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分析| 锂离子蓄电池组在轨自主均衡的设计与应用

时间:  2020-08-19 16:44   来源:  《电源技术》杂志    作者:  网络转载

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导读

本文针对某型号中高轨卫星锂离子蓄电池组在轨均衡管理问题,提出了软件自主均衡、硬件自主均衡和地面指令均衡相结合的在轨均衡管理方案,并对自主均衡设计进行了阐述。
 

锂离子蓄电池发展于20世纪90年代,具有比能量高、充放电效率高、无记忆效应等特点,采用锂离子蓄电池替代氢镍电池及镉镍电池,可大大减小航天器的尺寸及质量、提高比功率。目前锂离子蓄电池已成为航天器储能装置的主流发展方向。

锂离子蓄电池在轨使用时,多采用若干单体电池串联组成蓄电池组的方式来满足不同的电压要求。由于电池组内单体电池的充电效率及自放电等特性的差异,在轨长期充放电过程中会使单体电池间荷电状态产生明显差异,造成单体电池离散性增大,导致部分单体电池发生过充、过放现象,使电池性能产生不可恢复的损害,严重影响电池的寿命及可靠性。因此,对于长寿命卫星的锂离子蓄电池组,必须设计均衡管理功能,提高卫星的寿命及可靠性。

均衡的基本原理是将电压高的单体电池进行分流,从而减小单体电压差,实现蓄电池组单体的均衡。按照过程中能量消耗情况,可将均衡方法分为能量耗散型和能量非耗散型。国内在轨均衡管理多采用耗散型,包括定时均衡、定电压均衡、定电压差均衡、平均电池电压等方法都已实现在轨应用,但各自存在优缺点,无法直接满足工程应用。

某型号中高轨卫星锂离子蓄电池组由编号为1~9的9节单体电池组成,为满足其在轨长寿命使用要求,保证单体电池在卫星寿命期间性能的一致性,本文设计了软件自主均衡、硬件自主均衡和地面指令均衡相结合的均衡管理方案。自主均衡功能设计如图1所示,该设计具有自主性及可靠性高的优势。该方案采用通断与单体电池并联的分流电阻的方法实现均衡,由均衡执行电路完成。软件自主均衡采用定电压差均衡方法[1],由下位机软件控制,通过软件自主均衡算法实现。硬件自主均衡采用平均电池电压均衡方法[5],通过硬件自主均衡电路实现。地面指令均衡功能通过接收来自总线的遥控指令直接实现对某单体电池的均衡分流控制。不同均衡指令信号通过二极管实现隔离。

软件、硬件自主均衡均可实现在轨自主均衡管理,无需地面干预。软件、硬件自主均衡均设置均衡控制管理,实现对均衡功能的使能及禁止。均衡功能默认为软件自主均衡,若软件均衡失效,则开启硬件自主均衡,必要时使用地面指令均衡直接对某单体电池进行分流,这种设计提高了产品的可靠性。

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图1  自主均衡功能设计

1、自主均衡设计

自主均衡设计包括信号采样电路设计及图1的自主均衡功能设计。图2为信号采样电路原理框图,采集变换的蓄电池组电压及单体电池电压数据,用于后续自主均衡控制及提供遥测数据。考虑软件自主均衡要求,设计采样精度为10 mV。

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图2  信号采样电路

图3为均衡执行电路,分别接收软件均衡指令、地面遥控指令、硬件均衡指令的控制,驱动分流三极管的导通与断开,控制分流电阻与单体电池回路的接通与断开,从而达到控制分流的作用。每节单体电池对应独立的均衡执行电路。该电路的前级驱动通过集电极开路与非门(即OC门)实现,自主均衡指令控制OC门通断来控制均衡。均衡指令信号高时,OC门导通,控制后级分流;均衡信号低时,OC门高阻,后级不分流。一级驱动通过2个三极管组成复合管驱动放大电路,保证后级分流旁路三极管能饱和导通;后级三极管采用两个串联的设计,防止三极管短路失效故障。

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图3  均衡执行电路

如图4所示,下位机采集变换后的单体电池电压数据,通过软件自主均衡算法完成软件自主均衡。首先找出最大最小单体电压并标记,若电压差大于60 mV则开启软件均衡功能;然后判断每节单体电池电压与最小单体电池电压差,若电压差大于20 mV,则开启相应单体电池的均衡分流功能,若电压差小于10 mV,则关断相应单体电池的均衡分流功能;若各单体电池电压与最小单体电池电压差均小于10 mV,则均衡停止,再次开启均衡需从头进行循环判断,从而实现自主均衡。另外,设置了软件均衡控制管理(图1),软件均衡禁止时,锁存电路输出端保持为默认低电平状态,所有分流回路断开;软件自主均衡使能后,下位机控制锁存电路输出分流控制信号,实现对相应单体电池的分流。

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图4  软件自主均衡流程图

硬件自主均衡控制功能与软件自主均衡共用均衡执行电路,每节单体电池对应独立的比较电路和反馈电路。图5为硬件均衡电路,完成单体电池电压与平均单体电池电压的比较,差值大于20 mV时,比较器输出高电平,相应单体分流开启;差值小于5 mV时,比较器输出低电平,相应单体分流停止。另外设计了控制电路,硬件自主均衡禁止时,硬件均衡指令信号被三极管拉至低电平,均衡分流回路断开。

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图5  硬件均衡电路

地面指令均衡通过下位机接收到的总线指令直接实现对某单体电池的分流控制,与其他均衡方法相比无电压差判断过程,具有效率高的优势。

2、在轨自主均衡应用分析

某型号卫星在轨处于光照期时,蓄电池组工作在搁置工况,要求维持蓄电池组70%~80%荷电态,对应蓄电池组电压为35.10~35.55 V,单体电池电压3.9~3.95 V,如图6所示。

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 (a)蓄电池组电压                (b)蓄电池单体电压
图6 在轨搁置工况蓄电池电压

图7为单体分流状态,0代表不分流,1代表分流。在轨运行期间,由于空间环境干扰,该卫星蓄电池单体1~5被分流;一段时间后地面发送软件自主均衡使能指令,均衡状态由禁止变为允许即由0变1;随后单体6~9按照软件自主均衡算法,自主循环进行单体均衡分流操作,直至满足均衡停止条件而停止均衡,分流状态变为0。本文软件自主均衡设计为每60 s进行一次分流条件判断,因此,图7(b)中的单体分流状态变化频率较高,呈矩形。

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(a)单体1~5               (b)单体6~9
图7 蓄电池组单体分流状态

图8为整个在轨自主均衡过程中蓄电池组单体电压变化情况。首先蓄电池单体1~5分流,相应单体电池电压减小,为满足搁置工况下整星对蓄电池整组电压(35.10~35.55 V)的设计要求,电源系统对其他单体电池进行充电,导致单体电压差增大并超过60 mV,峰值时刻设置软件自主均衡使能,自主均衡开启。随后由于单体6~9与最小单体电压差大于20 mV开始分流,相应单体电压减小,其他单体电压充电增大,单体电压差逐渐减小;直到各单体电压与最小单体电压差均小于10 mV后均衡分流停止,均衡停止时单体6~9与最小单体电压差分别为9.8、9.8、9.8、7.3 mV。而后蓄电池单体离散性一直小于60 mV,自主均衡未重新开启。在轨自主均衡过程中蓄电池组电压始终满足搁置工况要求,在轨工作正常,如图9所示。

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(a)蓄电池单体电压                 (b)与最小单体电压差
图8 在轨自主均衡过程中单体电压变化
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图9 在轨自主均衡过程中蓄电池整组电压变化

如图10所示,进行了蓄电池组单体电压差均衡前后对比,可见自主均衡处理后,蓄电池组单体电压一致性良好,单体电压离散性得到了控制,自主均衡效果良好。

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(a)均衡前电压差                    (b)均衡后电压差
图10 均衡前后蓄电池组单体电压离散性对比

以上均衡应用结果表明软件自主均衡在轨功能正常,验证了蓄电池组在轨自主均衡及均衡执行电路设计的正确性和有效性。由于该设计默认为软件自主均衡,因此未进行硬件自主均衡的在轨应用验证。自主均衡功能验证成功后,该卫星软件自主均衡功能一直设置为使能,蓄电池组单体状态至今良好。

3、结 论

本文对某型号卫星锂离子蓄电池组在轨自主均衡设计进行了阐述,对自主均衡功能在轨应用的过程及结果进行了分析。通过在轨自主均衡应用,成功实现了对9节串联锂离子蓄电池组的自主均衡管理,验证了在轨自主均衡设计的正确性、有效性。本文为锂离子蓄电池组在轨自主均衡管理提供了设计及应用参考,具有重要的工程实践意义。
 

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