CN111446756A - 双回路锂电池充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双回路锂电池充电系统，应用于低轨空间辐射环境下锂电池充电的设备，包括电源转换及隔离电路、充电管理单元、第一充电回路、第二充电回路、充电开关组、第一充电监测模块和第二充电监测模块，所述电源转换及隔离电路分别与充电开关组和充电管理单元连接，所述充电管理单元分别与充电开关组、第一充电回路、第二充电回路、第一充电监测模块和第二充电监测模块连接，所述充电开关组还与第一充电回路和第二充电回路连接，所述第一充电回路还与第一充电检测模块连接，所述第二充电回路还与第二充电检测模块连接；本发明具有低成本、高可靠、小型轻量化的优点。
Description
技术领域
本发明涉及在轨空间设备的充电管理技术领域，特别是一种双回路锂电池充电系统。
背景技术
由于在空间环境辐射环境下，充电器容易受到空间单粒子效应的影响，导致其充电回路上控制逻辑状态、CMOS及MOSFET等器件发生翻转(SEU)、锁定(SEL)、烧毁(SEB)等异常或故障，从而致使充电器控制、保护功能失效，最终导致设备损坏，特别是无人看管且长期需要充电维护的使用工况。目前大部分的充电器都采用工业级器件，而工业级器件抗空间环境单粒效应能力弱，为了提高充电器在轨空间环境工作的环境适应性，目前主要采用以下两种方法，一种是在设备的结构上增加重金属如铅、钽进行整体防护加固，该方法增加了设备的体积和重量；另一种是选用具有抗单粒子效应的元器件，目前低轨运行设备的单粒子翻转的LET阈值要求15MeV·cm2/mg、单粒子锁定的LET阈值大于等于75MeV·cm2/mg的元器件可以直接使用，充电器中使用了大量的MOSFET、CMOS器件，这些器件不但成本高，而且其体积也比相同功能的工业级器件大，这种方法研制的设备成本高，且不利于小型轻量化。
发明内容
为解决现有技术中存在的由低等级器件设计的充电器抗空间单粒子效应的问题，本发明的目的是提供一种低成本高可靠的双回路锂电池充电系统。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种双回路锂电池充电系统，应用于低轨空间辐射环境下锂电池充电的设备，包括电源转换及隔离电路、充电管理单元、第一充电回路、第二充电回路、充电开关组、第一充电监测模块和第二充电监测模块，所述电源转换及隔离电路分别与充电开关组和充电管理单元连接，所述充电管理单元分别与充电开关组、第一充电回路、第二充电回路、第一充电监测模块和第二充电监测模块连接，所述充电开关组还与第一充电回路和第二充电回路连接，所述第一充电回路还与第一充电检测模块连接，所述第二充电回路还与第二充电检测模块连接；其中：电源转换及隔离电路用于为充电管理单元、第一充电回路和第二充电回路提供直流电源；充电管理单元包括单片机及其外围电路，用于获取第一充电监测模块与第二充电监测模块两路充电回路的充电参数，并为充电切换提供控制信号；第一充电回路和第二充电回路用于为锂电池充电；充电开关组用于控制第一充电回路和第二充电回路的电源输入和充电输出；第一充电监测模块和第二充电监测模块分别用于对第一充电回路和第二充电回路上的充电电流、充电电压、电池温度和电池电量进行监测，为充电管理单元提供充电状态数据。
作为一种优选的实施方式，还包括充电接口保护电路，所述充电接口保护电路设于第一充电监测模块和第二充电监测模块与锂电池之间，用于为锂电池提供防静电和短路保护功能，充电保护的控制信号由所述充电管理单元提供。
作为另一种优选的实施方式，所述充电管理单元通过输出组合逻辑信号控制充电开关组，从而实现对第一充电回路和第二充电回路的供电及输出的状态控制。
作为另一种优选的实施方式，所述充电管理单元通过输出组合逻辑信号控制充电开关组具体包括：
将第一充电回路作为主充电回路，当第一充电回路上发生了单粒子效应，充电管理单元利用所获得的第一充电回路上的充电状态和第一充电监测模块的数据，判断第一充电回路是否异常，若判断为故障则充电管理单元重置状态进行第一充电回路检测，若故障仍然存在，则关闭第一充电回路，打开第二充电回路进行充电；设备再次上电工作时，首先按照判断逻辑检查第一充电回路故障是否解除，否则选择第二充电回路充电。
作为另一种优选的实施方式，所述充电管理单元的外围电路包括看门狗电路，充电系统在工作状态程序由于单粒子翻转而跑飞或进入死循环的时候，所述看门狗电路复位，充电系统重新启动。
本发明的有益效果是：本发明通过在充电器中设计双充电回路模块，充电管理单元集中监测充电参数，通过组合逻辑判断控制充电开关阵列，实现对充电回路的控制，解决了低等级元器件设计的充电器抗空间单粒子效应差的问题，降低了充电回路上发生单粒子翻转或单粒锁定导致充电故障的概率，具有低成本、高可靠、小型轻量化的优点；本发明所选的元器件均可选择工业级器件，双充电回路可采用相同充电电路，具有成本低的优点。
附图说明
图1为本发明实施例的系统框图；
图2为本发明实施例中充电管理单元的电路原理图；
图3为本发明实施例中充电回路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种双回路锂电池充电系统，应用于低轨空间辐射环境下锂电池充电的设备，包括电源转换及隔离电路、充电管理单元、第一充电回路、第二充电回路、充电开关组、第一充电监测模块、第二充电监测模块和充电接口保护电路，所述电源转换及隔离电路分别与充电开关组和充电管理单元连接，所述充电管理单元分别与充电开关组、第一充电回路、第二充电回路、第一充电监测模块和第二充电监测模块连接，所述充电开关组还与第一充电回路和第二充电回路连接，所述第一充电回路还与第一充电检测模块连接，所述第二充电回路还与第二充电检测模块连接，所述充电接口保护电路设于第一充电监测模块和第二充电监测模块与锂电池之间。
电源转换及隔离电路主要为充电管理单元、第一充电回路和第二充电回路提供DC5V电源；充电管理单元由单片机及其外围电路组成，实时获取第一充电回路、第二充电回路上的第一次充电监测模块和第二监测模块的数据、以及第一充电回路和第二充电回路的状态，输出组合逻辑信号控制充电开关组，从而实现对第一充电回路和第二充电回路的供电及输出的状态进行控制，当一路开关出现单粒子锁定无法控制时，可通过控制另一路控制充电，具体原理为：将第一充电回路作为主充电回路，当第一充电回路上发生了单粒子效应，充电管理单元利用所获得的第一充电回路上的充电状态和第一充电监测模块的数据，判断第一充电回路是否异常，若判断为故障则充电管理单元重置状态进行第一充电回路检测，若故障仍然存在，则关闭第一充电回路，打开第二充电回路进行充电；设备再次上电工作时，首先按照判断逻辑检查第一充电回路故障是否解除，否则选择第二充电回路充电；第一充电回路和第二充电回路用于为锂电池充电，两路充电回路选用相同的充电芯片LTC4001，输出最大充电电压4.2V；充电开关组主要由P型和N型MOS开关组成，分别控制第一充电回路和第二充电回路的电源输入和充电输出；第一充电监测模块和第二充电监测模块主要对充电回路上的充电电流、充电电压、电池温度和电池电量进行监测，为充电管理单元提供充电状态数据；充电接口保护电路主要为锂电池提供防静电和短路保护功能，在充电电路供电回路设置了控制开关，可以保证在回路上完全断电，即使在充电回路出现无法关闭开关，也可通过切断充电回路的供电保证充电器工作正常。
如图2所示，图2为本实施例充电管理单元的电路原理图，图2中U1为充电管理单元CPU，选用BM89C51单片机，CPU外围设计看门狗电路，充电器在工作状态程序由于单粒子翻转而跑飞或进入死循环的时候，看门狗电路复位，机器重新启动，看门狗芯片选用MAX813LEPA。CPU引脚P2.3和P2.4组合控制第一充电回路供电输入，引脚P2.6和AD6组合控制第一充电回路供电输入，引脚P2.5和P2.7分别控制第一充电监测模块和第二充电监测模块的充电输出。CPU引脚P1.0、P1.1、P1.6和INT0与第一充电监测模块通信(I2C)获取该充电回路的电流、电压数据，引脚P1.2、P1.3、P1.7和INT1与第二充电监测模块通信(I2C)获取该充电回路的电流、电压数据。
如图3所示，图3为实施例中充电回路的电路原理图，图3中U3为充电芯片，型号为LTC4001，第一充电回路和第二充电回路均采用该充电芯片；充电输入控制回路中Q5、Q6、Q1开关设计选用SQ2318ES、IRF5NJ5305，充电输出回路中Q9开关设计选用SiS435DNT，U6为充电回路电压、电流检测模块，型号选用ADM1192模块，该模块与BM89C51单片机采用I2C通信。Q5、Q6、Q1组合控制控制充电芯片的电源输入，控制信号M-POWCTR-IN1和M-POWCTR-IN1同时控制Q5和Q6，只有当两路控制信号为高电平时才可打开Q1，只有当控制信号同时被单粒子打翻，才可能出现充电异常，降低了单粒子效应故障概率；控制信号M-POWCTR-OUT对Q9开关进行充电输出回路的控制。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种双回路锂电池充电系统，应用于低轨空间辐射环境下锂电池充电的设备，其特征在于，包括电源转换及隔离电路、充电管理单元、第一充电回路、第二充电回路、充电开关组、第一充电监测模块和第二充电监测模块，所述电源转换及隔离电路分别与充电开关组和充电管理单元连接，所述充电管理单元分别与充电开关组、第一充电回路、第二充电回路、第一充电监测模块和第二充电监测模块连接，所述充电开关组还与第一充电回路和第二充电回路连接，所述第一充电回路还与第一充电检测模块连接，所述第二充电回路还与第二充电检测模块连接；其中：电源转换及隔离电路用于为充电管理单元、第一充电回路和第二充电回路提供直流电源；充电管理单元包括单片机及其外围电路，用于获取第一充电监测模块与第二充电监测模块两路充电回路的充电参数，并为充电切换提供控制信号；第一充电回路和第二充电回路用于为锂电池充电；充电开关组用于控制第一充电回路和第二充电回路的电源输入和充电输出；第一充电监测模块和第二充电监测模块分别用于对第一充电回路和第二充电回路上的充电电流、充电电压、电池温度和电池电量进行监测，为充电管理单元提供充电状态数据。
2.根据权利要求1所述的双回路锂电池充电系统，其特征在于，还包括充电接口保护电路，所述充电接口保护电路设于第一充电监测模块和第二充电监测模块与锂电池之间，用于为锂电池提供防静电和短路保护功能，充电保护的控制信号由所述充电管理单元提供。
3.根据权利要求1或2所述的双回路锂电池充电系统，其特征在于，所述充电管理单元通过输出组合逻辑信号控制充电开关组，从而实现对第一充电回路和第二充电回路的供电及输出的状态控制。
4.根据权利要求3所述的双回路锂电池充电系统，其特征在于，所述充电管理单元通过输出组合逻辑信号控制充电开关组具体包括：
将第一充电回路作为主充电回路，当第一充电回路上发生了单粒子效应，充电管理单元利用所获得的第一充电回路上的充电状态和第一充电监测模块的数据，判断第一充电回路是否异常，若判断为故障则充电管理单元重置状态进行第一充电回路检测，若故障仍然存在，则关闭第一充电回路，打开第二充电回路进行充电；设备再次上电工作时，首先按照判断逻辑检查第一充电回路故障是否解除，否则选择第二充电回路充电。
5.根据权利要求1所述的双回路锂电池充电系统，其特征在于，所述充电管理单元的外围电路包括看门狗电路，充电系统在工作状态程序由于单粒子翻转而跑飞或进入死循环的时候，所述看门狗电路复位，充电系统重新启动。
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