CN113346567A

CN113346567A - 一种运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路

Info

Publication number: CN113346567A
Application number: CN202110303949.9A
Authority: CN
Inventors: 刘高锋; 徐刚; 武腾; 张旭; 宗正骁; 明恒超; 杨桐
Original assignee: Shanghai Institute of Space Power Sources
Current assignee: Shanghai Institute of Space Power Sources
Priority date: 2021-03-22
Filing date: 2021-03-22
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2041-03-22
Also published as: CN113346567B

Abstract

本发明涉及一种运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路，属于运载用地面电源领域；包括地面充放电设备、n个单体均衡模块和n个电池单体；其中，n个电池单体依次正负串联组成串联电路；串联电路的正端、负端均与地面充放电设备连通；n个单体均衡模块排列安装在外部连接底板上；单体均衡模块和电池单体一一对应组成并联电路；形成n个并联电路；本发明解决了多串锂离子单体充电过程中的单体主动均衡问题，符合运载用锂离子蓄电池的地面充放电频繁、飞行任务工作周期短的特点，确保运载用锂离子蓄电池的循环使用寿命与发射后飞行可靠性。

Description

一种运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路

技术领域

本发明属于运载用地面电源领域，涉及一种运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路。

背景技术

锂离子蓄电池作为运载火箭领域的新型能源存储介质，与传统的镉镍电池和氢镍电池相比，具有端电压高、比能大、寿命长等特点。近年以来，锂电池在运载领域应用推广迅速，相应地面设备亟需配套跟进。为满足运载火箭的电压及能量需求，锂电池一般采用串并联的方式使用。运载用锂电池具有地面充放电频繁，任务工作周期短的特点，但由于锂电池的制造工艺及检测方法不完善，产品初期锂电池组中各串联单体电池间会存在容量、内阻等性能差异，后期经过多次充、放电循环使用或长期搁置容易导致单体电池间性能差异增大，最终影响锂电池的安全和使用寿命。运载用锂电池的维护主要靠地面充放电设备来完成，其主要功能为：对箭上锂电池进行充电、放电，并完成单体电压均衡。地面充放电设备的均衡功能设置是为了保证运载火箭执行任务前锂电池的良好状态，延长锂电池的使用寿命，提高蓄电池的使用安全。一方面，需要对锂电池单体、组电压、温度等参数进行采集与存储，实现锂电池状态的实时监测；另一方面，当锂电池组中的单体之间存在较大差异时，对蓄电池单体进行均衡充电，使各单体之间的差异性减小，提高锂电池各单体的一致性。当前常见锂电池均衡方案拓扑结构，各单体均衡度受限于电压采集准确度及电源输出电压精度，仅能在充电过程中进行均衡，充电时效低；锂电池组高电压单体对外部功率电阻放电模式，损失电池电量，降低充电效率，控制准确度低，且充放电设备内部发热严重。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路，解决了多串锂离子单体充电过程中的单体主动均衡问题，符合运载用锂离子蓄电池的地面充放电频繁、飞行任务工作周期短的特点，确保运载用锂离子蓄电池的循环使用寿命与发射后飞行可靠性。

本发明解决技术的方案是：

一种运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路，包括地面充放电设备、n个单体均衡模块和n个电池单体；其中，n个电池单体依次正负串联组成串联电路；串联电路的正端、负端均与地面充放电设备连通；n个单体均衡模块排列安装在外部连接底板上；单体均衡模块和电池单体一一对应组成并联电路；形成n个并联电路。

在上述的一种运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路，所述每个单体均衡模块包括功率电源、输出辅助回路、微控制器系统和采样电路；

功率电源：接收地面充放电设备传来的直流电压电流，将直流电压电流转换成电压电流均可调的电流，并将电压电流均可调的电流发送至输出辅助回路；接收微控制器系统传来的模拟电平与充电电平阈值的差值，根据差值调节电压电流均可调的电流，将调节后的电流输出至输出辅助回路；

输出辅助回路：内部设置有开关，实现与功率电源的连通或断开；开关打开，接收功率电源传来的电压电流均可调的电流，将电压电流均可调的电流发送至对应的电池单体，给电池单体进行充电；开关闭合；接收微控制器系统传来的开关打开信号，开关打开；接收功率电源传来的调节后的电流，将调节后的电流发送至对应电池单体，实现对电池单体的均衡充电；

采样电路：实时采集对应电池单体的电压，并将电压转换成模拟电平，并将模拟电平发送至微控制器系统；

微控制器系统：接收采样电路传来的模拟电平；将模拟电平与预设电池单体充电电平阈值进行比较，将模拟电平与充电电平阈值的差值发送至功率电源；同时生成开关打开信号，将开关打开信号发送至输出辅助回路。

在上述的一种运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路，所述功率电源包括第一N沟道型MOS管Q1、主功率变压器T1、输入端电阻R1、输入端电容 C1和原边绕组吸收二极管D1；输出辅助回路包括副边整流二极管D2、输出端电容C2、第二N沟道型MOS管Q2、共模电感L1和熔断器F1；

其中，地面充放电设备的正端分别与输入端电阻R1的一端、输入端电容 C1的一端和主功率变压器T1原边的一端连接；输入端电阻R1的另一端、输入端电容C1的另一端均与原边绕组吸收二极管D1的阴极连接；第一N沟道型MOS管Q1的源极与地面充放电设备的负端连接；第一N沟道型MOS管 Q1的漏极分别与原边绕组吸收二极管D1的阳极、主功率变压器T1原边的另一端连接；第一N沟道型MOS管Q1的门极与微控制器系统连接；主功率变压器T1副边的一端与副边整流二极管D2的阳极连接；副边整流二极管D2的阴极分别与输出端电容C2的一端和第二N沟道型MOS管Q2的漏极连接；输出端电容C2的另一端分别与主功率变压器T1副边的另一端、共模电感L1 的负输入端连接；第二N沟道型MOS管Q2的源极与共模电感L1的正输入端连接；第二N沟道型MOS管Q2的门极与微控制器系统连接；共模电感L1的正输出端与对应电池单体的正端连接；共模电感L1的负输出端与熔断器F1的一端连接；熔断器F1的另一端分别与采样电路、对应电池单体的负端连接；微控制器系统与采样电路连通；采样电路分别与电池单体的正端、负端、熔断器F1的另一端、微控制器系统连接。

在上述的一种运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路，每个单体均衡模块状态一致，实现相互更换插接顺序。

在上述的一种运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路，各单体均衡模块通过外部连接底板实现通讯，单体均衡模块采用板卡插拔形式安装。

在上述的一种运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路，所述输出辅助回路实现模块功率输出及采样电压模拟量回采的周期性切换，避免线缆压降对单体电压采样的影响。

在上述的一种运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路，所述第一N沟道型 MOS管Q1选用满足原边耐压耐流及使用温度要求；主功率变压器T1、输入端电阻R1、输入端电容C1和原边绕组吸收二极管D1选用在保证自身温升状态下，尽可能降低第一N沟道型MOS管Q1及主功率变压器T1原边的反向电压尖刺；副边整流二极管D2选用满足输出耐流及快速关断；输出端电容C2、第二N沟道型MOS管Q2和共模电感L1、熔断器F1选用保证单体电池不出现超出耐受能力的输入输出电流。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明给各串单体并联单体均衡模块，在锂电池充电与放电过程中，根据电池单体实时电压控制均衡模块输出，实现低电压单体电池的充电或放电补充，减小各串单体电压极差，实现锂电池充电与放电的均衡管理，满足锂电池发射前的全过程均衡维护，避免单体电压极差增大；

(2)本发明设计的功率电源，选用反激式变换器作为DC/DC电源拓扑，各功率电源之间隔离，功率电源与充放电设备主电源隔离，避免单体串联采样地信号悬浮带来的差分采样难题，进一步简化单体电池电压采样电路设计；同时各功率电源独立控制，可以满足各锂电池单体的均衡需求，避免了常规均衡方案精度差及发热严重问题，且均衡电流不受常规均衡方案限制；

(3)本发明设计的辅助输出电路，选用MOSFET进行输出主回路的快速切断与导通，单体电池电压采样时关断功率电源输出，避免功率电源输出电流时线缆压降带来的单体采样误差。

附图说明

图1为本发明主动均衡电路整体示意图；

图2为本发明单体均衡模块与电池单体信号走向示意图；

图3为本发明单体均衡模块与电池单体电路图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提出一种运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路，解决了多串锂离子单体充电过程中的单体主动均衡问题，符合运载用锂离子蓄电池的地面充放电频繁、飞行任务工作周期短的特点，确保运载用锂离子蓄电池的循环使用寿命与发射后飞行可靠性。

运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路，如图1所示，具体包括地面充放电设备、n个单体均衡模块和n个电池单体；其中，n个电池单体依次正负串联组成串联电路；串联电路的正端、负端均与地面充放电设备连通；n个单体均衡模块排列安装在外部连接底板上；每个单体均衡模块状态一致，实现相互更换插接顺序。单体均衡模块和电池单体一一对应组成并联电路；形成n个并联电路。各单体均衡模块通过外部连接底板实现通讯，单体均衡模块采用板卡插拔形式安装。各单体均衡模块电源之间及与电池充放电主回路电源均隔离。

如图2所示每个单体均衡模块包括功率电源、输出辅助回路、微控制器系统和采样电路。

输出辅助回路实现模块功率输出及采样电压模拟量回采的周期性切换，避免线缆压降对单体电压采样的影响。

如图3所示，功率电源包括第一N沟道型MOS管Q1、主功率变压器T1、输入端电阻R1、输入端电容C1和原边绕组吸收二极管D1；输出辅助回路包括副边整流二极管D2、输出端电容C2、第二N沟道型MOS管Q2、共模电感L1和熔断器F1；

第一N沟道型MOS管Q1选用满足原边耐压耐流及使用温度要求；主功率变压器T1、输入端电阻R1、输入端电容C1和原边绕组吸收二极管D1选用在保证自身温升状态下，尽可能降低第一N沟道型MOS管Q1及主功率变压器T1原边的反向电压尖刺；副边整流二极管D2选用满足输出耐流及快速关断；输出端电容C2、第二N沟道型MOS管Q2和共模电感L1、熔断器F1选用保证单体电池不出现超出耐受能力的输入输出电流。

实施例

该型号锂电池为8串2并锂离子蓄电池组，电池容量为60Ah，单体最高工作电压为4.2V，电池组电压为33.6V，充放电电流为0.2C(C表示电池额定容量)可达到12A，充放电电流上限为0.4C可达到24A。

按照本发明提出的均衡方案，单体均衡模块包括功率电源、采样电路、微控制器系统及辅助输出电路，见附图3。

各单体均衡模块统一由设备前级DC电源供电，DC/DC电源采用隔离变换拓扑。

功率电源输出能力为5V/2A，额定输出功率为10W，充放电电流为12A 时，单体最大充放电范围为12±2A，符合锂电池组充放电电流限制。

单体均衡模块输出辅助电路，实现单体充电保护及电池电压的周期性采样。

基于单片机微控制器进行单体均衡模块的输入采样及输出控制，通过辅助电路的周期性关断实现单体电压采样，避免充电电流对采样准确度的影响。

采样电路为常规电阻分压采样电路。

单体均衡模块均排布在连接底板上，各模块自带散热部件，通过散热板与连接底板机械连接，本设计中为8串电池单体。

其中：

1、反激式变换器基本拓扑元器件：Q1选用N沟道型电源控制芯片 VIPER53作为开关电源主MOSFET，其控制信号为驱动1、主功率变压器T1 实现功率变换及电气隔离、副边整流二极管D2选用CYSR1005和输出端电容 C2实现输出整流与滤波；

2、RCD吸收回路由R1，C1和D1(选用HER107)组成。该电路与反激式变化器原边绕组并联，吸收变压器原边绕组的漏感在开关管截止时产生的高压毛刺，从而减小开关管关断时所承受的电压应力。

控制开关管Q2、共模电感L1以及熔断器F1共同构成了辅助输出电路。

其中：

1、均衡控制开关管Q2：选用N沟道型MOS管，其控制信号为驱动2，微控制器的SCLK脚输出CG信号控制开关管Q2周期性导通关断以保证单体电压采样不受充电电流影响；

2、共模电感L1：减少共模信号对电路的干扰；

3、熔断器F1：限制充放电电流大小，确保锂电池单体安全；

采样电路及微控制器系统电路采用常规电阻分压采样及STM32系列微处理器系统。其中：

1、选用1.5kΩ与560Ω构成电阻分压采样电路，单体电池电压采样后的模拟量直接输入至微处理器。

2、选用STM32F030F4P6作为主控芯片，实现单体电池电压采集及功率电源输出控制；

3、选用PS2501L-1K作为光耦隔离芯片，实现通讯信号的隔离与上传下发；

采样电路周期性工作得到单体电池电压分压，由微控制器电路进行A/D转换，获取各单体电压高低分布状态，微控制器逆向排序单体均衡模块输出功率，输出电压电流控制信号，驱动功率回路开关管Q1，实现单体均衡模块的电压电流输出控制。

微控制器系统输出的驱动2为周期性方波，驱动2输出为低电平时，Q2 关断，单体均衡模块为采样阶段，功率输出终止，单体电池连接线上无电流，电压采样准确；驱动2输出为高电平时，Q2导通，单体均衡模块为输出阶段，功率电源输出导通，单体均衡模块按照预设值输出。

测试该充放电设备对某8串锂离子蓄电池均衡管理后各单体测试电压情况，各单体压差出现明显收束，均衡效果明显。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路，其特征在于：包括地面充放电设备、n个单体均衡模块和n个电池单体；其中，n个电池单体依次正负串联组成串联电路；串联电路的正端、负端均与地面充放电设备连通；n个单体均衡模块排列安装在外部连接底板上；单体均衡模块和电池单体一一对应组成并联电路；形成n个并联电路。

2.根据权利要求1所述的一种运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路，其特征在于：所述每个单体均衡模块包括功率电源、输出辅助回路、微控制器系统和采样电路；

3.根据权利要求2所述的一种运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路，其特征在于：所述功率电源包括第一N沟道型MOS管Q1、主功率变压器T1、输入端电阻R1、输入端电容C1和原边绕组吸收二极管D1；输出辅助回路包括副边整流二极管D2、输出端电容C2、第二N沟道型MOS管Q2、共模电感L1和熔断器F1；

其中，地面充放电设备的正端分别与输入端电阻R1的一端、输入端电容C1的一端和主功率变压器T1原边的一端连接；输入端电阻R1的另一端、输入端电容C1的另一端均与原边绕组吸收二极管D1的阴极连接；第一N沟道型MOS管Q1的源极与地面充放电设备的负端连接；第一N沟道型MOS管Q1的漏极分别与原边绕组吸收二极管D1的阳极、主功率变压器T1原边的另一端连接；第一N沟道型MOS管Q1的门极与微控制器系统连接；主功率变压器T1副边的一端与副边整流二极管D2的阳极连接；副边整流二极管D2的阴极分别与输出端电容C2的一端和第二N沟道型MOS管Q2的漏极连接；输出端电容C2的另一端分别与主功率变压器T1副边的另一端、共模电感L1的负输入端连接；第二N沟道型MOS管Q2的源极与共模电感L1的正输入端连接；第二N沟道型MOS管Q2的门极与微控制器系统连接；共模电感L1的正输出端与对应电池单体的正端连接；共模电感L1的负输出端与熔断器F1的一端连接；熔断器F1的另一端分别与采样电路、对应电池单体的负端连接；微控制器系统与采样电路连通；采样电路分别与电池单体的正端、负端、熔断器F1的另一端、微控制器系统连接。

4.根据权利要求3所述的一种运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路，其特征在于：每个单体均衡模块状态一致，实现相互更换插接顺序。

5.根据权利要求4所述的一种运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路，其特征在于：各单体均衡模块通过外部连接底板实现通讯，单体均衡模块采用板卡插拔形式安装。

6.根据权利要求5所述的一种运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路，其特征在于：所述输出辅助回路实现模块功率输出及采样电压模拟量回采的周期性切换，避免线缆压降对单体电压采样的影响。

7.根据权利要求6所述的一种运载用锂离子蓄电池单体主动均衡电路，其特征在于：所述第一N沟道型MOS管Q1选用满足原边耐压耐流及使用温度要求；主功率变压器T1、输入端电阻R1、输入端电容C1和原边绕组吸收二极管D1选用在保证自身温升状态下，尽可能降低第一N沟道型MOS管Q1及主功率变压器T1原边的反向电压尖刺；副边整流二极管D2选用满足输出耐流及快速关断；输出端电容C2、第二N沟道型MOS管Q2和共模电感L1、熔断器F1选用保证单体电池不出现超出耐受能力的输入输出电流。