CN111682150A - 一种微纳卫星蓄电池包 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微纳卫星蓄电池包，主要包括蓄电池组本体和蓄电池管理单元两部分，将放电开关和解锁母线开关继电器置于蓄电池组管理单元中，可以保证地面工装期间蓄电池接口不带电，从而大大增强系统的安全性，同时蓄电池管理单元中蓄电池下位机采用单片机微控制器，实现蓄电池包重要遥测数据的采集和遥控指令的执行功能，并利用双CAN总线实现蓄电池下位机与星务主机之间通信的功能，除此之外，蓄电池管理单元也可以对蓄电池单体进行均衡控制，保证了锂离子电池各单体容量的一致性，为蓄电池组在轨长寿命奠定了坚实的基础。

Description

一种微纳卫星蓄电池包
技术领域
本发明属于蓄电池领域，涉及一种微纳卫星蓄电池包设计方法，特别适用于微纳卫星用蓄电池组。
背景技术
卫星用蓄电池组包括镉镍蓄电池、氢蓄电池和锂离子蓄电池等多个种类。随着科技的发展，锂离子蓄电池组已经成为目前最常用的空间电池，具有能量密度高、自放电率小、绿色无污染等优点。蓄电池组作为卫星重要的能源供给，在空间运行时，必须监测单体电压、整组电压等关键的运行参数，以掌握其运行状态。光照期太阳电池阵通过充电调节器(BCR)向蓄电池充电，地影期蓄电池组通过放电调节器(BDR)向整星供电，这种设计对于蓄电池组的运行来讲有如下缺陷：
(1)放电开关位于电源控制器中，因此在地面测试期间，虽然整星未加电时放电开关处于断开状态，但蓄电池组的功率接插件仍然带电，在进行蓄电池组的连接或断开时，无法避免带电插拔问题，这就为整星总装操作造成了不可避免的安全隐患。
(2)蓄电池组作为一台单机，不具有自己的下位机，蓄电池组关键模拟量的采集均由电源下位机完成，集成于电源控制器中。
(3)均衡电路位于电源控制器中，电源下位机根据采集到的单体电压情况进行判断，对蓄电池组进行均衡控制，增加了电源下位机的负担。
可见，传统的蓄电池组设计只是将蓄电池组的功率、温控、均衡接口通过电连接器引出，功能的实现在电源控制器中完成，这不可避免地增加了电源下位机的负荷，使得电源下位机功能设计更加复杂，另一方面也带来了带电操作的问题，系统的安全性受到影响。
发明内容
本发明的技术解决问题：本发明针对传统蓄电池组的弊端，提供了一种微纳卫星蓄电池包，其特征在于：包括蓄电池组和蓄电池管理单元两部分，采用一体化设计，蓄电池组与蓄电池管理单元间设有内部电接口，采用电连接器将锂离子蓄电池组的功率接口及信号接口全部连接到蓄电池管理单元中，由蓄电池管理单元统一引出对外电接口；蓄电池管理单元实现蓄电池组遥测数据的采集和遥控指令的执行功能。
所述蓄电池组整组采用锂离子蓄电池组成，采用单体电池串并联组成。
所述蓄电池单体容量为2.2～2.8Ah，单体电池电压范围为3.3～4.1V，蓄电池包对外输出整组电压为23.1～28.7V，且由对地电压最低的3节单体抽头提供一路解锁母线，解锁母线电压约10V～13V。
所述蓄电池组结构采用套筒式结构，蓄电池组采用主动温控，蓄电池组底部位置装有加热片，并设置多个导热通道。
所述蓄电池组的放电开关及解锁母线开关置于蓄电池管理单元中。
所述蓄电池管理单元中包含蓄电池下位机和单体电池的均衡电路；所述下位机采用单片机微处理器，通过CAN总线控制器和收发器外围电路，实现与星务主机之间的双CAN总线通信功能；所述均衡电路由单体电池电压测量电路和均衡驱动电路组成。
所述遥测数据包括蓄电池单体电压、蓄电池组整组电压。
所述蓄电池下位机通过接收指令控制电池单体的均衡状态。
通过开启蓄电池下位机自主均衡功能，当蓄电池下位机监测到蓄电池组中单体间压差大于设定阈值时，对电压高于阈值的单体进行分流均衡，直至该节单体电压与最低单体间压差达到阈值时，断开分流均衡。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明将蓄电池组放电开关及解锁母线开关置于蓄电池包中，彻底杜绝总装期间蓄电池组带电插拔问题，极大地提升蓄电池组在整星总装过程中的安全性，大大增强了系统的可靠性和易用性；
(2)本发明在蓄电池组中增加蓄电池管理单元，利用蓄电池下位机实现蓄电池组重要遥测数据(单体电压、整组电压)的采集管理，执行遥控指令，并通过双CAN总线实现蓄电池下位机与星务主机之间的通信功能；
(3)本发明实现了蓄电池组均衡控制功能，大大简化了电源下位机的设计，减轻了电源下位机的负担，也使蓄电池组与电源其他单机的接口更加简单，可靠性安全性也大大提升，保证了锂离子电池各单体容量的一致性，满足了蓄电池组的长寿命要求。
附图说明
图1蓄电池包设计框图；
图2典型电源分系统原理框图；
图3锂离子蓄电池组热简图；
图4放电开关接通/断开电路；
图5解锁母线接通/断开电路；
图6C8051F040单片机原理框图；
图7CAN总线收发器电路图；
图8单体电压测量电路与接口电路图；
图9均衡电路原理示意图；
图10均衡控制软件流程图。
具体实施方式
图1所示为微纳卫星蓄电池包的实施方式图，蓄电池包主要分为2个部分，分别为锂离子蓄电池组和蓄电池管理单元，采用一体化设计，用机械结构连接起来，同时锂离子蓄电池组与蓄电池管理单元间有内部电接口，包含对插的电连接器，将锂离子蓄电池组的功率接口及信号接口全部传输到蓄电池管理单元中，由蓄电池管理单元统一引出对外接口。锂离子蓄电池组单体选择ICR1865电池，由正极、负极、隔膜、电解液、电池外壳、电池上盖等几部分组成。蓄电池组采用18650单体电池5并7串组成，总容量11Ah，输出电压为23.1-28.7V。由蓄电池组对地电压最低的3节单体抽头提供一路解锁母线，解锁母线电压约10Vˉ13V。蓄电池组放电开关及解锁母线开关均置于蓄电池管理单元中，在正常接入蓄电池组功率电缆时可以保证不带电插拔，由外部指令控制蓄电池组放电开关及解锁母线开关，保证蓄电池组的接入操作安全。
图2为卫星典型电源分系统原理图。
图3为蓄电池组热简图，蓄电池组采用套筒式结构，并使用主动温控，电池组底部位置装有加热片，并设置多个导热通道，当电池处于低温状态时，加热片给蓄电池组各个部位均匀加热。导热通道与电池的结构结合起来，采用单体电池通过套筒传热，套筒再将热传递到卫星安装板上，利用电池的结构件传递热量。
蓄电池组管理单元部分完成对蓄电池组遥测数据的采集、蓄电池组放电开关及解锁开关控制、均衡控制等管理功能，与星务主机实现双CAN总线通信。蓄电池组管理单元的供电采用外部输入+12V供电，同时作为各继电器的指令电源。
1)蓄电池组放电开关电路设计
蓄电池放电开关电路由2只2JB5-1-12-B磁保持继电器并联组成，使用其中两对触点共同实现蓄电池组与电源控制器之间的通断。其原理示意图见图4。放电开关通线包供电与地面指令通过二极管进行隔离，保证在放电开关断开条件下可以向蓄电池组充电。
2)蓄电池组解锁电路设计
蓄电池解锁母线采用蓄电池组对地电压最低的三节电池抽头引出，采用的继电器型号为2JB5-1-12-B，两个继电器并联，每只继电器有两对功率触点。单个继电器线包阻值为130欧姆，两个并联后为65欧姆，电路图见图5。
3)蓄电池下位机设计
蓄电池下位机的功能是完成蓄电池组遥测数据的采集和遥控指令的执行，蓄电池的均衡控制等，同时作为网络通信从节点，通过CAN总线实现与星务主机之间的信息交换。其原理图如图6。蓄电池下位机采用C8051F040单片机微处理器，通过SJA1000总线通讯引擎模块作为CAN总线通讯芯片，连接接口芯片TJA1040，与C8051F040微处理器内部配置的主份的CAN通讯接口，形成热备份的主备CAN总线，稳定实现蓄电池下位机与星务主机之间双CAN总线通信的功能。
Figure BDA0002477071010000051
模拟量采集采用单片机内部AD作为模数转换器，该AD具有12bit变换能力，完成所有模拟量的采集。
Figure BDA0002477071010000052
CAN总线采用SJA1000总线通讯引擎模块作为CAN总线通讯芯片，连接接口芯片TJA1040，与单片机内部配置的主份的CAN通讯接口，形成热备份的主备CAN总线接口。CAN总线接口电路图见图7。
Figure BDA0002477071010000053
采用集成电路MAX706T作为看门狗定时器电路，当CPU长时间不进行看门狗定时器清零操作时，MAX706T输出复位信号，对蓄电池下位机系统进行复位。
4)均衡电路设计
均衡电路主要由单体电池电压测量电路和均衡驱动电路组成。单体电压测量电路采用+12V供电运算放大器进行信号处理变换。变换后的信号经过隔离分别送至蓄电池下位机和电源控制器中的电源下位机。单体电压测量电路原理图见图8。
图9为单路均衡驱动电路的原理图。旁路电路采用两路，以降低单个旁路三极管的功耗，提高可靠性。根据锂离子蓄电池组的容量和预计的均衡时间可以确定均衡电路的最大分流电流以及功率分流电阻的阻值。每个均衡电路的最大分流电流设计为50mA，功率分流电阻的阻值为80Ω，在功率电阻上消耗的最大功率为0.2W，选用两个0.25W的160Ω电阻并联，可以满足Ⅰ级降额要求。
蓄电池下位机同时具备自主均衡功能。当自主均衡功能使能允许时，蓄电池下位机将各节电池电压与最低电压比较，将大于60mV的单节电池接通均衡电阻，直到电压差小于20mV断开均衡电阻，达到各节电压均衡的目的。在软件设计时，考虑到有可能一节单体失效，因此软件设计中允许剔除一个单体电压的采样结果，当检测到某一单体电压≤3.0V或≥4.3V时，认为该单体已处于失效状态，软件将自动排除该单体，剩余6节单体依旧按照逻辑执行均衡策略及相应功能。均衡算法流程图如图10。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种微纳卫星蓄电池包，其特征在于：包括蓄电池组和蓄电池管理单元两部分，采用一体化设计，蓄电池组与蓄电池管理单元间设有内部电接口，采用电连接器将锂离子蓄电池组的功率接口及信号接口全部连接到蓄电池管理单元中，由蓄电池管理单元统一引出对外电接口；蓄电池管理单元实现蓄电池组遥测数据的采集和遥控指令的执行功能。
2.根据权利要求1所述的一种微纳卫星蓄电池包，其特征在于，所述蓄电池组整组采用锂离子蓄电池组成，采用单体电池串并联组成。
3.根据权利要求2所述的一种微纳卫星蓄电池包，其特征在于，所述蓄电池单体容量为2.2～2.8Ah，单体电池电压范围为3.3～4.1V，蓄电池包对外输出整组电压为23.1～28.7V，且由对地电压最低的3节单体抽头提供一路解锁母线，解锁母线电压约10V～13V。
4.根据权利要求1所述的一种微纳卫星蓄电池包，其特征在于，所述蓄电池组结构采用套筒式结构，蓄电池组采用主动温控，蓄电池组底部位置装有加热片，并设置多个导热通道。
5.根据权利要求1所述的一种微纳卫星蓄电池包，其特征在于，所述蓄电池组的放电开关及解锁母线开关置于蓄电池管理单元中。
6.根据权利要求1所述的一种微纳卫星蓄电池包，其特征在于：所述遥测数据包括蓄电池单体电压、蓄电池组整组电压。
7.根据权利要求1所述的一种微纳卫星蓄电池包，其特征在于：所述蓄电池管理单元中包含蓄电池下位机和单体电池的均衡电路；所述下位机采用单片机微处理器，通过CAN总线控制器和收发器外围电路，实现与星务主机之间的双CAN总线通信功能；所述均衡电路由单体电池电压测量电路和均衡驱动电路组成。
8.根据权利要求7所述的一种微纳卫星蓄电池包，其特征在于：所述蓄电池下位机通过接收指令控制电池单体的均衡状态。
9.根据权利要求7所述的一种微纳卫星蓄电池包，其特征在于：通过开启蓄电池下位机自主均衡功能，当蓄电池下位机监测到蓄电池组中单体间压差大于设定阈值时，对电压高于阈值的单体进行分流均衡，直至该节单体电压与最低单体间压差达到阈值时，断开分流均衡。
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