CN111697648B - 一种锂离子蓄电池三控制环误差放大电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种锂离子蓄电池三控制环误差放大电路，恒压控制环接收蓄电池组电压采样电路输出的电压并进行处理，向蓄电池组充电电路输出恒定的电压；恒流控制环接收蓄电池组电压采样电路输出的电压并进行处理，使内部电流为恒流，将处理后的电压输出给蓄电池组充电电路；稳压控制环对母线电压采样电路输出的电压进行处理，在优先稳定母线电压的前提下，向蓄电池组充电电路输出充电电压；蓄电池组充电电路采用平均电流控制法对控制功率拓扑进行控制，最终实现对蓄电池组的恒压、恒流、稳压充电控制。本发明同时涉及锂离子蓄电池三控制环误差放大电路的控制方法。本发明结构简单易实现且可靠性高，可以满足卫星在轨多种工况需求。

Description

一种锂离子蓄电池三控制环误差放大电路及其控制方法
技术领域
本发明属于航天电源控制技术领域，尤其涉及一种锂离子蓄电池三控制环误差放大电路及其控制方法。
背景技术
锂离子蓄电池是指以Li+嵌入化合物作为正、负极活性物质的二次电池。与传统的锌银电池、镉镍、氢镍蓄电池相比，锂离子蓄电池的比能量高、工作电压高、应用温度范围广、自放电率低、循环寿命长、安全性好。因此，在航天领域中，锂离子蓄电池成为替代目前主流应用的镉镍、氢镍蓄电池的第三代卫星用储能电源。如果用锂离子电池取代目前卫星等航天器所用的储能电源，可将储能电源在电源分系统中所占的质量由30％～40％降低至10％～15％，大大降低发射成本，增加有效载荷。
正确合理地使用锂离子蓄电池组，可以有效延长锂离子蓄电池的使用寿命，防止安全事故的发生。锂离子电池与镉镍、氢镍蓄电池相比，有一个最大的不同点：锂离子蓄电池严禁过充电，深度过充会导致电池内部有机电解液分解成气体，蓄电池发热，蓄电池壳体变形，甚至壳体爆裂。通常采用电子线路来保证锂离子蓄电池的充电终压始终限定在规定的范围内，以避免充电电压过大对锂离子蓄电池造成不可恢复的损害。因此必须设计专门的充电管理电路来控制卫星锂离子蓄电池的充电过程。目前卫星用锂离子蓄电池的充电控制多采用卫星电源系统下位机程序实现，其充电控制过程复杂。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种锂离子蓄电池三控制环误差放大电路及其控制方法。
本发明的技术解决方案是：
一种锂离子蓄电池三控制环误差放大电路，包括蓄电池组电压采样电路、母线电压采样电路、恒压控制环、恒流控制环、稳压控制环和蓄电池组充电电路；
所述蓄电池组电压采样电路采集蓄电池组电压，将其进行比例放大后分别输出给恒压控制环和恒流控制环；
所述母线电压采样电路采集母线电压，将所述母线电压与母线基准电压作差，对差值进行放大和比例积分运算，对运算后的电压进行分域，根据需要选择分域后的一段电压作为充电域电压输出给稳压控制环；其中母线电压的采集点位于母线上滤波电容阵后端；
所述恒压控制环对接收的电压进行处理，向蓄电池组充电电路输出恒定的电压；
所述恒流控制环对接收的电压进行处理，使恒流控制环内部电流为恒流，将处理后的电压输出给蓄电池组充电电路；
所述稳压控制环对接收的电压进行处理，在优先稳定母线电压的前提下，向蓄电池组充电电路输出充电电压；
蓄电池组充电电路接收恒压控制环、恒流控制环和稳压控制环的输出，采用平均电流控制法对控制功率拓扑进行控制，最终实现对蓄电池组的恒压、恒流、稳压充电控制。
所述恒压控制环包括蓄电池组恒压充电控制电路和第一二极管D1；
所述蓄电池组恒压充电控制电路通过电阻对接收电压进行分压，形成多组蓄电池组恒压充电档位，通过模拟开关选择需要的档位，获得蓄电池组恒压充电终压，将所述蓄电池组恒压充电终压与蓄电池组恒压充电控制电路基准电压作差，差值通过运算放大器放大，放大后的结果输出到第一二极管D1的阴极，第一二极管D1的阳极作为恒压控制环的输出。
蓄电池组恒压充电控制电路每个充电限压档位对应一条恒压充电曲线，通过电源下位机控制模拟开关的地址线实现不同恒压充电曲线的选择。
所述恒流控制环包括蓄电池组恒流充电控制电路和第二二极管D2；
蓄电池组恒流充电控制电路通过电阻对接收电压进行分压，组成多组蓄电池组恒流充电档位，通过模拟开关选择需要的档位，该档位对应的电压与蓄电池组恒流充电控制电路偏置电压进行加法运算，运算结果输出到第二二极管D2的阴极，第二二极管D2的阳极作为恒流控制环的输出。
蓄电池组恒流充电控制电路每个充电限流档位对应一条恒流充电曲线，通过电源下位机控制模拟开关的地址线实现不同恒流充电曲线的选择。
所述稳压控制环包括母线电压控制电路和第三二极管D3；
母线电压控制电路将输入电压与充电基准电压作差，差值经过放大后输出到第三二极管D3的阴极，第三二极管D3的阳极作为稳压控制环的输出。
一种锂离子蓄电池三控制环误差放大电路的控制方法，包括如下步骤：
当蓄电池组充电电路输入端有能够满足蓄电池组恒流充电的电流且蓄电池组电压低于恒压充电限压控制点时，第一二级管D1、第三二极管D3反偏截止，第二二级管D2正向导通，蓄电池组充电电路受蓄电池组恒流充电控制电路控制，对蓄电池组优先进行恒流充电，恒流充电过程中，蓄电池组电压逐渐增高；
当蓄电池组采样电压到达蓄电池组所选择的充电限压控制档位对应的蓄电池组电压时，第二二级管D2与第三二极管D3反偏截止，第一二极管D1正向导通，蓄电池组充电电路受蓄电池组恒压充电控制电路控制，对蓄电池组进行恒压充电，恒压充电过程中，蓄电池组电压恒定，蓄电池组充电电流逐渐减小；
当蓄电池组充电电路输入端没有能够满足蓄电池组恒流充电的电流且蓄电池组电压低于恒压充电限压控制点时，蓄电池组恒压充电电路及蓄电池组恒流充电电路均不参与控制，第一二级管D1与第二二极管D2反偏截止，第三二极管D3正向导通，蓄电池组充电电路受母线电压控制电路控制，由母线电压控制电路在优先稳定母线电压的前提下控制蓄电池组充电电路为蓄电池组充电，此时蓄电池组充电电流由蓄电池组充电电路输入端能提供的点电流决定。
本发明具有以下优点：
(1)本发明由于采用了蓄电池恒压充电控制环，天然具有锂离子蓄电池整组限压保护的功能，提高了锂离子蓄电池组充电控制的可靠性；
(2)本发明通过电路参数配置使正常工作状态优先对蓄电池组进行恒流充电，然后到达蓄电池限压点后进行恒压充电；
(3)本发明能够当充电电路输入端没有能够满足蓄电池恒流充电的电流且蓄电池电压低于恒压充电限压控制点时，由母线电压控制电路在优先稳定母线电压的前提下控制蓄电池充电电路，能够始终保证卫星一次母线电压稳定在一定范围内；
(4)本发明由模拟电路实现锂离子蓄电池充电控制器功能，电路结构简单易实现且可靠性高，可以满足卫星在轨多种工况需求，对卫星用锂离子蓄电池管理具有重要的工程价值。
附图说明
图1是本发明三控制环误差放大电路组成示意图；
图2是本发明中锂离子蓄电池组恒流转恒压充电阶段蓄电池组电压过程示意图；
图3是本发明中锂离子蓄电池组恒流转恒压充电阶段蓄电池组电流过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明内容进行具体阐述。
如图1所示，本发明提出一种锂离子蓄电池三控制环误差放大电路，包括蓄电池组电压采样电路1、母线电压采样电路2、恒压控制环、恒流控制环、稳压控制环和蓄电池组充电电路6。
蓄电池组电压采样电路1连接于蓄电池组正、负两端，用于采集蓄电池组电压，并将采集到的蓄电池组电压通过运算放大器进行比例放大，将比例放大后的电压分别输出给恒压控制环的蓄电池组恒压充电控制电路3和恒流控制环的蓄电池组恒流充电控制电路4。例如蓄电池组电压为30V～38V，通过运算放大器后蓄电池组电压放大1/5倍，输出为6V-7.6V，将比例放大后的电压分别输出给电池组恒压充电控制电路3和蓄电池组恒流充电控制电路4。
母线电压采样电路2采集母线电压，将所述母线电压与母线基准电压作差，对差值进行放大和比例积分运算，对运算后的电压进行分域，根据需要选择分域后的一段电压作为充电域电压输出给稳压控制环；其中母线电压的采集点位于母线上滤波电容阵后端。
恒压控制环包括蓄电池组恒压充电控制电路3和第一二极管D1。蓄电池组恒压充电控制电路3通过电阻对接收电压进行分压，形成多组蓄电池组恒压充电档位，通过模拟开关选择需要的档位，获得蓄电池组恒压充电终压，将所述蓄电池组恒压充电终压与蓄电池组恒压充电控制电路3基准电压作差，差值通过运算放大器放大，放大后的结果输出到第一二极管D1的阴极，恒压充电基准电压为6.4V，第一二极管D1的阳极作为恒压控制环的输出。
蓄电池组恒压充电控制电路3每个充电限压档位对应一条恒压充电曲线，通过电源下位机控制模拟开关的地址线实现不同恒压充电曲线的选择。例如针对42V母线，采用9串锂离子蓄电池组，可以有16条限压充电曲线可以切换，锂离子蓄电池组限压档位范围在30V～38.25V。参见图2，A、B两组蓄电池组充电恒压档位均选择第13档，终止电压为36.45V，前半段为蓄电池组恒流充电，蓄电池电压缓慢上升，当蓄电池组电压上升到终止电压36.45V后，受BEA电路控制蓄电池组切换到恒压充电阶段。
恒流控制环包括蓄电池组恒流充电控制电路4和第二二极管D2。蓄电池组恒流充电控制电路4通过电阻对接收电压进行分压，组成多组蓄电池组恒流充电档位，通过模拟开关选择需要的档位，该档位对应的电压与蓄电池组恒流充电控制电路4偏置电压进行加法运算，运算结果输出到第二二极管D2的阴极，第二二极管D2的阳极作为恒流控制环的输出。恒流充电的偏置电压为1.5V，该偏置电压与蓄电池组充电电路内电流采样电路偏置电压一致。
蓄电池组恒流充电控制电路4每个充电限流档位对应一条恒流充电曲线，通过电源下位机控制模拟开关的地址线实现不同恒流充电曲线的选择。
例如针对42V母线，采用9串锂离子蓄电池组，可以有16条限流充电曲线可以切换，每一路蓄电池充电电路恒流充电阶段最小充电电流3A，最大充电电流8A。参见图3，A、B两组蓄电池组恒流充电档位均选择第4档，充电电流8A，前半段为蓄电池组恒流充电，蓄电池充电电流恒定在8A，当蓄电池组电压上升到终止电压36.45V后，受BEA电路控制蓄电池组切换到恒压充电阶段，蓄电池组充电电流缓慢下降。
稳压控制环包括母线电压控制电路5和第三二极管D3。母线电压控制电路5将输入电压与充电基准电压作差，差值经过放大后输出到第三二极管D3的阴极，充电基准电压为9V，第三二极管D3的阳极作为稳压控制环的输出。
蓄电池组充电电路6内部包含充电功率拓扑电路、电感电流采样电路、PWM控制电路以及MOS管驱动电路等，其功能是根据前述恒压控制环、恒流控制环和稳压控制环的输出的结果，采用平均电流控制法对控制功率拓扑进行控制，最终实现对蓄电池组的恒压、恒流、稳压充电控制；
采用上述锂离子蓄电池三控制环误差放大电路的控制方法，包括以下步骤：
通过设置蓄电池组电压采样电路、母线电压采样电路、蓄电池组恒压充电控制电路、蓄电池组恒流充电控制电路和母线电压控制电路内各元件参数，使正常工作状态下蓄电池组电压反馈略小于蓄电池恒压充电基准电压；
在正常工作状态下，所述第一二级管、第三二极管反偏截止，所述第二二级管正向导通，蓄电池充电电路受蓄电池恒流充电控制电路控制，同时蓄电池恒流充电控制电路有充电电流1-16档控制，通过电源下位机可以切换不同的恒流充电曲线，充电电流可以在3A－8A进行选择。当蓄电池组采样电压到达蓄电池组充电限压控制点时，所述第二二级管与第三二极管反偏截止，所述第一二极管正向导通，蓄电池组充电电路受蓄电池组恒压充电控制电路控制，同时蓄电池组恒压充电控制电路有充电电压1-16档控制，通过电源下位机可以切换不同的恒压充电曲线；当蓄电池组充电电路输入端没有能够满足蓄电池组恒流充电的电流且蓄电池组电压低于恒压充电限压控制点时，蓄电池组恒压充电电路及蓄电池组恒流充电电路均不参与控制，由母线电压控制电路在优先稳定母线电压的前提下控制蓄电池充电电路。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种锂离子蓄电池三控制环误差放大电路，其特征在于：包括蓄电池组电压采样电路(1)、母线电压采样电路(2)、恒压控制环、恒流控制环、稳压控制环和蓄电池组充电电路(6)；
所述蓄电池组电压采样电路(1)采集蓄电池组电压，将其进行比例放大后分别输出给恒压控制环和恒流控制环；
所述母线电压采样电路(2)采集母线电压，将所述母线电压与母线基准电压作差，对差值进行放大和比例积分运算，对运算后的电压进行分域，根据需要选择分域后的一段电压作为充电域电压输出给稳压控制环；其中母线电压的采集点位于母线上滤波电容阵后端；
所述恒压控制环对接收的电压进行处理，向蓄电池组充电电路(6)输出恒定的电压；
所述恒流控制环对接收的电压进行处理，使恒流控制环内部电流为恒流，将处理后的电压输出给蓄电池组充电电路(6)；
所述稳压控制环对接收的电压进行处理，在优先稳定母线电压的前提下，向蓄电池组充电电路(6)输出充电电压；
蓄电池组充电电路(6)接收恒压控制环、恒流控制环和稳压控制环的输出，采用平均电流控制法对控制功率拓扑进行控制，最终实现对蓄电池组的恒压、恒流、稳压充电控制；
所述恒压控制环包括蓄电池组恒压充电控制电路(3)和第一二极管D1；
所述蓄电池组恒压充电控制电路(3)通过电阻对接收电压进行分压，形成多组蓄电池组恒压充电档位，通过模拟开关选择需要的档位，获得蓄电池组恒压充电终压，将所述蓄电池组恒压充电终压与蓄电池组恒压充电控制电路(3)基准电压作差，差值通过运算放大器放大，放大后的结果输出到第一二极管D1的阴极，第一二极管D1的阳极作为恒压控制环的输出；
所述恒流控制环包括蓄电池组恒流充电控制电路(4)和第二二极管D2；
蓄电池组恒流充电控制电路(4)通过电阻对接收电压进行分压，组成多组蓄电池组恒流充电档位，通过模拟开关选择需要的档位，该档位对应的电压与蓄电池组恒流充电控制电路(4)偏置电压进行加法运算，运算结果输出到第二二极管D2的阴极，第二二极管D2的阳极作为恒流控制环的输出；
所述稳压控制环包括母线电压控制电路(5)和第三二极管D3；
母线电压控制电路(5)将输入电压与充电基准电压作差，差值经过放大后输出到第三二极管D3的阴极，第三二极管D3的阳极作为稳压控制环的输出；
所述一种锂离子蓄电池三控制环误差放大电路的控制方法，包括如下步骤：
当蓄电池组充电电路(6)输入端有能够满足蓄电池组恒流充电的电流且蓄电池组电压低于恒压充电限压控制点时，第一二级管D1、第三二极管D3反偏截止，第二二级管D2正向导通，蓄电池组充电电路(6)受蓄电池组恒流充电控制电路(4)控制，对蓄电池组优先进行恒流充电，恒流充电过程中，蓄电池组电压逐渐增高；
当蓄电池组采样电压到达蓄电池组所选择的充电限压控制档位对应的蓄电池组电压时，第二二级管D2与第三二极管D3反偏截止，第一二极管D1正向导通，蓄电池组充电电路(6)受蓄电池组恒压充电控制电路(3)控制，对蓄电池组进行恒压充电，恒压充电过程中，蓄电池组电压恒定，蓄电池组充电电流逐渐减小；
当蓄电池组充电电路(6)输入端没有能够满足蓄电池组恒流充电的电流且蓄电池组电压低于恒压充电限压控制点时，蓄电池组恒压充电电路及蓄电池组恒流充电电路均不参与控制，第一二级管D1与第二二极管D2反偏截止，第三二极管D3正向导通，蓄电池组充电电路(6)受母线电压控制电路(5)控制，由母线电压控制电路在优先稳定母线电压的前提下控制蓄电池组充电电路(6)为蓄电池组充电，此时蓄电池组充电电流由蓄电池组充电电路(6)输入端能提供的点电流决定。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子蓄电池三控制环误差放大电路，其特征在于：蓄电池组恒压充电控制电路(3)每个充电限压档位对应一条恒压充电曲线，通过电源下位机控制模拟开关的地址线实现不同恒压充电曲线的选择。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子蓄电池三控制环误差放大电路，其特征在于：蓄电池组恒流充电控制电路(4)每个充电限流档位对应一条恒流充电曲线，通过电源下位机控制模拟开关的地址线实现不同恒流充电曲线的选择。
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