本發(fā)明涉及一種用于鋰離子蓄電池的在軌長期擱置期性能維護電路。
背景技術(shù)：
近地航天器儲能電源主要有鎘鎳鋰離子蓄電池、氫鎳鋰離子蓄電池、鋰離子蓄電池，相對于其他儲能電源，鋰離子蓄電池具有高比能量、高比功率、易于模塊化設計等優(yōu)點，是當前近地航天器儲能電源的首選。目前鋰離子蓄電池普遍認可的月自放電率為2％，一旦鋰離子蓄電池經(jīng)過長期擱置，電性能異常下降，包括電池內(nèi)部化學體系消耗反應造成的容量不可逆衰減、內(nèi)阻增大等。根據(jù)鋰離子蓄電池在存儲過程中失效的機理，一般認為較高的荷電態(tài)不利于鋰離子蓄電池存儲性能的保持。
對于有鋰離子蓄電池長期存儲需求的航天器，例如太陽同步晨昏軌道衛(wèi)星、中地球軌道衛(wèi)星(MEO)等領域，鋰離子蓄電池性能異常下降意味著電源供電能力下降，導致航天器在軌能量平衡情況惡化，影響在軌工況配置和任務完成度，甚至縮短航天器在軌壽命。無論從電源系統(tǒng)穩(wěn)定運行，保障供電可靠性，還是從提高航天器在軌運行壽命，維持航天器任務需求角度出發(fā)，都需要加強鋰離子蓄電池長期存儲期間的性能維護，避免鋰離子蓄電池性能異常下降。
通過文獻調(diào)研可知，國內(nèi)外對鋰離子蓄電池的在軌長期存儲期間性能維護方法研究較少，國內(nèi)航天器應對鋰離子蓄電池的存儲性能下降情況主要有以下方法：一是不采用維護措施，增大鋰離子蓄電池容量設計余量來保證壽命末期電池容量，二是通過均衡管理器的強制均衡功能實現(xiàn)鋰離子蓄電池容量的調(diào)整，上述方式在實際工程應用上存在以下局限性：1.方法一帶來電源系統(tǒng)儲能電源余量過大，造成衛(wèi)星資源浪費，增加研制成本，2.方法二僅適用于采用均衡管理器和下位機的電源系統(tǒng)，且均衡管理器配置了強制分流功能，不適用于不帶強制分流功能的均衡管理器，也不適用于采用商業(yè)現(xiàn)貨電池等不需均衡管理和下位機功能的電源系統(tǒng)，3.方法二隨著鋰離子蓄電池電壓的提升，均衡管理器在強制均衡期間工作熱耗成比例大幅增加，對單機設備的熱設計和散熱要求很高，不利于整星熱控優(yōu)化設計。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有設計的不足，提供了一種體積小、重量輕、可靠性高、可獨立配置的鋰離子蓄電池在軌擱置維護電路。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
一種鋰離子蓄電池的在軌擱置維護電路，包括：容量調(diào)節(jié)主電路、容量保護電路、控制使能電路；
容量保護主電路對鋰離子蓄電池進行分流調(diào)節(jié)從而實現(xiàn)在軌期間鋰離子蓄電池的容量調(diào)節(jié)；容量保護電路對鋰離子蓄電池進行電壓監(jiān)測和分流調(diào)節(jié)控制從而實現(xiàn)鋰離子蓄電池容量保護；控制使能電路對容量調(diào)節(jié)主電路進行約束，在容量調(diào)節(jié)主電路設置為使能狀態(tài)時，允許執(zhí)行容量調(diào)節(jié)動作。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
(1)本發(fā)明這種可用于鋰離子蓄電池在軌擱置維護電路，實現(xiàn)了航天器在軌任務期間鋰離子蓄電池長時間擱置的性能維護；容量調(diào)節(jié)主電路采用了與鋰離子蓄電池并聯(lián)的方式，實現(xiàn)方式簡單；設置了可在軌使能或禁止功能的容量保護電路，實時檢測鋰離子蓄電池電壓，能夠在鋰離子蓄電池電壓低于設定電壓時自主停止容量調(diào)節(jié)動作，保證鋰離子蓄電池處于安全容量；設置了控制使能開關(guān)，在控制使能的前提下，才能夠通過遙控指令開啟鋰離子蓄電池容量調(diào)節(jié)動作，防止在軌正常工作時發(fā)生誤動作。
(2)本發(fā)明應用范圍廣，本發(fā)明的維護電路設計不僅適用于不帶均衡管理和下位機的電源系統(tǒng)鋰離子蓄電池在軌擱置維護處理，還可以適用于電源系統(tǒng)的均衡管理器未配置強制分流功能的情況；
(3)本發(fā)明具有自主管理功能，本發(fā)明的維護電路在使能保護電路前提下，可實時檢測鋰離子蓄電池容量維護情況，并在維護完成后自主停止維護動作，改變了當前依靠地面指令控制鋰離子蓄電池在軌維護動作的情況；
(4)本發(fā)明的實現(xiàn)方式簡單，本發(fā)明的維護電路設計與鋰離子蓄電池并聯(lián)，不改變鋰離子蓄電池的使用條件和原有電源拓撲。
附圖說明
圖1為本發(fā)明鋰離子蓄電池在軌擱置維護電路的原理圖。
具體實施方式
鋰離子蓄電池在軌擱置維護電路的主要功能是對鋰離子蓄電池在軌長時間擱置期間的容量進行調(diào)整，可避免長期高荷電態(tài)存儲帶來的鋰離子蓄電池性能損失，實現(xiàn)在軌任務期間鋰離子蓄電池的性能維護。
如圖1所示，本發(fā)明提出的鋰離子蓄電池的在軌擱置維護電路，包括：容量調(diào)節(jié)主電路、容量保護電路、控制使能電路；
容量保護電路對鋰離子蓄電池進行電壓監(jiān)測從而實現(xiàn)鋰離子蓄電池容量保護，每路容量調(diào)節(jié)主電路配置一路容量保護電路，每路容量保護電路包括容量檢測子電路、保護使能子電路。容量檢測子電路對鋰離子蓄電池電壓進行實時檢測，當鋰離子蓄電池電壓低于設定值時容量檢測子電路輸出保護信號至保護使能子電路，用于關(guān)斷容量調(diào)節(jié)主電路分流開關(guān)管，當鋰離子蓄電池電壓高于設定值時容量檢測子電路不輸出；保護使能子電路對容量檢測子電路進行約束，保護使能子電路處于使能狀態(tài)時，保護使能子電路將容量檢測子電路輸出的保護信號接通，并輸出控制信號，即容量保護電路輸出的控制信號；保護使能子電路處于禁止狀態(tài)時，保護使能子電路將容量檢測子電路輸出的保護信號斷開，不輸出控制信號，即容量保護電路無輸出。保護使能子電路的使能或禁止狀態(tài)可以通過地面遙控指令設置。
控制使能電路對容量調(diào)節(jié)主電路進行約束，防止鋰離子蓄電池正常工作期間容量調(diào)節(jié)主電路被誤接通，確保鋰離子蓄電池安全。若控制使能電路處于使能狀態(tài)，容量調(diào)節(jié)主電路可以執(zhí)行地面遙控指令或容量保護電路輸出的控制信號；若控制使能電路處于禁止狀態(tài)，容量調(diào)節(jié)主電路不執(zhí)行地面遙控指令和容量保護電路輸出的控制信號。容量調(diào)節(jié)電路的使能或禁止狀態(tài)可以通過地面遙控指令設置。
容量調(diào)節(jié)主電路用于對鋰離子蓄電池進行分流調(diào)節(jié)從而實現(xiàn)容量消耗，采用并聯(lián)在鋰離子蓄電池正負兩端的方式，每組鋰離子蓄電池對應一路容量調(diào)節(jié)主電路，每路容量調(diào)節(jié)主電路采用了4個分流開關(guān)管經(jīng)過兩串兩并后與功率電阻串聯(lián)的設計，可以在不影響鋰離子蓄電池正常工作的前提下實現(xiàn)該組鋰離子蓄電池的容量調(diào)節(jié)，從而保證了鋰離子蓄電池性能維護的有效性和可靠性。
鋰離子蓄電池的長擱置期容量調(diào)節(jié)包含開啟調(diào)節(jié)和停止調(diào)節(jié)兩個動作，其中啟動調(diào)節(jié)動作可通過地面遙控指令控制，停止調(diào)節(jié)動作可通過地面遙控指令或容量保護電路輸出的控制信號控制。
在默認情況下鋰離子蓄電池在軌擱置維護電路中的控制使能電路處于功能禁止狀態(tài)，容量保護電路中的保護使能子電路處于功能禁止狀態(tài)。當鋰離子蓄電池需要進行長擱置期的容量調(diào)整時，需先發(fā)送地面遙控指令使控制使能電路處于使能狀態(tài)，再發(fā)送地面遙控指令使主電路中分流開關(guān)管全部處于導通狀態(tài)，鋰離子蓄電池容量調(diào)節(jié)開啟動作完成。當鋰離子蓄電池容量調(diào)整至設置范圍時，需發(fā)送地面遙控指令使主電路中分流開關(guān)管全部處于關(guān)斷狀態(tài)，再發(fā)送地面遙控指令使容量調(diào)節(jié)主電路處于控制禁止狀態(tài)，鋰離子蓄電池容量停止調(diào)節(jié)動作完成。在鋰離子蓄電池容量調(diào)節(jié)開啟動作完成后，維持控制使能電路的使能狀態(tài)至鋰離子蓄電池容量調(diào)節(jié)結(jié)束動作前。
為提高鋰離子蓄電池容量調(diào)節(jié)的可靠性和安全性，可以在開啟調(diào)節(jié)動作后通過地面遙控指令設置容量保護功能為使能狀態(tài)；當鋰離子蓄電池容量調(diào)整至設置范圍時，容量保護電路檢測到蓄電池容量充滿狀態(tài)并輸出控制信號至容量調(diào)節(jié)主電路，容量調(diào)節(jié)主電路在控制使能電路使能前提下將分流開關(guān)管全部關(guān)斷，鋰離子蓄電池容量停止調(diào)節(jié)動作完成。
如圖1所示，容量保護主電路包括磁保持繼電器J7、MOS管Q1～Q4、三極管Q5、Q6、二極管D10、D11、電阻R20～R28以及電源VCC41；MOS管Q1漏極和MOS管Q3漏極相連后與鋰離子蓄電池正端相連，Q1的源級與MOS管Q2的漏極相連，Q3的源級與MOS管Q4漏極相連，Q2的源級和Q4的源級相連后通過電阻R24接地，MOS管Q1～Q4起蓄電池功率分流作用，電阻R24為功率電阻，起功率消耗作用；電阻R20～23、R25～28起限流作用；
MOS管Q1～Q4的柵極分別串聯(lián)電阻R20～R23后相連并與三極管Q5集電極相連；三極管Q5發(fā)射極與三極管Q6的集電極相連，Q6發(fā)射極通過電阻R27接地，Q5的基極和Q6的基極分別串聯(lián)電阻R25和R26后相連并與二極管D10和D11的負極連接在一起；磁保持繼電器J7動作端通過電阻R28與電源VCC41相連，J7公共端輸出信號Signal_2并與二極管D11正極相連；二極管D10正極與來自容量保護電路的信號Signal_1相連；
J7的第一組線包的正端與第二組線包的正端連接在一起，并且與來自控制使能電路的信號Signal_3連接，J7的第一組線包的負端與第二組線包的負端分別接收外部遙控指令。
容量調(diào)節(jié)主電路還可以包括隔離二極管D14和D15；隔離二極管D14和D15用于消除磁保持繼電器J1線包反電動勢，隔離二極管D14串接在磁保持繼電器J7的第一組線包正負極之間，其中D14正極與J7的第一組線包負極相連；隔離二極管D15串接在磁保持繼電器J7的第二組線包正負極之間，其中D15正極與J7的第二組線包負極相連。
如圖1所示，容量保護電路與容量調(diào)節(jié)主電路數(shù)量一致，每個容量保護電路均包括容量檢測子電路和保護使能子電路；容量檢測子電路實時檢測鋰離子蓄電池電壓，并在鋰離子蓄電池電壓異常時發(fā)出保護信號Signal_4，保護使能子電路對容量檢測子電路發(fā)出的保護信號Signal_4進行控制。
容量檢測子電路包括運算放大器U41、U42、三極管Q18、電阻R19、R31～R39以及電源VCC43；
運放U41正輸入端通過電阻R32與鋰離子蓄電池正端相連，運放U41負輸入端與其自身輸出端相連，運放U41輸出端通過電阻R34與運放U42負輸入端相連，運放U42輸出端與三極管Q18基極相連，三極管Q18集電極與電源VCC43相連，三極管Q18發(fā)射極通過電阻R39接地，且三極管Q18發(fā)射極的輸出信號即為容量檢測子電路發(fā)出的保護信號Signal_4；電阻R19、R31起負反饋作用，電阻R32～R39起限流作用。
保護使能子電路包括磁保持繼電器J9、電阻R40以及電源VCC44；磁保持繼電器J9公共端與信號Signal_4相連，J9動作端輸出信號Signal_1給容量調(diào)節(jié)主電路；磁保持繼電器J9的第一組線包正極和第二組線包正極相連后通過限流電阻R40與電源VCC44相連，J9第一組線包負極和第二組線包負極分別接收外部遙控指令。
如圖1所示，控制使能電路與容量調(diào)節(jié)主電路數(shù)量一致，每個控制使能電路包括磁保持繼電器J8、電源VCC42、電阻R29和R30；
磁保持繼電器J8公共端通過電阻R29與電源VCC42相連，J8動作端的輸出即為控制使能電路的輸出信號Signal_3，J8第一組線包負極和第二組線包負極分別接收外部遙控指令。
本發(fā)明中涉及到四個電源，且電源VCC41、VCC42、VCC43、VCC44共地。
實施例：
如圖1所示，容量調(diào)節(jié)主電路中，J7開關(guān)采用磁保持繼電器，MOS管Q1～Q4起分流作用，三極管Q5和Q6起驅(qū)動作用，BAT為鋰離子蓄電池，容量調(diào)節(jié)主電路由兩并兩串的分流開關(guān)管、三極管、功率電阻、繼電器、二極管組成。初始狀態(tài)，繼電器J7斷開，驅(qū)動三極管Q5和Q6關(guān)斷，MOS管Q1～Q4關(guān)斷。以J7所示磁保持繼電器為例，1腳和2腳是一組線包(線包a)，9腳和10腳則是另外一組線包(線包b)。3、4、5腳和6、7、8腳分別組成兩組觸點開關(guān)，觸點開關(guān)接通和斷開動作分別由兩組線包控制。為防止觸點誤動作，采用兩組觸點開關(guān)串聯(lián)。其中3腳和6腳是公共觸點，磁保持繼電器正常工作時，3腳觸點只能和同組開關(guān)的4腳和5腳觸點中的一個相連，6腳觸點同理，只能與7腳和8腳觸點中的一個相連。線包a加電時，3腳觸點和4腳觸點相連，6腳觸點和7腳觸點相連；線包b加電時，3腳觸點和5腳觸點相連，6腳觸點和8腳觸點相連；若線包a和線包b同時加電，則線包a起作用。不妨假設磁保持繼電器J7接收到容量調(diào)節(jié)的遙控指令(J7_on)，則有電源作用于線包a的1腳和2腳，當脈沖電流由1腳進入從2腳流出時，觸點開關(guān)動作，3腳觸點和4腳觸點相連，6腳觸點和7腳觸點相連，此時驅(qū)動三極管Q5和Q6接通，MOS管Q1～Q4接通，鋰離子蓄電池容量調(diào)節(jié)電路接通，即鋰離子蓄電池進行功率分流動作。若假設磁保持繼電器J7接收到斷開的遙控指令(J7_off)，則有電源作用于線包b的9腳和10腳，當脈沖電流由9腳進入從10腳流出時，觸點開關(guān)動作，3腳觸點和5腳觸點相連，6腳觸點和8腳觸點相連，此時驅(qū)動三極管Q5和Q6關(guān)斷，MOS管Q1～Q4關(guān)斷，鋰離子蓄電池容量調(diào)節(jié)電路斷開，即鋰離子蓄電池停止功率分流工作。D14和D15為繼電器線包消反電動勢二極管，VCC41為+12V電源；D10和D11為隔離二極管，D10和D11組成或門電路，兩路輸入信號遵循“誰高誰輸出”原則。
若鋰離子蓄電池進入在軌長期擱置期，需要將鋰離子蓄電池容量調(diào)整至設定范圍時，可通過地面發(fā)送遙控指令J7_on，接通磁保持繼電器J7，接通驅(qū)動三極管Q5和Q6，使MOS管Q1～Q4接通，從而接通鋰離子蓄電池容量調(diào)節(jié)主電路，對鋰離子蓄電池功率進行分流調(diào)節(jié)。當鋰離子蓄電池容量已調(diào)整至設定范圍時，可通過地面發(fā)送遙控指令J7_off，斷開磁保持繼電器J7，關(guān)斷驅(qū)動三極管Q5和Q6，使MOS管Q1～Q4關(guān)斷，從而斷開鋰離子蓄電池容量調(diào)節(jié)主電路，停止對鋰離子蓄電池功率的分流調(diào)節(jié)。
容量保護電路用于防止鋰離子蓄電池容量過低，包括容量檢測子電路、保護使能子電路，如圖1所示。容量檢測子電路中，U41為電壓采樣芯片LM158，封裝形式為DIP-8，單片集成2路運算放大電路(以下簡稱“運放”)。3腳為正輸入端，2腳為負輸入端，1腳為輸出端。理想的集成運放正常工作時，2腳和3腳電壓相等，稱之為“虛短”；灌入芯片內(nèi)部的電流為零，稱之為“虛斷”。以U41為例，根據(jù)“虛短”則2腳電壓等于3腳電壓，因為1腳與2腳相連后電壓相等，所以1腳電壓等于3腳電壓，實現(xiàn)了信號采樣和放大功能。U42為比較器LM108，封裝形式為DIP-8，單片集成2路比較電路，正輸入端3腳，負輸入端2腳，輸出端1腳。如果2腳電壓高于3腳電壓，則比較器輸出低電平，反之則輸出高電平。Q18為三極管，起驅(qū)動信號放大作用。若鋰離子蓄電池電壓高于設定值，比較器輸出低電平，三極管Q18關(guān)斷，從而容量檢測子電路輸出低電平；若鋰離子蓄電池電壓低于設定值，比較器輸出高電平，三極管Q18接通，從而容量檢測子電路輸出高電平，即輸出容量保護信號。VCC43為+12V電源，電阻R32～R34、R37～R39起限流作用，阻值為1kΩ，電阻R35和R36起分壓作用，阻值分別為5.1kΩ、1kΩ，電阻R19、R31起負反饋作用，阻值為5.1kΩ。
保護使能子電路用于使能或禁止容量自主保護功能，保護使能子電路中，J9開關(guān)采用磁保持繼電器。初始狀態(tài)，繼電器J9斷開，容量保護電路無輸出。假設發(fā)送容量保護使能指令(J9_on)，繼電器J9觸點開關(guān)動作，3腳觸點和4腳觸點相連，6腳觸點和7腳觸點相連，接通容量保護信號傳輸通路，此時容量保護電路可正常輸出保護信號；若發(fā)送容量保護禁止指令(J9_off)，繼電器J9的3腳觸點和5腳觸點相連，6腳觸點和8腳觸點相連，斷開容量保護信號傳輸通路，此時容量保護電路無輸出。D16和D17為繼電器線包消反電動勢二極管，電阻R40起限流作用，阻值為100Ω，VCC44為+28V電源。
控制使能電路防止容量調(diào)節(jié)主電路發(fā)生誤動作，如圖1所示，J8開關(guān)采用磁保持繼電器，保護使能控制電路由電源、開關(guān)、電阻組成。初始狀態(tài)，繼電器斷開。假設發(fā)送控制使能指令(J8_on)，磁保持繼電器J8觸點開關(guān)動作，3腳觸點和4腳觸點相連，6腳觸點和7腳觸點相連，此時磁保持繼電器J7的線包a和b上電，J7可正常接受遙控指令執(zhí)行容量調(diào)節(jié)和停止調(diào)節(jié)動作。若發(fā)送控制禁止指令(J8_off)，磁保持繼電器J8的3腳觸點和5腳觸點相連，6腳觸點和8腳觸點相連，磁保持繼電器J7的線包a和b斷電，J7不能正常接受遙控指令因而無法動作。D12和D13為繼電器線包消反電動勢二極管，電阻R29和R30起限流作用，阻值為100Ω，VCC42為+28V電源。
工作原理：
本發(fā)明電路包括容量調(diào)節(jié)主電路、容量保護電路和控制使能電路；容量調(diào)節(jié)主電路與鋰離子蓄電池的配置數(shù)量一致，該電路并聯(lián)在對應鋰離子蓄電池的正負兩端，通過開啟調(diào)節(jié)動作和停止調(diào)節(jié)動作完成對鋰離子蓄電池的容量調(diào)節(jié)，開啟調(diào)節(jié)動作在控制使能電路使能前提下可通過地面遙控指令實現(xiàn)，停止調(diào)節(jié)動作在控制使能電路使能前提下可通過地面遙控指令實現(xiàn)，也可在控制使能電路使能和容量保護電路中保護使能子電路使能前提下通過容量保護電路輸出的控制信號實現(xiàn)，以避免地面遙控指令未能及時發(fā)送造成鋰離子蓄電池電壓低于安全閾值。容量保護電路包括容量檢測子電路和保護使能子電路，容量檢測子電路用于檢測鋰離子蓄電池電壓，一旦鋰離子蓄電池電壓低于設定值，容量檢測子電路輸出保護信號到保護使能子電路；保護使能子電路對容量檢測子電路輸出的保護信號進行約束，若保護使能子電路使能，則保護使能子電路輸出控制信號，并作為容量保護電路輸出的控制信號送至容量調(diào)節(jié)主電路；控制使能電路對容量調(diào)節(jié)主電路的開啟調(diào)節(jié)動作和停止調(diào)節(jié)動作進行約束，在控制使能電路禁止狀態(tài)，容量調(diào)節(jié)主電路的開啟調(diào)節(jié)動作和停止調(diào)節(jié)動作均不能實現(xiàn)。
本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領域技術(shù)人員的公知技術(shù)。