CN112803559A - 碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制系统及方法，该系统包括供电控制器、发电装置、用电负载和结构电池；供电控制器包括供电分流控制模块、配电输出控制模块和电池自动充放电控制模块；发电装置连接至供电分流控制模块，配电输出控制模块连接至用电负载；电池自动充放电控制模块与结构电池连接，用于通过电池采样电路获取相应的电池采样电压，并通过电池比较电路与预设的电池阈值信号进行比较；当满足放电条件时，放电控制电路与配电输出控制模块接通，结构电池向用电负载供电，当满足充电条件时，充电控制电路与供电分流控制模块接通，由发电装置对结构电池充电。本发明能够实现结构电池自动化充放电管理，减少人工维护成本。

Description

碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电池管理技术领域，尤其涉及一种碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制系统及方法。

背景技术

碳纤维具有高强度、高模量、质量轻等优点，碳纤维复合材料广泛用于航空、航天等领域，由于碳纤维不仅具有优异的力学性能，还具有优良的导电性以及碳材料固有特性，同时具备结构承载和储电两种功能，可进一步促进复合材料结构轻量化的发展。

采用碳纤维复合材料制成的电池，也称复合材料结构电池，通常由多层石墨烯包覆碳纤维织物（负极）、超薄玻璃纤维布、金属网（正极）、绝缘阻隔膜和固态电解质树脂基体组成，其中，石墨烯包覆碳纤维织物可以提高碳纤维比表面积，提高储电能力，碳纤维同时作为结构増强体及储能电极，固态电解质树脂基体同时作为电化学反应的电解质及结构基体。碳纤维复合材料结构电池的充、放电工作机理为：金属离子在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，充电时金属离子从正极脱嵌，经过固态电解质嵌入负极，负极处于富金属离子状态，放电时则相反。

目前，针对碳纤维复合材料结构电池的研究主要集中在碳纤维材料表面活化改性和固态电解质导电率提升，以及整体结构力学性能的平衡最优设计等方面，对于结构电池充、放电的研究也集中于最大循环次数和电性能衰退等方面。针对结构电池如何接入装备的供电系统，以及如何实现自动充放电管理、电池不同工作模式的自主转换等方面的研究较少。尤其是航天器或工程机械等特种应用场景，结构电池需要针对不同的环境温度、光照和非光照期太阳能发电效率、动力发电系统输出功率等约束条件，选择相适应的电池充、放电管理方法，一方面需保证系统不间断供电，另一方面需保证结构电池的合理应用条件与寿命。

因此，针对以上不足，需要提供一种更为合理、有效的碳纤维复合材料结构电池供电控制系统及方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种应用于碳纤维复合材料结构电池装备的供电自动控制系统及方法，以满足航天器或工程机械等特种应用场景对于稳定供电的要求。

为了实现上述目的，本发明提供了一种碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制系统，包括：供电控制器、发电装置、用电负载和至少一个结构电池；

所述供电控制器包括供电分流控制模块、配电输出控制模块，以及至少一个电池自动充放电控制模块；所述电池自动充放电控制模块与所述结构电池连接，且各所述电池自动充放电控制模块通过充放电共用接口对应连接一个所述结构电池；所述发电装置通过供电接口连接至所述供电分流控制模块，所述配电输出控制模块通过配电接口连接至所述用电负载；

每个所述电池自动充放电控制模块均包括电池采样电路、电池比较电路、放电控制电路和充电控制电路；

所述电池自动充放电控制模块用于通过所述电池采样电路获取相应的电池采样电压，并通过电池比较电路与预设的电池阈值信号进行比较；当满足放电条件时，所述放电控制电路与所述配电输出控制模块接通，所述结构电池向所述用电负载供电，当满足充电条件时，所述充电控制电路与所述供电分流控制模块接通，由所述发电装置对所述结构电池充电。

优选地，所述电池自动充放电控制模块中，所述电池采样电路包括继电器开关、第一电池采样电阻、第二电池采样电阻、第三电池采样电阻和第四电池采样电阻；

电池比较电路包括放电比较控制电路和充电比较控制电路；预设的电池阈值信号包括放电阈值设置信号VD21和充电阈值设置信号VC21；

所述充放电共用接口一路通过串联的继电器开关、第一电池采样电阻和第二电池采样电阻接地，一路通过串联的第三电池采样电阻和第四电池采样电阻接地；

所述放电控制电路的输入端通过继电器开关与所述充放电共用接口连接，输出端通过第一隔离二极管连接至所述配电输出控制模块；放电比较控制电路的第一输入端连接在第一电池采样电阻和第二电池采样电阻之间，获取的电池采样电压为第二电池采样电阻的分压信号V211，第二输入端用于接入放电阈值设置信号VD21，放电条件为V211≥VD21，输出端连接所述放电控制电路，用于输出放电使能信号至所述放电控制电路；

所述充电控制电路的输入端通过充电接口与所述供电分流控制模块连接，输出端通过第二隔离二极管连接至所述充放电共用接口；所述充电比较控制电路的第一输入端连接在第三电池采样电阻和第四电池采样电阻之间，获取的电池采样电压为第四电池采样电阻的分压信号V212，第二输入端用于接入充电阈值设置信号VC21，充电条件为V212＜VC21，输出端连接所述充电控制电路，用于输出充电使能信号至所述充电控制电路。

优选地，VC21＜VD21，且第一电池采样电阻、第二电池采样电阻的电阻值，比例与第三电池采样电阻、第四电池采样电阻的电阻值比例相同。

优选地，所述供电分流控制模块包括总机采样电路、总机比较电路、总机供电控制电路、总机充电控制电路和总机分流控制电路，并通过分流负载接地；

所述供电分流控制模块用于通过所述总机采样电路获取相应的总机采样电压，并通过总机比较电路与预设的总机阈值信号进行比较；

当满足第一供电条件时，所述总机供电控制电路与所述配电输出控制模块接通，所述发电装置只对所述用电负载供电；

当满足第二供电条件时，所述总机供电控制电路与所述配电输出控制模块接通，且所述总机充电控制电路与所述电池自动充放电控制模块接通，所述发电装置同时对所述用电负载供电与所述结构电池充电；

当满足第三供电条件时，所述总机供电控制电路与所述配电输出控制模块接通，所述总机充电控制电路与所述电池自动充放电控制模块接通，且所述总机分流控制电路与所述分流负载接通，所述发电装置同时对所述用电负载供电、所述结构电池充电和所述分流负载放电。

优选地，所述供电分流控制模块中，总机采样电路包括第一总机采样电阻、第二总机采样电阻、第三总机采样电阻、第四总机采样电阻、第五总机采样电阻和第六总机采样电阻；

总机比较电路包括总机供电比较控制电路、总机充电比较控制电路和总机分流比较控制电路；预设的总机阈值信号包括总机供电阈值设置信号VS01、总机充电阈值设置信号VS02和总机分流阈值设置信号VS03；

所述供电接口一路通过串联的第一总机采样电阻和第二总机采样电阻接地，一路通过串联的第三总机采样电阻和第四总机采样电阻接地，一路通过串联的第五总机采样电阻和第六总机采样电阻接地；

所述总机供电控制电路的输入端连接所述供电接口，输出端通过第三隔离二极管连接至所述配电输出控制模块；总机供电比较控制电路的第一输入端连接在第一总机采样电阻和第二总机采样电阻之间，获取的总机采样电压为第二总机采样电阻的分压信号V2301，第二输入端用于接入总机供电阈值设置信号VS01，第一供电条件为V2301≥VS01，输出端连接所述总机供电控制电路，用于输出总机供电使能信号至所述总机供电控制电路；

所述总机充电控制电路的输入端连接所述供电接口，输出端通过对应的隔离二极管连接至所述电池自动充放电控制模块；总机充电比较控制电路的第一输入端连接在第三总机采样电阻和第四总机采样电阻之间，获取的总机采样电压为第四总机采样电阻的分压信号V2302，第二输入端用于接入总机充电阈值设置信号VS02，第二供电条件为V2302≥VS02，输出端连接所述总机充电控制电路，用于输出总机充电使能信号至所述总机充电控制电路；

所述总机分流控制电路的输入端连接所述供电接口，输出端通过第四隔离二极管连接至所述分流负载；总机分流比较控制电路的第一输入端连接在第五总机采样电阻和第六总机采样电阻之间，获取的总机采样电压为第六总机采样电阻的分压信号V2303，第二输入端用于接入总机分流阈值设置信号VS03，第三供电条件为V2303≥VS03，输出端连接所述总机分流控制电路，用于输出总机分流使能信号至所述总机分流控制电路。

优选地，VS01＜VS02＜VS03，且第一总机采样电阻、第二总机采样电阻的电阻值比例，与第三总机采样电阻、第四总机采样电阻的电阻值比例，以及第五总机采样电阻、第六总机采样电阻的电阻值比例相同。

优选地，所述配电输出控制模块包括汇流电盘和多个保险丝；

所述汇流电盘与所述供电分流控制模块以及各所述电池自动充放电控制模块连接，所述用电负载中每一个独立负载均通过所述保险丝与所述汇流电盘独立连接。

优选地，每一个独立负载均通过一组并联的所述保险丝与所述汇流电盘独立连接。

本发明还提供了一种碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制方法，采用如上述任一项所述的碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制系统实现，包括如下步骤：

（1）对供电控制器进行初始化，设置电池阈值信号，并由供电控制器中的各电池自动充放电控制模块向对应的结构电池发出指令，使所述结构电池进入停止模式；

（2）对于处于停止模式的所述结构电池，当满足放电判据时，使所述结构电池进入放电模式；当满足充电判据时，使所述结构电池进入充电模式；当满足静置判据时，使所述结构电池进入静置模式；

（3）对于处于静置模式的所述结构电池，当满足放电判据时，使所述结构电池进入放电模式；当满足补充判据时，使所述结构电池进入补充模式；

（4）对于处于充电模式的所述结构电池，当满足放电判据时，使所述结构电池进入放电模式；当满足停止判据时，使所述结构电池进入停止模式；

（5）对于处于放电模式的所述结构电池，当满足充电判据时，使所述结构电池进入充电模式；

（6）对于处于补充模式的所述结构电池，当满足静置判据时，使所述结构电池进入静置模式；当满足放电判据时，使所述结构电池进入放电模式；

其中，停止模式下，所述结构电池停止充电；静置模式下，所述结构电池自然耗电；充电模式下，发电装置向所述结构电池充电；放电模式下，所述结构电池向用电负载供电；补充模式下，发电装置向所述结构电池补充充电。

优选地，所述补充模式下，发电装置向所述结构电池补充充电时，采用恒压小电流充电模式，充电电流设置为0.1C；

所述充电模式下，发电装置向所述结构电池充电时，采用恒压大电流充电模式，充电电流设置为1.0C；C为结构电池的额定电流。

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制系统及方法，本发明的供电控制系统包括通过供电控制器、发电装置、用电负载和结构电池，其中供电控制器包括供电分流控制模块、配电输出控制模块和电池自动充放电控制模块，电池自动充放电控制模块能够根据结构电池的电压进行充放电管理，实现对各结构电池的自动充放电控制，使得系统中用电负载及结构电池能够长时间稳定工作。本发明适用于大多数复合材料结构电池的应用场景，针对装备结构轻量化、自主运行、能源自主管理等发展具有广泛的应用前景和商业价值。

附图说明

图1是本发明实施例中一种碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制系统结构示意图；

图2是本发明实施例中一种电池自动充放电控制模块结构示意图；

图3是本发明实施例中一种供电分流控制模块结构示意图；

图4是本发明实施例中一种配电输出控制模块结构示意图；

图5是本发明实施例中一种碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制方法步骤示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的一种碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制系统，包括供电控制器2、发电装置3、用电负载4以及至少一个结构电池，具体地，其中：

供电控制器2包括供电分流控制模块230、配电输出控制模块240，以及至少一个电池自动充放电控制模块。电池自动充放电控制模块与结构电池连接，且各电池自动充放电控制模块分别通过一个充放电共用接口对应连接一个结构电池。发电装置3通过供电接口S32连接至供电分流控制模块230，配电输出控制模块240通过配电接口S42连接至用电负载4。

优选地，如图1所示，当有多个结构电池：第一结构电池11、第二结构电池12至第N结构电池1N（N为大于等于2的整数），结构电池与电池自动充放电控制模块一一对应，供电控制器2也需包括至少N个电池自动充放电控制模块：第一电池自动充放电控制模块21、第二电池自动充放电控制模块22至第N电池自动充放电控制模块2N，对应的，N个充放电共用接口分别为：第一充放电共用接口S11、第二充放电共用接口S12至第N充放电共用接口S1N。

如图1所示，第一结构电池11与第一电池自动充放电控制模块21通过第一充放电共用接口S11连接，第二结构电池12与第二电池自动充放电控制模块22通过第二充放电共用接口S12连接，至第N结构电池1N与第N电池自动充放电控制模块2N通过第N充放电共用接口S1N连接。

电池自动充放电控制模块与供电分流控制模块230、配电输出控制模块240连接。每个电池自动充放电控制模块（如图2所示，以第一电池自动充放电控制模块21为例）均包括电池采样电路、电池比较电路、放电控制电路2105和充电控制电路2110。如图2所示，电池自动充放电控制模块用于通过电池采样电路获取相应的、所需的电池采样电压，并通过电池比较电路与预设的电池阈值信号进行比较。根据比较结果，当满足放电条件时，放电控制电路2105与配电输出控制模块240接通，结构电池向用电负载4供电，当满足充电条件时，充电控制电路2110与供电分流控制模块230接通，由发电装置3对结构电池充电。

优选地，如图2所示，电池自动充放电控制模块中，电池采样电路包括继电器开关2101、第一电池采样电阻2102、第二电池采样电阻2103、第三电池采样电阻2107和第四电池采样电阻2108。电池比较电路包括放电比较控制电路2104和充电比较控制电路2109。预设的电池阈值信号包括放电阈值设置信号VD21和充电阈值设置信号VC21。

充放电共用接口（对于第一结构电池11、第一电池自动充放电控制模块21，即图2所示的第一充放电共用接口S11）一路通过串联的继电器开关2101、第一电池采样电阻2102和第二电池采样电阻2103接地，一路通过串联的第三电池采样电阻2107和第四电池采样电阻2108接地，即电池采样电路分为两条支路，用于实现分压。

放电控制电路2105的输入端通过继电器开关2101与充放电共用接口连接，放电控制电路2105的输出端通过第一隔离二极管2106连接至配电输出控制模块240。放电比较控制电路2104的第一输入端连接在第一电池采样电阻2102和第二电池采样电阻2103之间，获取的电池采样电压为第二电池采样电阻2103的分压信号V211，放电比较控制电路2104的第二输入端用于接入放电阈值设置信号VD21，放电条件为第二电池采样电阻2103的分压信号V211大于等于放电阈值设置信号VD21，即（电压值）V211≥VD21。放电比较控制电路2104的输出端连接放电控制电路2105，用于输出放电使能信号S211至放电控制电路2105。

放电过程包括：结构电池通过充放电共用接口连接至继电器开关2101，当整体系统开始工作时，继电器开关2101设置为接通，并输出电池电压信号VD11至第一电池采样电阻2101、第二电池采样电阻2103和放电控制电路2105，相应的，此时电池采样电压包括第二电池采样电阻2103的分压信号V211，分压信号V211和放电阈值设置信号VD21输入放电比较控制电路2104。当满足放电条件V211≥VD21时，放电比较控制电路2104输出放电使能信号S211至放电控制电路2105，放电控制电路2105用于对电池电压信号VD11实现电压升压与滤波控制后，通过第一隔离二极管2106输出电压Vout11，电压Vout11通过放电接口（对于第一结构电池11、第一电池自动充放电控制模块21，即图2所示的第一放电接口S2401）输出至配电输出控制模块240。

充电控制电路2110的输入端通过充电接口（对于第一结构电池11、第一电池自动充放电控制模块21，即图2所示的第一充电接口S2301）与供电分流控制模块230连接，输出端通过第二隔离二极管2111连接至充放电共用接口。充电比较控制电路2109的第一输入端连接在第三电池采样电阻2107和第四电池采样电阻2108之间，获取的电池采样电压为第四电池采样电阻2108的分压信号V212，第二输入端用于接入充电阈值设置信号VC21，充电条件为第四电池采样电阻2108的分压信号V212小于充电阈值设置信号VC21，即（电压值）V212＜VC21。充电比较控制电路2109的输出端连接充电控制电路2110，用于输出充电使能信号S212至充电控制电路2110。

充电过程包括：电池电压信号VD11通过第三电池采样电阻2107和第四电池采样电阻2108接地，相应的，此时电池采样电压包括第四电池采样电阻2108的分压信号V212，分压信号V212和充电阈值设置信号VC21输入充电比较控制电路2109。当满足充电条件V212＜VC21时，充电比较控制电路2109输出充电使能信号S212至充电控制电路2110，充电控制电路2110用于对自供电分流控制模块230输入的电压VC11实现电压降压与滤波控制后，通过第二隔离二极管2111输出电压Vin11，电压Vin11通过充放电共用接口连接至对应的结构电池实现充电。

进一步优选地，VC21＜VD21，第一电池采样电阻2101、第二电池采样电阻2103的电阻值比例与第三电池采样电阻2107、第四电池采样电阻2108的电阻值比例相同，以使得分压信号V211与分压信号V212的电压值相同。即，设第一电池采样电阻2101、第二电池采样电阻2103、第三电池采样电阻2107、第四电池采样电阻2108的电阻值分别为R1、R2、R3、R4，则有：R1：R2=R3：R4。此时，电池自动充放电控制模块仅有一个电池采样电压值，对于VC21＜VD21，当电池采样电压值大于等于VD21，结构电池可以放电并接入用电负载4，当电池采样电压值小于VC21，需发电装置3对结构电池进行充电。

为实现不同模式下用电负载4供电、结构电池充电与用电负载4过压保护的不同需求，优选地，供电分流控制模块230包括总机采样电路、总机比较电路、总机供电控制电路2304、总机充电控制电路2309和总机分流控制电路2314，并且供电分流控制模块230通过分流负载2316接地。供电分流控制模块230用于通过总机采样电路获取相应的、所需的总机采样电压，并通过总机比较电路与预设的总机阈值信号进行比较。

具体地，当满足第一供电条件时，总机供电控制电路2304与配电输出控制模块240接通，发电装置3只对用电负载4供电。

当满足第二供电条件时，总机供电控制电路2304与配电输出控制模块240接通，且总机充电控制电路2309与电池自动充放电控制模块接通，发电装置3对用电负载4供电，同时对结构电池充电。

当满足第三供电条件时，总机供电控制电路2304与配电输出控制模块240接通，总机充电控制电路2309与电池自动充放电控制模块接通，且总机分流控制电路2314与分流负载2316接通，发电装置3对用电负载4供电、对结构电池充电，同时对分流负载2316放电。

本发明的供电控制系统提供了对发电装置3总机输出电压的分阶段自动控制，将发电装置3的带载能力分成三个阶段，电压“弱”则只给用电负载4供电，电压“中”则提供至结构电池充电，电压“强”则通过分流负载2316分流限压，满足装备（即用电负载4中的设备等）供电、结构电池充电，以及装备过压保护的多层次需求。

优选地，如图3所示，供电分流控制模块230中，总机采样电路包括第一总机采样电阻2301、第二总机采样电阻2302、第三总机采样电阻2306、第四总机采样电阻2307、第五总机采样电阻2311和第六总机采样电阻2312。

总机比较电路包括总机供电比较控制电路2303、总机充电比较控制电路2308和总机分流比较控制电路2313；预设的总机阈值信号包括总机供电阈值设置信号VS01、总机充电阈值设置信号VS02和总机分流阈值设置信号VS03。

供电接口S32一路通过串联的第一总机采样电阻2301和第二总机采样电阻2302接地，一路通过串联的第三总机采样电阻2306和第四总机采样电阻2307接地，一路通过串联的第五总机采样电阻2311和第六总机采样电阻2312接地，即总机采样电路分为三条支路，用于实现分压。

总机供电控制电路2304的输入端连接供电接口S32，输出端通过第三隔离二极管2305连接至配电输出控制模块240；总机供电比较控制电路2303的第一输入端连接在第一总机采样电阻2301和第二总机采样电阻2302之间，此时获取的总机采样电压为第二总机采样电阻2302的分压信号V2301，总机供电比较控制电路2303的第二输入端用于接入总机供电阈值设置信号VS01，第一供电条件为第二总机采样电阻2302的分压信号V2301大于等于总机供电阈值设置信号VS01，即（电压值）V2301≥VS01，总机供电比较控制电路2303的输出端连接总机供电控制电路2304，用于输出总机供电使能信号S23031至总机供电控制电路2304。

总机供电过程包括：发电装置3通过供电接口S32将总机电压信号V230输入供电分流控制模块230，总机电压信号V230通过第一总机采样电阻2301和第二总机采样电阻2302产生分压信号V2301，相应的，此时总机采样电压包括第二总机采样电阻2302的分压信号V2301，当满足第一供电条件V2301≥VS01时，总机供电比较控制电路2303输出总机供电使能信号S23031至总机供电控制电路2304，总机供电控制电路2304用于对总机电压信号V230实现电压滤波控制后，通过第三隔离二极管2305输出总机供电电压V2304，总机供电电压V2304通过总机供电接口S2400连接至配电输出控制模块240，实现总机供电功能。

总机充电控制电路2309的输入端连接供电接口S32，输出端通过对应的隔离二极管连接至电池自动充放电控制模块。总机充电比较控制电路2308的第一输入端连接在第三总机采样电阻2306和第四总机采样电阻2307之间，此时获取的总机采样电压为第四总机采样电阻2307的分压信号V2302，总机充电比较控制电路2308的第二输入端用于接入总机充电阈值设置信号VS02，第二供电条件为第四总机采样电阻2307的分压信号V2302大于等于总机充电阈值设置信号VS02，即（电压值）V2302≥VS02，总机充电比较控制电路2308的输出端连接总机充电控制电路2309，用于输出总机充电使能信号S23081至总机充电控制电路2309。

总机充电过程包括：总机电压信号V230通过第三总机采样电阻2306和第四总机采样电阻2307产生分压信号，相应的，此时总机采样电压包括第四总机采样电阻2307的分压信号，当满足第二供电条件V2302≥VS02时，总机充电比较控制电路2308输出总机充电使能信号S23081至总机充电控制电路2309，总机充电控制电路2309用于对总机电压信号V230实现电压滤波后，将总机充电电压V2305相应地通过N个隔离二极管（23101~2310N）连接至第一充电接口至第N充电接口（S2301~S230N），再分别由第一充电接口至第N充电接口（S2301~S230N）连接至第一电池自动充放电控制模块至第N电池自动充放电控制模块（21~2N）。

总机分流控制电路2314的输入端连接供电接口S32，输出端通过第四隔离二极管2315连接至分流负载2316。总机分流比较控制电路2313的第一输入端连接在第五总机采样电阻2311和第六总机采样电阻2312之间，获取的总机采样电压为第六总机采样电阻2312的分压信号V2303，总机分流比较控制电路2313的第二输入端用于接入总机分流阈值设置信号VS03，第三供电条件为第六总机采样电阻2312的分压信号V2303大于等于总机分流阈值设置信号VS03，即（电压值）V2303≥VS03，总机分流比较控制电路2313的输出端连接总机分流控制电路2314，用于输出总机分流使能信号S23131至总机分流控制电路2314。

总机分流过程包括：总机电压信号V230通过第五总机采样电阻2311和第六总机采样电阻2312产生分压信号V2303，相应的，此时总机采样电压包括第六总机采样电阻2312的分压信号V2303，当满足第三供电条件V2303≥VS03时，总机分流比较控制电路2313输出总机分流使能信号S23131至总机分流控制电路2314，总机分流控制电路2314用于对总机电压信号V230实现电压滤波控制后，通过第四隔离二极管2315输出总机分流电压V2306至分流负载2316，实现总机分流功能。

进一步优选地，VS01＜VS02＜VS03，第一总机采样电阻2301、第二总机采样电阻2302的电阻值比例，与第三总机采样电阻2306、第四总机采样电阻2307的电阻值比例，以及第五总机采样电阻2311、第六总机采样电阻2312的电阻值比例相同，以使得分压信号V2301、分压信号V2302和分压信号V2303电压值相同。即，设第一总机采样电阻2301、第二总机采样电阻2302、第三总机采样电阻2306、第四总机采样电阻2307、第五总机采样电阻2311、第六总机采样电阻2312的电阻值分别为R5、R6、R7、R8、R9、R10，则有：R5：R6=R7：R8=R9：R10。此时，供电分流控制模块230只有一个总机采样电压值，当总机采样电压值在阶段1时（VS01≤总机采样电压值＜VS02），只进行用电负载4中的装备供电；当总机采样电压值上升至阶段2时（VS02≤总机采样电压值＜VS03），同时进行装备供电与结构电池充电；当总机采样电压值上升至阶段3时（总机采样电压值≥VS03），同时进行装备供电、结构电池充电和分流负载放电，避免装备电压过高带来危害。

优选地，如图4所示，配电输出控制模块240包括汇流电盘2401和多个保险丝。汇流电盘2401与供电分流控制模块230连接，且汇流电盘2401各电池自动充放电控制模块均连接，供电分流控制模块230以及各电池自动充放电控制模块实现并联。用电负载4中每一个独立负载均通过保险丝与汇流电盘2401独立连接。

进一步地，每一个独立负载均通过一组并联的保险丝与汇流电盘2401独立连接。如图4所示，若用电负载4包括M个独立负载：第一独立负载41、第二独立负载42至第M独立负载4M（M为大于等于1的整数），对应地，第一独立负载41、第二独立负载42至第M独立负载4M分别通过配电接口S42中的第一配电接口S421、第二配电接口S422至第M配电接口S42M接入配电输出控制模块240，第一配电接口S421通过一组并联的保险丝24011和保险丝24012连接汇流电盘2401，第二配电接口S422通过一组并联的保险丝24021和保险丝24022连接汇流电盘2401，至第M配电接口S42M通过一组并联的保险丝240M1和保险丝240M2连接汇流电盘2401。汇流电盘2401通过并联的保险丝将电压信号输送至各独立负载，各独立负载彼此之间互相隔离，若一个独立负载发生短路，只会烧毁此路配电通路，不影响其他独立负载，提高了系统的安全性。

本发明还提供了一种碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制方法，采用如上述任一实施方式所述的碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制系统实现，该供电控制方法具体包括如下步骤：

（1）对供电控制系统的供电控制器进行初始化，设置电池阈值信号，并由供电控制器中的各电池自动充放电控制模块向对应的结构电池发出指令，使结构电池进入停止模式；

（2）对于处于停止模式的结构电池，当满足放电判据C1时，由供电控制器中的各电池自动充放电控制模块向对应的结构电池发出指令，使结构电池进入放电模式；当满足充电判据C2时，由供电控制器中的各电池自动充放电控制模块向对应的结构电池发出指令，使结构电池进入充电模式；当满足静置判据C4时，使结构电池进入静置模式；

（3）对于处于静置模式的结构电池，当满足放电判据C1时，由供电控制器中的各电池自动充放电控制模块向对应的结构电池发出指令，使结构电池进入放电模式；当满足补充判据C5时，由供电控制器中的各电池自动充放电控制模块向对应的结构电池发出指令，使结构电池进入补充模式；

（4）对于处于充电模式的结构电池，当满足放电判据C1时，由供电控制器中的各电池自动充放电控制模块向对应的结构电池发出指令，使结构电池进入放电模式；当满足停止判据C3时，由供电控制器中的各电池自动充放电控制模块向对应的结构电池发出指令，使结构电池进入停止模式；

（5）对于处于放电模式的结构电池，当满足充电判据C2时，由供电控制器中的各电池自动充放电控制模块向对应的结构电池发出指令，使结构电池进入充电模式；

（6）对于处于补充模式的结构电池，由供电控制器中的各电池自动充放电控制模块向对应的结构电池发出指令，当满足静置判据C4时，使结构电池进入静置模式；当满足放电判据C1时，由供电控制器中的各电池自动充放电控制模块向对应的结构电池发出指令，使结构电池进入放电模式。

可选的工作模式包括停止模式、静置模式、充电模式、放电模式和补充模式。其中，停止模式下，结构电池停止充电；静置模式下，结构电池缓慢地自然耗电；充电模式下，发电装置向结构电池充电；放电模式下，结构电池向用电负载供电；补充模式下，发电装置向结构电池补充充电。

结构电池工作模式转换表如表1所示：

表1 各模式转换表

优选地，补充模式下，发电装置向结构电池补充充电时，采用恒压小电流充电模式，充电电流设置为0.1C；充电模式下，发电装置向结构电池充电时，采用恒压大电流充电模式，充电电流设置为1.0C；C为结构电池的额定电流。

优选地，为实现结构电池自动充放电管理，对于上述预设的电池阈值信号包括放电阈值设置信号VD21和充电阈值设置信号VC21的供电控制系统，放电判据C1包括相应的电池采样电压Vbat大于等于放电阈值设置信号VD21，充电判据C2包括相应的电池采样电压Vbat小于充电阈值设置信号VC21，Vbat为系统开始工作，继电器开关2101接通后的电池采样电压，即第二电池采样电阻2103的分压信号V211。

进一步地，停止判据包括相应的电池采样电压Vbat大于等于电池充电安全值Vcc，静置判据包括相应的电池采样电压大于等于电池存储放电深度Vdd，补充判据包括相应的电池采样电压小于电池存储放电深度Vdd，其中，典型情况下可设置Vdd=80% Vcc。

在一个优选的实施方式中，所采用的供电控制系统如图1至图4所示，VC21＜VD21，第一电池采样电阻、第二电池采样电阻的电阻值比例，与第三电池采样电阻、第四电池采样电阻的电阻值比例相同；VS01＜VS02＜VS03，第一总机采样电阻、第二总机采样电阻的电阻值比例，与第三总机采样电阻、第四总机采样电阻的电阻值比例，以及第五总机采样电阻、第六总机采样电阻的电阻值比例相同。相应的，该方法步骤（1）中初始化时，还包括设置总机阈值信号，结构电池的各模式之间的切换判据进一步包括总机采样电压与总机阈值信号的比较结构，各个模式之间的切换判据具体包括：

放电判据C1：Vbat≥VD21且Vsup＜VS01；

充电判据C2：Vbat＜VC21且Vsup≥VS02；

停止判据C3：Vbat≥Vcc且Vsup≥VS01；

静置判据C4：Vbat≥Vdd且Vsup≥VS01；

补充判据C5：Vbat＜Vdd且Vsup≥VS02。

其中，Vbat为系统开始工作，继电器开关2101接通后的电池采样电压，即第二电池采样电阻2103的分压信号V211，Vsup为三项总机采样电压的平均值，即Vsup=（V2301+V2302+V2303）/3。

采样上述方式，能够实现停止模式、静置模式、充电模式、放电模式、补充模式之间的自动相互切换，一方面及时对结构电池进行充电，一方面通过结构电池与发电装置长时间持续为用电负载供电，提高系统的稳定性与安全性。

综上所述，本发明提供了一种碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制系统及方法，本发明实现了结构电池与用电负载（装备）、发电装置的接入以及结构电池的自动充放电控制，并设置了不同工作模式之间的自动相互切换，且实现了对发电装置输出电压的三阶段自动控制，满足供电、充电与过压保护的需求，延长工作寿命，还通过保险丝对用电负载中的各独立负载进行保护，提高系统的安全性、可靠性，减少人工检修等维护成本。本发明适用于大多数复合材料结构电池的应用场景，特别是航空、航天等要求系统稳定供电且不易开展检修工作的应用场合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制系统，其特征在于，包括：供电控制器、发电装置、用电负载和至少一个结构电池；

所述供电控制器包括供电分流控制模块、配电输出控制模块，以及至少一个电池自动充放电控制模块；所述电池自动充放电控制模块与所述结构电池连接，且各所述电池自动充放电控制模块通过充放电共用接口对应连接一个所述结构电池；所述发电装置通过供电接口连接至所述供电分流控制模块，所述配电输出控制模块通过配电接口连接至所述用电负载；

每个所述电池自动充放电控制模块均包括电池采样电路、电池比较电路、放电控制电路和充电控制电路；

所述电池自动充放电控制模块用于通过所述电池采样电路获取相应的电池采样电压，并通过电池比较电路与预设的电池阈值信号进行比较；当满足放电条件时，所述放电控制电路与所述配电输出控制模块接通，所述结构电池向所述用电负载供电，当满足充电条件时，所述充电控制电路与所述供电分流控制模块接通，由所述发电装置对所述结构电池充电。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制系统，其特征在于：

所述电池自动充放电控制模块中，所述电池采样电路包括继电器开关、第一电池采样电阻、第二电池采样电阻、第三电池采样电阻和第四电池采样电阻；

电池比较电路包括放电比较控制电路和充电比较控制电路；预设的电池阈值信号包括放电阈值设置信号VD21和充电阈值设置信号VC21；

所述充放电共用接口一路通过串联的继电器开关、第一电池采样电阻和第二电池采样电阻接地，一路通过串联的第三电池采样电阻和第四电池采样电阻接地；

所述放电控制电路的输入端通过继电器开关与所述充放电共用接口连接，输出端通过第一隔离二极管连接至所述配电输出控制模块；放电比较控制电路的第一输入端连接在第一电池采样电阻和第二电池采样电阻之间，获取的电池采样电压为第二电池采样电阻的分压信号V211，第二输入端用于接入放电阈值设置信号VD21，放电条件为V211≥VD21，输出端连接所述放电控制电路，用于输出放电使能信号至所述放电控制电路；

所述充电控制电路的输入端通过充电接口与所述供电分流控制模块连接，输出端通过第二隔离二极管连接至所述充放电共用接口；所述充电比较控制电路的第一输入端连接在第三电池采样电阻和第四电池采样电阻之间，获取的电池采样电压为第四电池采样电阻的分压信号V212，第二输入端用于接入充电阈值设置信号VC21，充电条件为V212＜VC21，输出端连接所述充电控制电路，用于输出充电使能信号至所述充电控制电路。

3.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制系统，其特征在于：

VC21＜VD21，且第一电池采样电阻、第二电池采样电阻的电阻值比例，与第三电池采样电阻、第四电池采样电阻的电阻值比例相同。

4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制系统，其特征在于：

所述供电分流控制模块包括总机采样电路、总机比较电路、总机供电控制电路、总机充电控制电路和总机分流控制电路，并通过分流负载接地；

所述供电分流控制模块用于通过所述总机采样电路获取相应的总机采样电压，并通过总机比较电路与预设的总机阈值信号进行比较；

当满足第一供电条件时，所述总机供电控制电路与所述配电输出控制模块接通，所述发电装置只对所述用电负载供电；

当满足第二供电条件时，所述总机供电控制电路与所述配电输出控制模块接通，且所述总机充电控制电路与所述电池自动充放电控制模块接通，所述发电装置同时对所述用电负载供电与所述结构电池充电；

当满足第三供电条件时，所述总机供电控制电路与所述配电输出控制模块接通，所述总机充电控制电路与所述电池自动充放电控制模块接通，且所述总机分流控制电路与所述分流负载接通，所述发电装置同时对所述用电负载供电、所述结构电池充电和所述分流负载放电。

5.根据权利要求4所述的碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制系统，其特征在于：

所述供电分流控制模块中，总机采样电路包括第一总机采样电阻、第二总机采样电阻、第三总机采样电阻、第四总机采样电阻、第五总机采样电阻和第六总机采样电阻；

总机比较电路包括总机供电比较控制电路、总机充电比较控制电路和总机分流比较控制电路；预设的总机阈值信号包括总机供电阈值设置信号VS01、总机充电阈值设置信号VS02和总机分流阈值设置信号VS03；

所述供电接口一路通过串联的第一总机采样电阻和第二总机采样电阻接地，一路通过串联的第三总机采样电阻和第四总机采样电阻接地，一路通过串联的第五总机采样电阻和第六总机采样电阻接地；

所述总机供电控制电路的输入端连接所述供电接口，输出端通过第三隔离二极管连接至所述配电输出控制模块；总机供电比较控制电路的第一输入端连接在第一总机采样电阻和第二总机采样电阻之间，获取的总机采样电压为第二总机采样电阻的分压信号V2301，第二输入端用于接入总机供电阈值设置信号VS01，第一供电条件为V2301≥VS01，输出端连接所述总机供电控制电路，用于输出总机供电使能信号至所述总机供电控制电路；

所述总机充电控制电路的输入端连接所述供电接口，输出端通过对应的隔离二极管连接至所述电池自动充放电控制模块；总机充电比较控制电路的第一输入端连接在第三总机采样电阻和第四总机采样电阻之间，获取的总机采样电压为第四总机采样电阻的分压信号V2302，第二输入端用于接入总机充电阈值设置信号VS02，第二供电条件为V2302≥VS02，输出端连接所述总机充电控制电路，用于输出总机充电使能信号至所述总机充电控制电路；

所述总机分流控制电路的输入端连接所述供电接口，输出端通过第四隔离二极管连接至所述分流负载；总机分流比较控制电路的第一输入端连接在第五总机采样电阻和第六总机采样电阻之间，获取的总机采样电压为第六总机采样电阻的分压信号V2303，第二输入端用于接入总机分流阈值设置信号VS03，第三供电条件为V2303≥VS03，输出端连接所述总机分流控制电路，用于输出总机分流使能信号至所述总机分流控制电路。

6.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制系统，其特征在于：

VS01＜VS02＜VS03，且第一总机采样电阻、第二总机采样电阻的电阻值比例，与第三总机采样电阻、第四总机采样电阻的电阻值比例，以及第五总机采样电阻、第六总机采样电阻的电阻值比例相同。

7.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制系统，其特征在于：

所述配电输出控制模块包括汇流电盘和多个保险丝；

所述汇流电盘与所述供电分流控制模块以及各所述电池自动充放电控制模块连接，所述用电负载中每一个独立负载均通过所述保险丝与所述汇流电盘独立连接。

8.根据权利要求7所述的碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制系统，其特征在于：

每一个独立负载均通过一组并联的所述保险丝与所述汇流电盘独立连接。

9.一种碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制系统实现，包括如下步骤：

（1）对供电控制器进行初始化，设置电池阈值信号，并由供电控制器中的各电池自动充放电控制模块向对应的结构电池发出指令，使所述结构电池进入停止模式；

（2）对于处于停止模式的所述结构电池，当满足放电判据时，使所述结构电池进入放电模式；当满足充电判据时，使所述结构电池进入充电模式；当满足静置判据时，使所述结构电池进入静置模式；

（3）对于处于静置模式的所述结构电池，当满足放电判据时，使所述结构电池进入放电模式；当满足补充判据时，使所述结构电池进入补充模式；

（4）对于处于充电模式的所述结构电池，当满足放电判据时，使所述结构电池进入放电模式；当满足停止判据时，使所述结构电池进入停止模式；

（5）对于处于放电模式的所述结构电池，当满足充电判据时，使所述结构电池进入充电模式；

（6）对于处于补充模式的所述结构电池，当满足静置判据时，使所述结构电池进入静置模式；当满足放电判据时，使所述结构电池进入放电模式；

其中，停止模式下，所述结构电池停止充电；静置模式下，所述结构电池自然耗电；充电模式下，发电装置向所述结构电池充电；放电模式下，所述结构电池向用电负载供电；补充模式下，发电装置向所述结构电池补充充电。

10.根据权利要求9所述的碳纤维复合材料结构电池装备的供电控制方法，其特征在于：

所述补充模式下，发电装置向所述结构电池补充充电时，采用恒压小电流充电模式，充电电流设置为0.1C；

所述充电模式下，发电装置向所述结构电池充电时，采用恒压大电流充电模式，充电电流设置为1.0C；C为结构电池的额定电流。

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