CN110994713B - 一种高可靠锂离子电池三级充电控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种高可靠锂离子电池三级充电控制装置及方法，包括第一采集电路1、第二采集电路2、第一级充电控制电路、第二级充电控制电路、第三级充电控制电路等。本发明通过三级充电控制电路，对空间用锂离子电池实现充电保护，有效防范电池出现过充、过温的风险，提高电池的可靠性及使用寿命。

Description

一种高可靠锂离子电池三级充电控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种高可靠锂离子电池三级充电控制装置及方法，属于空间用锂离子电池充电控制技术领域。

背景技术

锂离子电池凭借着比能量高、工作电压高、自放电率低、循环寿命长等一系列显著的优点，逐渐成为替代镉镍电池、氢镍电池的第三代空间储能电源。但是由于锂离子电池自身的特性，若不加限制或错误操作，电池充电过程中存在一定的不安全性，严重可能导致电池的燃烧或爆炸，因此需要对锂离子电池的充电过程进行严格控制，提高锂离子电池的使用寿命，从而提高航天器设备的可靠性。

高可靠的充电控制技术是保障空间锂离子电池安全性的核心关键技术。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种高可靠锂离子电池三级充电控制装置及方法，在锂离子电池组充电过程中实施三级充电保护，当充电装置出现一重故障时，可开启第二级充电控制，当一、二级充电控制均失效时，第三级充电控制可防止电池出现过充和过温的情况，提高空间锂离子电池的应用安全性，满足航天器设备的高可靠性要求。

本发明的技术方案是：

一种高可靠锂离子电池三级充电控制装置，包括：第一采集电路1、第二采集电路2、第一级充电控制电路、第二级充电控制电路、第三级充电控制电路、充电功率电路；第一采集电路1与锂离子蓄电池组连接，第二采集电路2与锂离子蓄电池组连接，第一级充电控制电路与第一采集电路1连接，第二级充电控制电路与第二采集电路2连接，第三级充电控制电路与第一采集电路1连接，充电功率电路与第一级充电控制电路的输出端连接，充电功率电路与第二级充电控制电路的输出端连接；

第一采集电路1用于采集蓄电池组的电压、电池组中电池单体的电压和温度，并将蓄电池组的电压、电池组中电池单体的电压和温度传输给第一级充电控制电路，将电池组中电池单体的电压和温度传输给第三级充电控制电路；

第二采集电路2用于采集蓄电池组的电压，并传输给第二级充电控制电路；

第一级充电控制电路用于根据输入的蓄电池组的电压，确定充电控制信号1并传输给充电功率电路；

第二级充电控制电路用于根据输入的蓄电池组的电压，确定充电控制信号2并传输给充电功率电路；

充电功率电路根据接收到的充电控制信号1和充电控制信号2向电池组充电或停止充电；

第三级充电控制电路用于根据输入的电池组中电池单体的电压进行过充状态判断，若电池组中任一电池单体电压大于过充阈值时，发送过充报警信号；同时，根据输入的电池组中电池单体的温度进行过温状态判断，若电池组中任一电池单体温度大于过温阈值时，发送过温报警信号。

一种三级充电控制的方法，包括以下步骤：

步骤1)：实时采集电池组电压和电池单体电压，开启第一级充电控制，判断充电控制信号1是否有效，当电池组处于不充电状态时，充电控制信号1有效；当电池组处于充电状态时，充电控制信号1无效；若充电控制信号1有效，转向步骤2)，若充电控制信号1无效，转向步骤3)；

步骤2)：判断当前是否电池组电压小于电池组电压充电恢复阈值K1且所有电池单体电压小于单体电压充电恢复阈值k1时，充电控制计数a加1，并判断当前充电控制计数a是否达到10，若达到10则将充电控制信号1置为无效状态，充电功率电路启动，开始对电池组充电；反之，则进入步骤1)；

步骤3)：判断当前是否电池组电压大于电池组电压充电阈值R1或任一电池单体电压大于单体电压充电阈值r1时，充电控制计数b加1，并判断当前充电控制计数b是否达到10，若达到10则将充电控制信号1置为有效状态，充电功率电路停止向电池阵充电，然后判断充电功率电路是否停止对电池组充电，若未停止充电，转入第二级充电控制，转向步骤4)，若充电功率电路停止对电池组充电，则退出充电控制流程；若当前充电控制计数b未达到10，则进入步骤1)；

步骤4)：实时采集电池组电压，判断充电控制信号2是否有效；当电池组处于不充电状态时，充电控制信号2有效；当电池组处于充电状态时，充电控制信号2无效；若充电控制信号2有效，转向步骤5)，若充电控制信号2无效，转向步骤6)；

步骤5)：判断当前电池组电压是否小于电池组电压充电恢复阈值K2时，充电控制信号2置为无效状态，启动充电功率电路，开始对电池组充电；反之回到步骤1)；

步骤6)：判断电池组电压大于电池组电压充电阈值R2时，将充电控制信号2置为有效状态，然后判断充电功率电路是否停止对电池充电，若未停止充电，转入第三级充电控制，转向步骤7)；若停止则退出充电控制流程；若电池组电压未大于电池组电压充电阈值R2时，则返回步骤1)；

步骤7)：实时采集电池单体电压参数，判断任一电池单体电压是否大于过充阈值，若任一电池单体电压大于过充阈值，则将过充计数c加1，当过充计数c达到10时，发送过充报警信号，采用指令方式停止充电；实时采集电池单体的温度，判断任一电池单体温度是否大于过温阈值，若任一电池单体温度大于过温阈值时，过温计数d加1，当过温计数d达到10时，发送过温报警信号，采用指令方式停止充电；若过充计数c未达到10，则继续实时采集电池单体电压参数直至过充计数c达到10；若过温计数d未达到10，则继续实时采集电池单体温度参数直至过充计数d达到10。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明所述的高可靠锂离子电池三级充电控制装置，采用了三级充电控制电路，在电池组充电过程中提供三级充电保护，有效防止电池过充和过温，进一步提高了空间锂离子电池的安全性和可靠性；

2)本发明采用的三级充电控制方法，基于实时采集的电池组电压、电池单体电压及电池单体温度等参数实现三级充电控制判断，控制方法更加稳定可靠；

3)本发明采用的三级充电控制方法采用了迟滞设计和梯度阈值设计，提高了控制精度，最大程度地实现了电池的充电保护。

附图说明

图1为本发明实施例的高可靠锂离子电池三级充电控制装置示意；

图2为本发明方法流程图。

具体实施方式

一种高可靠锂离子电池三级充电控制装置，如图1所示，包括：第一采集电路1、第二采集电路2、第一级充电控制电路、第二级充电控制电路、第三级充电控制电路、充电功率电路；第一采集电路1与锂离子蓄电池组连接，第二采集电路2与锂离子蓄电池组连接，第一级充电控制电路与第一采集电路1连接，第二级充电控制电路与第二采集电路2连接，第三级充电控制电路与第一采集电路1连接，充电功率电路与第一级充电控制电路的输出端连接，充电功率电路与第二级充电控制电路的输出端连接；

第一采集电路1用于采集蓄电池组的电压、电池组中电池单体的电压和温度，并将蓄电池组的电压、电池组中电池单体的电压和温度传输给第一级充电控制电路，将电池组中电池单体的电压和温度传输给第三级充电控制电路；

第二采集电路2用于采集蓄电池组的电压，并传输给第二级充电控制电路；

第一级充电控制电路用于根据输入的蓄电池组的电压，确定充电控制信号1并传输给充电功率电路；

第二级充电控制电路用于根据输入的蓄电池组的电压，确定充电控制信号2并传输给充电功率电路；

充电功率电路根据接收到的充电控制信号1和充电控制信号2向电池组充电或停止充电；

第三级充电控制电路用于根据输入的电池组中电池单体的电压进行过充状态判断，若电池组中任一电池单体电压大于过充阈值时，发送过充报警信号；同时，根据输入的电池组中电池单体的温度进行过温状态判断，若电池组中任一电池单体温度大于过温阈值时，发送过温报警信号。

利用上述的一种高可靠锂离子电池三级充电控制装置进行三级充电控制的方法，方法流程图如图2所示，包括以下步骤：

步骤1)：实时采集电池组电压和电池单体电压，开启第一级充电控制，判断充电控制信号1是否有效，当电池组处于不充电状态时，充电控制信号1有效；当电池组处于充电状态时，充电控制信号1无效；若充电控制信号1有效，转向步骤2)，若充电控制信号1无效，转向步骤3)；

步骤2)：判断当前是否电池组电压小于电池组电压充电恢复阈值K1且所有电池单体电压小于单体电压充电恢复阈值k1时，充电控制计数a加1，并判断当前充电控制计数a是否达到10，若达到10则将充电控制信号1置为无效状态，充电功率电路启动，开始对电池组充电；反之，则进入步骤1)；

步骤3)：判断当前是否电池组电压大于电池组电压充电阈值R1或任一电池单体电压大于单体电压充电阈值r1时，充电控制计数b加1，并判断当前充电控制计数b是否达到10，若达到10则将充电控制信号1置为有效状态，充电功率电路停止向电池阵充电，然后判断充电功率电路是否停止对电池组充电，若未停止充电，转入第二级充电控制，转向步骤4)，若充电功率电路停止对电池组充电，则退出充电控制流程；若当前充电控制计数b未达到10，则进入步骤1)；

步骤4)：实时采集电池组电压，判断充电控制信号2是否有效；当电池组处于不充电状态时，充电控制信号2有效；当电池组处于充电状态时，充电控制信号2无效；若充电控制信号2有效，转向步骤5)，若充电控制信号2无效，转向步骤6)；

步骤5)：判断当前电池组电压是否小于电池组电压充电恢复阈值K2时，充电控制信号2置为无效状态，启动充电功率电路，开始对电池组充电；反之回到步骤1)；

步骤6)：判断电池组电压大于电池组电压充电阈值R2时，将充电控制信号2置为有效状态，然后判断充电功率电路是否停止对电池充电，若未停止充电，转入第三级充电控制，转向步骤7)；若停止则退出充电控制流程；若电池组电压未大于电池组电压充电阈值R2时，则返回步骤1)；

步骤7)：实时采集电池单体电压参数，判断任一电池单体电压是否大于过充阈值，若任一电池单体电压大于过充阈值，则将过充计数c加1，当过充计数c达到10时，发送过充报警信号，采用指令方式停止充电；实时采集电池单体的温度，判断任一电池单体温度是否大于过温阈值，若任一电池单体温度大于过温阈值时，过温计数d加1，当过温计数d达到10时，发送过温报警信号，采用指令方式停止充电；若过充计数c未达到10，则继续实时采集电池单体电压参数直至过充计数c达到10；若过温计数d未达到10，则继续实时采集电池单体温度参数直至过充计数d达到10。

根据电池组电压和电池单体电压，电池组电压充电恢复阈值K1与电池组电压充电恢复阈值K2之间、电池组电压充电阈值R1与电池组电压充电阈值R2之间、单体电压充电恢复阈值k1与单体电压充电阈值r1之间采用迟滞方法设计。

电池组电压充电阈值R1、电池组电压充电阈值R2及过充阈值采用梯度阈值设计，提高系统可靠性。

实施例

锂离子电池由6节锂离子电池单体串联组成。

第一采集电路1采用1片高精度电池采集芯片采集6个单体电压、电池组电压和2个锂电池温度，其中电池组电压采集采用运算放大器进行差分比例变换，锂电池温度采集采用2个温度传感器MF501将温度量变换为电压量。

第二采集电路2采用比例分压方式将电池组电压变换为0V～5V的电压信号。

第一级充电控制电路为软件控制电路，以8位单片机80C32为控制核心，对电池采集芯片实时采集的电池组电压、电池单体电压、电池温度等参数进行电池充电状态判断，为保证控制精度，软件对采集参数进行数字滤波，且判断10次均满足条件后才启动充电控制。且第一级充电控制电路设置监控电路JSR706RD，当软件跑飞后，可通过监控电路复位使软件重新恢复运行。

第二级充电控制电路为硬件控制电路，根据电池组电压参数，根据运算放大器组成的电路进行电池充电状态判断。充电控制采取阈值梯度设计，即设置电池组电压充电阈值R2大于第一级充电控制电路的电池组电压充电阈值R1，设置电池组电压充电恢复阈值K2小于第一级充电控制电路的充电池组电压充电恢复阈值K1，且第一级充电控制电路与第二级充电控制电路相互独立，因此当第一级充电控制电路失效后，第二级充电控制电路可继续实现充电控制功能，提高系统的可靠性。

第三级充电控制电路为软件控制电路，根据第一采集电路1采集的电池参数进行电池充电状态判断，当过充报警信号和过温报警信号均为低电平时，不作任何指令干预。

充电功率电路是以BUCK电路拓扑结构，PWM控制方式实现的充电电路，当充电控制信号1或充电控制信号2任一信号为高电平时，充电功率电路切断充电回路，停止给电池充电，当充电控制信号1和充电控制信号2均为低电平时，充电功率电路可给电池充电。

一种三级充电控制方法，包括以下步骤：

步骤1)：实时采集电池组电压和电池单体电压，开启第一级充电控制，判断充电控制信号1是否有效(当充电控制信号1有效时，装置处于不充电状态，当充电控制信号1无效时，装置处于充电状态)，若有效，转向步骤2)，若无效，转向步骤3)；

步骤2)：判断电池组电压小于充电池组电压充电恢复阈值K1且所有单体电压小于单体电压充电恢复阈值k1时，且判断次数累计达到10次，充电控制信号1置为无效状态，充电功率电路启动，开始对电池充电；

步骤3)：判断电池组电压大于电池组电压充电阈值R1或任一单体电压大于单体电压充电阈值r1时，且判断次数累计达到10次，充电控制信号1置为有效状态，判断充电功率电路是否停止对电池充电，若未停止充电，转入第二级充电控制，转向步骤4)，若停止则退出充电控制流程；

步骤4)：实时采集电池组电压，判断充电控制信号2是否有效(当充电控制信号2有效时，装置处于不充电状态，当充电控制信号2无效时，装置处于充电状态)，若有效，转向步骤5)，若无效，转向步骤6)；

步骤5)：判断电池组电压小于电池组电压充电恢复阈值K2时，充电控制信号2置为无效状态，启动充电功率电路，开始对电池充电；反之回到步骤(1)重新进行判断；

步骤6)：判断电池组电压大于电池组电压充电阈值R2时，充电控制信号2置为有效状态时，判断充电功率电路是否停止对电池充电，若未停止充电，转入第三级充电控制，转向步骤7)；若停止则退出充电控制流程；

步骤7)：实时采集电池单体电压参数，判断任一单体电压大于过充阈值且判断次数大于10次时，发送过充报警信号，采用指令方式停止充电，实时采集锂电池温度参数，判断任一锂电池温度大于过温阈值且判断次数大于10次时，发送过温报警信号，采用指令方式停止充电。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种高可靠锂离子电池三级充电控制装置，其特征在于，包括：第一采集电路(1)、第二采集电路(2)、第一级充电控制电路、第二级充电控制电路、第三级充电控制电路、充电功率电路；第一采集电路(1)与锂离子蓄电池组连接，第二采集电路(2)与锂离子蓄电池组连接，第一级充电控制电路与第一采集电路(1)连接，第二级充电控制电路与第二采集电路(2)连接，第三级充电控制电路与第一采集电路(1)连接，充电功率电路与第一级充电控制电路的输出端连接，充电功率电路与第二级充电控制电路的输出端连接；

第一采集电路(1)用于采集锂离子蓄电池组的电压、锂离子蓄电池组中电池单体的电压和温度，并将蓄电池组的电压、电池组中电池单体的电压和温度传输给第一级充电控制电路，将电池组中电池单体的电压和温度传输给第三级充电控制电路；

锂离子蓄电池组由6节锂离子电池单体串联组成；

第一采集电路(1)采用1片高精度电池采集芯片采集6个单体电压、电池组电压和2个电池单体的温度，其中电池组电压采集采用运算放大器进行差分比例变换，锂电池温度采集采用2个温度传感器MF501将温度量变换为电压量；

第二采集电路(2)用于采集蓄电池组的电压，并传输给第二级充电控制电路；

第二采集电路(2)采用比例分压方式将电池组电压变换为0V～5V的电压信号；

第一级充电控制电路用于根据输入的蓄电池组的电压，确定充电控制信号1并传输给充电功率电路；第一级充电控制电路为软件控制电路，以8位单片机80C32为控制核心，对电池采集芯片实时采集的电池组电压、电池单体电压、电池温度等参数进行电池充电状态判断；

第二级充电控制电路用于根据输入的蓄电池组的电压，确定充电控制信号2并传输给充电功率电路；

第二级充电控制电路为硬件控制电路，根据电池组电压参数，根据运算放大器组成的电路进行电池充电状态判断；第二级充电控制电路设置电池组电压充电阈值R2大于第一级充电控制电路的电池组电压充电阈值R1，设置电池组电压充电恢复阈值K2小于第一级充电控制电路的电池组电压充电恢复阈值K1，且第一级充电控制电路与第二级充电控制电路相互独立；

充电功率电路根据接收到的充电控制信号1和充电控制信号2向电池组充电或停止充电；

充电功率电路是以BUCK电路拓扑结构，PWM控制方式实现的充电电路，当充电控制信号1或充电控制信号2任一信号为高电平时，充电功率电路切断充电回路，停止给电池充电，当充电控制信号1和充电控制信号2均为低电平时，充电功率电路可给电池充电；

第三级充电控制电路用于根据输入的电池组中电池单体的电压进行过充状态判断，若电池组中任一电池单体电压大于过充阈值，发送过充报警信号；同时，根据输入的电池组中电池单体的温度进行过温状态判断，若电池组中任一电池单体温度大于过温阈值，发送过温报警信号。

2.一种利用如权利要求1所述的一种高可靠锂离子电池三级充电控制装置进行三级充电控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：实时采集电池组电压和电池单体电压，开启第一级充电控制，判断充电控制信号1是否有效，当电池组处于不充电状态时，充电控制信号1有效；当电池组处于充电状态时，充电控制信号1无效；若充电控制信号1有效，转向步骤2)，若充电控制信号1无效，转向步骤3)；

步骤2)：判断当前电池组电压小于电池组电压充电恢复阈值K1且所有电池单体电压小于单体电压充电恢复阈值k1，充电控制计数a加1，并判断当前充电控制计数a是否达到10，若达到10则将充电控制信号1置为无效状态，充电功率电路启动，开始对电池组充电；反之，则进入步骤1)；

步骤3)：判断当前电池组电压大于电池组电压充电阈值R1或任一电池单体电压大于单体电压充电阈值r1，充电控制计数b加1，并判断当前充电控制计数b是否达到10，若达到10则将充电控制信号1置为有效状态，充电功率电路停止向电池阵充电，然后判断充电功率电路是否停止对电池组充电，若未停止充电，转入第二级充电控制，转向步骤4)，若充电功率电路停止对电池组充电，则退出充电控制流程；若当前充电控制计数b未达到10，则进入步骤1)；

步骤4)：实时采集电池组电压，判断充电控制信号2是否有效；当电池组处于不充电状态时，充电控制信号2有效；当电池组处于充电状态时，充电控制信号2无效；若充电控制信号2有效，转向步骤5)，若充电控制信号2无效，转向步骤6)；

步骤5)：判断当前电池组电压小于电池组电压充电恢复阈值K2，充电控制信号2置为无效状态，启动充电功率电路，开始对电池组充电；反之回到步骤1)；

步骤6)：判断电池组电压大于电池组电压充电阈值R2时，将充电控制信号2置为有效状态，然后判断充电功率电路是否停止对电池充电，若未停止充电，转入第三级充电控制，转向步骤7)；若停止则退出充电控制流程；若电池组电压未大于电池组电压充电阈值R2时，则返回步骤1)；

步骤7)：实时采集电池单体电压参数，判断任一电池单体电压是否大于过充阈值，若任一电池单体电压大于过充阈值，则将过充计数c加1，当过充计数c达到10时，发送过充报警信号，采用指令方式停止充电；实时采集电池单体的温度，判断任一电池单体温度是否大于过温阈值，若任一电池单体温度大于过温阈值时，过温计数d加1，当过温计数d达到10时，发送过温报警信号，采用指令方式停止充电；若过充计数c未达到10，则继续实时采集电池单体电压参数直至过充计数c达到10；若过温计数d未达到10，则继续实时采集电池单体温度参数直至过充计数d达到10。

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