本發(fā)明設(shè)計電池領(lǐng)域，具體涉及一種低軌航天器用高壓鋰離子電池均衡控制裝置。

技術(shù)領(lǐng)域

屬于航天用鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種低飛行軌道航天器用高壓鋰離子蓄電池組單體均衡控制技術(shù)。

背景技術(shù)：

鋰離子電池具有比能量高、循環(huán)壽命長、自放電率低、可快速充電等優(yōu)點，是較為理想的電源，目前在航天和軍事領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。單節(jié)鋰離子電池單體無法滿足低軌航天器高電壓和高容量兩方面的需求，一般都是通過電池單體的串并聯(lián)組合來解決這一問題，但由于電池組各單體間存在內(nèi)阻、自放電率、容量衰減率等固有差異，使得電池在長時間充放電循環(huán)過程中，電池組內(nèi)各單體電壓差異越來越大并呈離散發(fā)散趨勢，從而導(dǎo)致整組電池壽命大大縮短甚至失效。

為延長低軌航天器用鋰離子電池使用壽命，必須保證各電池單體電壓的一致性，使單體電壓偏差始終維持在一定范圍內(nèi)。因此，鋰離子電池均衡控制技術(shù)是低軌航天器電池組應(yīng)用的關(guān)鍵和技術(shù)難點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種低軌航天器用高壓鋰離子電池均衡控制裝置，在電池組充電過程中對電池單體電壓進行均衡控制調(diào)整，保證電池單體電壓的一致性，有效解決低軌航天器用高壓鋰離子電池單體在長時間充放電循環(huán)過程中單體差異問題，提高電池使用壽命。

本發(fā)明采取軟硬件聯(lián)合設(shè)計方式，將鋰離子電池單體電壓采集信號實時送給CPU控制電路進行處理，再根據(jù)CPU判斷結(jié)果輸出均衡控制信號以驅(qū)動均衡電路，從而對電池單體電壓進行均衡控制調(diào)整。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：一種低軌航天器用高壓鋰離子電池均衡控制裝置，包括：單體電壓采集電路（2），CPU控制電路（3），指令隔離電路（4），均衡驅(qū)動電路（5）和均衡電路（6）；其特征在于：所述單體電壓采集電路（2）根據(jù)CPU控制電路（3）提供的選通控制信號實時對高壓鋰離子電池內(nèi)各單體電壓進行采集，并將采集的電壓實時送給CPU控制電路（3）處理；CPU控制電路（3）輸出端經(jīng)指令隔離電路（4）隔離后與均衡驅(qū)動電路（5）輸出端連接，均衡驅(qū)動電路（5）均衡電路（6）連接。

優(yōu)選地，單體電壓采集電路（2）根據(jù)CPU控制電路（3）提供的選通控制信號實時對高壓鋰離子電池組（1）內(nèi)各單體電壓進行采集，并將采集的電壓實時送給CPU控制電路（3）處理，CPU控制電路（3）每2s對采集到的單體電壓進行從小到大排序并比較，當(dāng)連續(xù)3次判斷單體電壓最大值與最小值壓差大于60mV時，則產(chǎn)生該單體均衡指令，經(jīng)指令隔離電路（4）隔離后輸出給均衡驅(qū)動電路（5），驅(qū)動均衡電路（6）對相應(yīng)單體電壓進行均衡調(diào)整，當(dāng)相應(yīng)單體電壓與最小值壓差小于60mV時，發(fā)送關(guān)閉均衡指令停止對該單體進行均衡，直至所有電池單體電壓一致均勻。

本發(fā)明提出的均衡控制技術(shù)中：主備份單體電壓采集電路和主備份CPU控制電路互為冷備份，當(dāng)主份故障時可通過發(fā)送切換指令切至備份；主備份均衡指令之間通過指令隔離電路（4）中的二極管進行隔離輸出。

在均衡過程中，連續(xù)3次滿足判斷條件后才進行均衡控制且每次完成控制后對判斷次數(shù)進行清零，避免單體采集參數(shù)抖動的影響。

均衡的同時對單體進行故障診斷，排除有故障的電池單體，使有故障的電池單體不參與均衡判斷，防止某節(jié)電池單體故障恒低時對其他單體產(chǎn)生誤均衡操作，可有效提高均衡控制技術(shù)的可靠性。

附圖說明

圖1是低軌航天器用高壓鋰離子電池均衡控制裝置電路連接框圖；

圖2是均衡隔離電路、均衡驅(qū)動電路和均衡電路圖；

圖3是CPU控制電路的程序流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明：

圖1中：K1~Kn+1為均衡開關(guān)；R1~Rn+1為均衡電阻；B1~Bn+1為電池單體；+為電池組正；-為電池組負(fù)；1為高壓鋰離子電池組；2為單體電壓采集電路；3為CPU控制電路；4為指令隔離電路；5為均衡驅(qū)動電路；6為均衡電路。

圖2中：單體+、電池單體正；單體-、電池單體負(fù)；V1~V2、3CD3F；V3~V4、3DG182E；R1~R5、電阻；D1~D2、BZ15F。

高壓鋰離子電池組1由2個模塊共22節(jié)電池單體串聯(lián)組成，電池組電壓范圍為79.2V~92.4V，其中單體1~11組成模塊1，單體12~22組成模塊2。

單體電壓采集電路2和CPU控制電路3采用主備份設(shè)計，可滿足低軌航天器高可靠性要求。其中，單體電壓采集電路（2）采用精密電阻分壓方式實現(xiàn)，單體電壓采樣輸出為0~5V電壓信號，誤差小于±5mV；CPU控制電路3將電池單體電壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進行處理，前端跟隨電路采用高精度運放ADOP07，A/D轉(zhuǎn)換器采用12位并行高速A/D芯片AD574，控制器采用80C32微控制器，與單體電壓采集電路2連接，采集各單體電壓?？刂破髅?s對采集的22節(jié)單體電壓進行從小到大排序并對電壓最大值與最小值壓差進行計算，當(dāng)連續(xù)3次判斷某單體與最小值壓差大于60mV時，輸出高電平均衡開通指令。

指令隔離電路4采用隔離二極管BZ15F，見圖2中D1~D2，實現(xiàn)主備份均衡指令的隔離輸出，提高均衡控制的可靠性。

均衡驅(qū)動電路5采用兩級三極管進行均衡開通控制，保證有均衡開通指令時均衡電路能可靠開通工作。其中，第一級采用NPN型三極管3DG182E，見圖2中V3~V4，第二級采用PNP型三極管3CK10G見圖2中V1~V2，經(jīng)兩級驅(qū)動，當(dāng)輸入高電平指令時，均衡電流通路打開，實現(xiàn)對電池單體的均衡調(diào)整。

均衡電路6采用電阻耗散式均衡方式，每個電池單體兩端均并聯(lián)有均衡電阻R5和均衡開關(guān)，均衡電阻R5選用RXG12-16Ω-5W繞線電阻，均衡開關(guān)由均衡驅(qū)動電路經(jīng)兩級三極管控制，每節(jié)電池單體電壓范圍為3.6~4.2V，兩PNP三極管導(dǎo)通飽和壓降約為0.3V，均衡電流在0.20625A~0.24375A之間，電阻功耗為0.68W~0.95W，能保證在一個均衡周期內(nèi)將電池維持在較一致的水平。

圖3為CPU控制電路3的程序流程圖，CPU控制電路實時對電池組內(nèi)22節(jié)單體電壓進行采集并對單體進行故障診斷，經(jīng)診斷為故障的單體不參與均衡控制以免造成單體的誤均衡，均衡控制僅在電池組充電狀態(tài)條件下進行，防止放電狀態(tài)下均衡造成的能力損耗破壞能力平衡，影響負(fù)載使用。

在均衡控制過程中對均衡開通單體數(shù)進行計數(shù)，最多允許開通7路均衡旁路，當(dāng)電池單體電壓最大值與最小值壓差超過60mV且均衡開通單體數(shù)不大于7時，開通對應(yīng)單體均衡旁路。

每一個充電周期結(jié)束，關(guān)閉所有均衡旁路，在下一個充電周期開始時對均衡單體數(shù)清零并重新對單體進行均衡判斷和控制。

過程中，為防止電壓抖動影響，軟件中采用了濾波處理措施，當(dāng)連續(xù)3次判斷某單體均滿足均衡開通條件時才執(zhí)行均衡開通指令。