專利名稱：鋰離子蓄電池組充電反饋控制系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航天電源控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋰離子蓄電池組充電反饋控制系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
鋰離子蓄電池是指以Li+嵌入化合物作為正、負(fù)極活性物質(zhì)的二次電池。與傳統(tǒng)的鋅銀電池、鎘鎳、氫鎳蓄電池相比，鋰離子蓄電池的比能量高、工作電壓高、應(yīng)用溫度范圍廣、自放電率低、循環(huán)壽命長、安全性好。因此，在航天領(lǐng)域中，鋰離子蓄電池成為替代目前主流應(yīng)用的鎘鎳、氫鎳蓄電池的第三代衛(wèi)星用儲能電源。如果用鋰離子電池取代目前衛(wèi)星等航天器所用的儲能電源，可將儲能電源在電源分系統(tǒng)中所占的質(zhì)量由30% 40%降低至 10% 15%，大大降低發(fā)射成本，增加有效載荷。正確合理地使用鋰離子蓄電池組，可以有效延長鋰離子蓄電池的使用壽命，防止安全事故的發(fā)生。鋰離子電池與鎘鎳、氫鎳蓄電池相比，有一個最大的不同點鋰離子蓄電池嚴(yán)禁過充電,深度過充會導(dǎo)致電池內(nèi)部有機電解液分解成氣體,蓄電池發(fā)熱,蓄電池殼體變形，甚至殼體爆裂。通常采用電子線路來保證鋰離子蓄電池的充電終壓始終限定在規(guī)定的范圍內(nèi)，以避免充電電壓過大對鋰離子蓄電池造成不可恢復(fù)的損害。因此必須設(shè)計專門的充電管理電路來控制衛(wèi)星鋰離子蓄電池的充電過程。目前衛(wèi)星用鋰離子蓄電池的充電控制多采用衛(wèi)星電源系統(tǒng)下位機程序?qū)崿F(xiàn)，其充電控制過程復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鋰離子蓄電池組充電反饋控制系統(tǒng)及其控制方法，電路結(jié)構(gòu)簡單、易于工程實現(xiàn)。為了達(dá)到上述的目的，本發(fā)明提供一種鋰離子蓄電池組充電反饋控制系統(tǒng)，其特征在于，包括蓄電池組電壓采樣電路、蓄電池單體電壓采樣電路、比較電路、蓄電池單體反饋開關(guān)、第一二極管和第二二級管；所述蓄電池組電壓采樣電路與蓄電池組的正、負(fù)極連接，采集蓄電池組的電壓作為整組充電電壓反饋輸出；對于每個蓄電池單體均設(shè)置一個蓄電池單體電壓采樣電路，所述蓄電池單體電壓采樣電路與對應(yīng)蓄電池單體的正、負(fù)極連接，用于采集對應(yīng)蓄電池單體的電壓；所述比較電路與所述蓄電池單體電壓采樣電路連接，用于比較各個蓄電池單體的電壓，并取最大的蓄電池單體電壓作為單體充電電壓反饋輸出；所述蓄電池單體反饋開關(guān)分別與所述比較電路和航天器控制系統(tǒng)連接，航天器控制系統(tǒng)向所述蓄電池單體反饋開關(guān)發(fā)送單體反饋開關(guān)指令，控制所述蓄電池單體反饋開關(guān)的通斷；所述第一二極管的輸入端與所述蓄電池單體反饋開關(guān)連接，所述第二二極管的輸入端與所述蓄電池組電壓采樣電路連接，所述第一二極管及第二二極管的輸出端均與充電電路連接。本發(fā)明提供的另一技術(shù)方案是一種鋰離子蓄電池組充電反饋控制方法，采用上述鋰離子蓄電池組充電反饋控制系統(tǒng)，包括以下步驟通過設(shè)置蓄電池組電壓采樣電路和蓄電池單體電壓采樣電路內(nèi)各元件參數(shù)，使正常工作狀態(tài)下整組充電電壓反饋略小于單體充電電壓反饋；在正常工作狀態(tài)下，所述第二二級管反偏截止，所述第一二級管正向?qū)ǎ瑔误w充電電壓反饋主導(dǎo)充電控制；當(dāng)單體充電電壓反饋出現(xiàn)過高故障時，航天器控制系統(tǒng)向蓄電池單體反饋開關(guān)K發(fā)送斷開指令，蓄電池單體反饋開關(guān)斷開，使第一二極管反偏截止，第二二極管正向?qū)?，整組充電電壓反饋主導(dǎo)充電控制；當(dāng)有特殊需求時，航天器控制系統(tǒng)向蓄電池單體反饋開關(guān)發(fā)送導(dǎo)通指令，使蓄電池單體反饋開關(guān)切回初始狀態(tài)；當(dāng)單體充電電壓反饋出現(xiàn)過低故障時，整組充電電壓反饋高于單體充電電壓反饋，所述第一二級管反偏截止，所述第二二級管正向?qū)ǎM充電電壓反饋主導(dǎo)充電控制。上述鋰離子蓄電池組充電反饋控制方法，其中，單體充電電壓反饋主導(dǎo)充電控制過程當(dāng)單體充電電壓反饋小于基準(zhǔn)電壓時，所述充電電路的脈寬調(diào)制電路全脈寬輸出，所述充電電路對各個蓄電池單體進行限流充電；當(dāng)單體充電電壓反饋大于基準(zhǔn)電壓時，所述充電電路的脈寬調(diào)制電路輸出一定占空比的方波，所述充電電路對各個蓄電池單體進行恒壓充電。上述鋰離子蓄電池組充電反饋控制方法，其中，整組充電電壓反饋主導(dǎo)充電控制 過程當(dāng)整組充電電壓反饋小于基準(zhǔn)電壓時，所述充電電路的脈寬調(diào)制電路全脈寬輸出，所述充電電路對各個蓄電池單體進行限流充電；當(dāng)整組充電電壓反饋大于基準(zhǔn)電壓時，所述充電電路的脈寬調(diào)制電路輸出一定占空比的方波，所述充電電路對各個蓄電池單體進行恒壓充電。本發(fā)明具有如下技術(shù)效果
1)本發(fā)明的鋰離子蓄電池組充電反饋控制系統(tǒng)及其控制方法，同時具有鋰離子蓄電池單體限壓保護及鋰離子蓄電池整組限壓保護的功能，提高了鋰離子蓄電池組充電控制的可靠性；
2)本發(fā)明的鋰離子蓄電池組充電反饋控制系統(tǒng)及其控制方法，通過電路參數(shù)配置使正常工作狀態(tài)下單體充電電壓反饋主導(dǎo)充電控制，即優(yōu)先執(zhí)行鋰離子蓄電池單體保護；
3)本發(fā)明的鋰離子蓄電池組充電反饋控制系統(tǒng)及其控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)單體充電電壓反饋切除及恢復(fù)的功能，避免了蓄電池單體采樣電路失效所引起的充電異常情況，進一步提高了充電控制的可靠性；
4)本發(fā)明的鋰離子蓄電池組充電反饋控制系統(tǒng)及其控制方法，由模擬電路實現(xiàn)鋰離子蓄電池充電控制器功能，電路結(jié)構(gòu)簡單易實現(xiàn)且可靠性高，克服了由電源系統(tǒng)下位機程序?qū)崿F(xiàn)充電控制過程復(fù)雜的缺點，對衛(wèi)星用鋰離子蓄電池管理具有重要的工程價值。


本發(fā)明的鋰離子蓄電池組充電反饋控制系統(tǒng)及其控制方法由以下的實施例及附圖給出。圖I是本發(fā)明實施例的鋰離子蓄電池組充電反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中單體充電電壓反饋過高故障保護實現(xiàn)過程示意圖。圖3是本發(fā)明中單體充電電壓反饋過低故障保護實現(xiàn)過程示意圖。
具體實施方式
以下將結(jié)合圖I 圖3對本發(fā)明的鋰離子蓄電池組充電反饋控制系統(tǒng)及其控制方法作進一步的詳細(xì)描述。參見圖1，本實施例的鋰離子蓄電池組充電反饋控制系統(tǒng)包括蓄電池組電壓采樣電路I、蓄電池單體電壓采樣電路2、比較電路3、蓄電池單體反饋開關(guān)K、第一二極管Dl和第二二級管D2 ；
所述蓄電池組電壓采樣電路I與蓄電池組的正、負(fù)極連接，采集蓄電池組的電壓作為整組充電電壓反饋輸出；
對于每個蓄電池單體均設(shè)置一個蓄電池單體電壓采樣電路2，所述蓄電池單體電壓采樣電路2與對應(yīng)蓄電池單體的正、負(fù)極連接，用于采集對應(yīng)蓄電池單體的電壓；
所述比較電路3與所述蓄電池單體電壓采樣電路2連接，用于比較各個蓄電池單體的電壓，并取最大的蓄電池單體電壓作為單體充電電壓反饋輸出； 所述蓄電池單體反饋開關(guān)K分別與所述比較電路3和航天器控制系統(tǒng)(圖I中未示)連接，航天器控制系統(tǒng)向所述蓄電池單體反饋開關(guān)K發(fā)送單體反饋開關(guān)指令，可控制所述蓄電池單體反饋開關(guān)K的通斷；
所述第一二極管Dl的輸入端與所述蓄電池單體反饋開關(guān)K連接，所述第二二極管D2的輸入端與所述蓄電池組電壓采樣電路I連接，所述第一二極管Dl及第二二極管D2的輸出端均與充電電路4連接。航天器控制系統(tǒng)可向蓄電池單體反饋開關(guān)K發(fā)送單體反饋開關(guān)控制指令(斷開指令或者導(dǎo)通指令)，控制蓄電池單體反饋開關(guān)K的通斷，即單體反饋開關(guān)控制指令具有單體充電電壓反饋切斷與恢復(fù)的功能，用于防止蓄電池單體電壓采樣電路失效。所述蓄電池組電壓采樣電路I采集蓄電池組的電壓，并輸出整組充電電壓反饋，各個蓄電池單體電壓采樣電路2采集對應(yīng)蓄電池單體的電壓并輸送給所述比較電路3，所述比較電路3比較各個蓄電池單體的電壓，并取最大的蓄電池單體電壓作為單體充電電壓反饋輸出；所述蓄電池單體反饋開關(guān)K的初始狀態(tài)為導(dǎo)通狀態(tài)，若單體充電電壓反饋高于整組充電電壓反饋，所述第一二級管Dl正向?qū)?，所述第二二級管D2反偏截止，單體充電電壓反饋經(jīng)所述蓄電池單體反饋開關(guān)K和第一二級管Dl輸送給所述充電電路4，由單體充電電壓反饋主導(dǎo)充電控制，若整組充電電壓反饋高于單體充電電壓反饋，所述第一二級管Dl反偏截止，所述第二二級管D2正向?qū)?，整組充電電壓反饋經(jīng)所述第二二級管D2輸送給所述充電電路4，由整組充電電壓反饋主導(dǎo)充電控制；當(dāng)航天器控制系統(tǒng)向所述蓄電池單體反饋開關(guān)K發(fā)送斷開指令，所述蓄電池單體反饋開關(guān)K斷開，使所述第一二級管Dl反偏截止，所述第二二級管D2正向?qū)?，由整組充電電壓反饋主導(dǎo)充電控制；航天器控制系統(tǒng)也可向所述蓄電池單體反饋開關(guān)K發(fā)送導(dǎo)通指令，使斷開的蓄電池單體反饋開關(guān)K恢復(fù)初始狀態(tài)。本實施例中，所述蓄電池組電壓采樣電路I、蓄電池單體電壓采樣電路2、比較電路3均采用現(xiàn)有技術(shù)。本實施例的鋰離子蓄電池組充電反饋控制方法，采用上述鋰離子蓄電池組充電反饋控制系統(tǒng)，包括以下步驟
I)設(shè)置電路參數(shù)；
通過設(shè)置蓄電池組電壓采樣電路I和蓄電池單體電壓采樣電路2內(nèi)各元件參數(shù)(例如分壓電阻阻值)，使正常工作狀態(tài)下整組充電電壓反饋略小于單體充電電壓反饋，即蓄電池組電壓采樣電路I和蓄電池單體電壓采樣電路2均通過電阻分壓方式對采集的電壓進行調(diào)節(jié);
例如，蓄電池單體所允許的最大電壓為4. IV，蓄電池組包含η個蓄電池單體，蓄電池單體采樣電路2通過電阻分壓方式將采集的電壓調(diào)至為2. 5V (通過設(shè)置電路各元件參數(shù)實現(xiàn))，蓄電池組電壓采樣電路I通過電阻分壓方式將采集的電壓調(diào)至為略低于2. 5V(通過設(shè)置電路各元件參數(shù)實現(xiàn))，使正常工作情況下整組充電電壓反饋略小于單體最高充電電壓反饋；
2)充電控制方式
在正常工作狀態(tài)下，整組充電電壓反饋略小于單體充電電壓反饋，所述第二二級管D2反偏截止，所述第一二級管Dl正向?qū)?，單體充電電壓反饋主導(dǎo)充電控制；所述充電電路 4采用脈寬調(diào)制控制方式，當(dāng)單體充電電壓反饋小于基準(zhǔn)電壓時，所述充電電路4的脈寬調(diào)制電路全脈寬輸出，所述充電電路4對各個蓄電池單體進行限流充電；當(dāng)單體充電電壓反饋大于基準(zhǔn)電壓時，所述充電電路4的脈寬調(diào)制電路輸出一定占空比的方波，通過所述充電電路4的驅(qū)動電路使所述充電電路4的功率管工作在預(yù)定的開關(guān)狀態(tài)，所述充電電路4轉(zhuǎn)入恒壓充電方式；
本實施例中，基準(zhǔn)電壓設(shè)為2. 5V。本發(fā)明的鋰離子蓄電池組充電反饋控制系統(tǒng)具備單體充電電壓反饋切除及恢復(fù)的功能，用于防止蓄電池單體采樣電路出現(xiàn)故障。通過FMEA分析，單體采樣電路短路故障可能導(dǎo)致單體反饋輸出12V或0V，從而出現(xiàn)單體充電電壓反饋過高或過低兩種故障情況
當(dāng)單體充電電壓反饋出現(xiàn)過高故障時，航天器控制系統(tǒng)通過遙測信號檢測到單體電壓反饋信號過高，并向蓄電池單體反饋開關(guān)K發(fā)送斷開指令，蓄電池單體反饋開關(guān)K斷開，使第一二極管Dl反偏截止，此時，整組充電電壓反饋高于低電平，使第二二極管D2正向?qū)?，整組充電電壓反饋主導(dǎo)充電控制；當(dāng)整組充電電壓反饋小于基準(zhǔn)電壓時，所述充電電路的脈寬調(diào)制電路全脈寬輸出，所述充電電路對各個蓄電池單體進行限流充電；當(dāng)整組充電電壓反饋大于基準(zhǔn)電壓時，所述充電電路的脈寬調(diào)制電路輸出一定占空比的方波，所述充電電路對各個蓄電池單體進行恒壓充電，如圖2所示。當(dāng)有特殊需求時，如蓄電池單體反饋開關(guān)斷開指令誤觸發(fā)情況下，航天器控制系統(tǒng)向蓄電池單體反饋開關(guān)K發(fā)送導(dǎo)通指令，使蓄電池單體反饋開關(guān)K切回初始狀態(tài)。當(dāng)單體充電電壓反饋出現(xiàn)過低故障時，整組充電電壓反饋高于單體充電電壓反饋，所述第一二級管Dl反偏截止，所述第二二級管D2正向?qū)?，整組充電電壓反饋主導(dǎo)充電控制當(dāng)整組充電電壓反饋小于基準(zhǔn)電壓時，所述充電電路的脈寬調(diào)制電路全脈寬輸出，所述充電電路對各個蓄電池單體進行限流充電；當(dāng)整組充電電壓反饋大于基準(zhǔn)電壓時，所述充電電路的脈寬調(diào)制電路輸出一定占空比的方波，所述充電電路對各個蓄電池單體進行恒壓充電。此時，蓄電池單體反饋開關(guān)K處于導(dǎo)通狀態(tài)，如圖3所示。根據(jù)以上所述，便可以實現(xiàn)本發(fā)明。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本發(fā)明的精神和保護范圍的情況下做出的其它的變化和修改，仍包括在本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種鋰離子蓄電池組充電反饋控制系統(tǒng)，其特征在于，包括蓄電池組電壓采樣電路、蓄電池單體電壓采樣電路、比較電路、蓄電池單體反饋開關(guān)、第一二極管和第二二級管； 所述蓄電池組電壓采樣電路與蓄電池組的正、負(fù)極連接，采集蓄電池組的電壓作為整組充電電壓反饋輸出； 對于每個蓄電池單體均設(shè)置一個蓄電池單體電壓采樣電路，所述蓄電池單體電壓采樣電路與對應(yīng)蓄電池單體的正、負(fù)極連接，用于采集對應(yīng)蓄電池單體的電壓； 所述比較電路與所述蓄電池單體電壓采樣電路連接，用于比較各個蓄電池單體的電壓，并取最大的蓄電池單體電壓作為單體充電電壓反饋輸出； 所述蓄電池單體反饋開關(guān)分別與所述比較電路和航天器控制系統(tǒng)連接，航天器控制系統(tǒng)向所述蓄電池單體反饋開關(guān)發(fā)送單體反饋開關(guān)指令，控制所述蓄電池單體反饋開關(guān)的通斷； 所述第一二極管的輸入端與所述蓄電池單體反饋開關(guān)連接，所述第二二極管的輸入端與所述蓄電池組電壓采樣電路連接，所述第一二極管及第二二極管的輸出端均與充電電路連接。
2.一種鋰離子蓄電池組充電反饋控制方法，其特征在于，采用權(quán)利要求I所述的鋰離子蓄電池組充電反饋控制系統(tǒng)，包括以下步驟 通過設(shè)置蓄電池組電壓采樣電路和蓄電池單體電壓采樣電路內(nèi)各元件參數(shù)，使正常工作狀態(tài)下整組充電電壓反饋略小于單體充電電壓反饋； 在正常工作狀態(tài)下，所述第二二級管反偏截止，所述第一二級管正向?qū)?，單體充電電壓反饋主導(dǎo)充電控制； 當(dāng)單體充電電壓反饋出現(xiàn)過高故障時，航天器控制系統(tǒng)向蓄電池單體反饋開關(guān)發(fā)送斷開指令，蓄電池單體反饋開關(guān)斷開，使第一二極管反偏截止，第二二極管正向?qū)?，整組充電電壓反饋主導(dǎo)充電控制；當(dāng)有特殊需求時，航天器控制系統(tǒng)向蓄電池單體反饋開關(guān)發(fā)送導(dǎo)通指令，使蓄電池單體反饋開關(guān)切回初始狀態(tài)； 當(dāng)單體充電電壓反饋出現(xiàn)過低故障時，整組充電電壓反饋高于單體充電電壓反饋，所述第一二級管反偏截止，所述第二二級管正向?qū)?，整組充電電壓反饋主導(dǎo)充電控制。
3.如權(quán)利要求2所述的鋰離子蓄電池組充電反饋控制方法，其特征在于，單體充電電壓反饋主導(dǎo)充電控制過程為當(dāng)單體充電電壓反饋小于基準(zhǔn)電壓時，所述充電電路的脈寬調(diào)制電路全脈寬輸出，所述充電電路對各個蓄電池單體進行限流充電；當(dāng)單體充電電壓反饋大于基準(zhǔn)電壓時，所述充電電路的脈寬調(diào)制電路輸出一定占空比的方波，所述充電電路對各個蓄電池單體進行恒壓充電。
4.如權(quán)利要求2所述的鋰離子蓄電池組充電反饋控制方法，其特征在于，整組充電電壓反饋主導(dǎo)充電控制過程當(dāng)整組充電電壓反饋小于基準(zhǔn)電壓時，所述充電電路的脈寬調(diào)制電路全脈寬輸出，所述充電電路對各個蓄電池單體進行限流充電；當(dāng)整組充電電壓反饋大于基準(zhǔn)電壓時，所述充電電路的脈寬調(diào)制電路輸出一定占空比的方波，所述充電電路對各個蓄電池單體進行恒壓充電。
全文摘要
本發(fā)明涉及鋰離子蓄電池組充電反饋控制系統(tǒng)及其控制方法，所述系統(tǒng)包括蓄電池組電壓采樣電路、蓄電池單體電壓采樣電路、比較電路、蓄電池單體反饋開關(guān)、第一二極管和第二二級管；所述蓄電池組電壓采樣電路采集蓄電池組的電壓作為整組充電電壓反饋輸出；所述蓄電池單體電壓采樣電路采集對應(yīng)蓄電池單體的電壓；所述比較電路比較各個蓄電池單體的電壓，并取最大的蓄電池單體電壓作為單體充電電壓反饋輸出；所述蓄電池單體反饋開關(guān)分別與所述比較電路和航天器控制系統(tǒng)連接，所述第一二極管的輸入端與所述蓄電池單體反饋開關(guān)連接，所述第二二極管的輸入端與所述蓄電池組電壓采樣電路連接，所述第一二極管及第二二極管的輸出端均與充電電路連接。
文檔編號H02J7/00GK102882251SQ20121035865
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者周健, 張婷婷, 劉勇, 錢斌, 許峰, 魏旺 申請人:上?？臻g電源研究所