了放电机全工况性能检测的问题，为下一步的检测系统具体设计和生产提供了数据和关键技术支撑。

步骤四、系统应用及检测方法研究。基于检测系统，研究设计充放电设备的检测项目、方法和标准，形成相应的检测规范。

在检测系统设备交付后，依据“运载火箭电池充放电充放电设备”检修检测要求和充放电设备检测系统功能，研究制定了《运载火箭电池充放电充放电设备检修检测规范》，明确了“运载火箭电池充放电充放电设备”检修检测的测试项目、方法和标准，对全面考核了“运载火箭电池充放电充放电设备”性能指标，确保设备参试前状态可靠，具有重要指导作用。

1)检测项目

检测项目主要是依据“运载火箭电池充放电设备”功能，进行全面检测，包括以下几个方面：

(1)测控软件版本检查。

(2)静态检查：电缆导通、绝缘检查；各独立回路与外壳绝缘检查；各独立回路之间绝缘检查；紧固性检查。

(3)充电机功能及参数检测：充电设备自检功能检查；流程控制功能检查；控制精度和测量精度检查。

(4)放电机功能及参数检测：流程控制功能检查；控制精度和测量精度检查。

(5)加温设备功能及参数检测：流程控制功能检查；控制精度和测量精度检查。

2)检测方法

检测规范中明确了实施充放电设备性能检测的方法，其中涉及检测系统的方法占到所有检测项目的80％，主要有：

(1)充电机流程控制功能检查方法

(2)充电机电流精度检查方法

(3)充电机电压精度检查方法

(4)放电机流程控制功能检查方法

(5)放电机电流精度检查方法

(6)放电机电压精度检查方法

(7)加温设备流程控制功能检查方法

(8)加温设备精度检查方法

检测规范中仅在设备软件版本检查、设备电缆静态检查以及充电输出电压测试中不使用检测系统。

3)检测指标

检测系统指标在各项检测项目、方法和运载火箭电池充放电充放电设备技术指标的基础上制定，具体指标如图14所示：

采用充放电设备检测系统，对“运载火箭电池充放电充放电设备”进行检修检测，解决了“运载火箭电池充放电充放电设备”检修检测缺少检测负载、检测项目不齐全、检测过程不规范、指标考核不准确的问题。

Claims (1)

1.一种基于超级电容的运载火箭电池充放电设备检测系统，包括：

步骤一、运载火箭电池充放电设备的检测需求和指标研究确定。

步骤二、以超级电容替代锌银电池进行充放电设备性能检测的技术研究。

步骤三、基于超级电容的运载火箭电池充放电设备检测系统的设计与实现。

步骤四、基于检测系统的运载火箭电池充放电设备检测项目和方法研究。

其特征在于：

步骤一、针对运载火箭充放电设备传统检测方法的局限性，结合设备的功能特点及航天任务使用要求，研究并提出了运载火箭电池充放电设备全面性能检测的内容和指标。

步骤二、对比分析锌银电池和超级电容器充放电特性，通过建模仿真研究了超级电容器替代锌银电池进行充放电设备性能检测的可行性及具体实现方案。

步骤三、研究并应用储能模块重构、过压过流保护等技术，完成了超级电容作为核心储能模块的检测系统的集成设计。

步骤四、基于检测系统研究设计了如何进行充放电设备性能检测的内容和方法，实现了对运载火箭电池充放电设备全工况、全流程的快速性能检测。