航天鋰電池電源管理設(shè)計

曹程

摘 要：鋰電池作為新型能源開始進入航天電源產(chǎn)品逐漸替代鎘鎳電池，為了適應(yīng)鋰電池的使用特性，一套全新的鋰電池管理控制系統(tǒng)是確保鋰電池正常工作的關(guān)鍵，本文簡單分析了鋰電池的特點，研究了一套適應(yīng)于航天應(yīng)用的鋰電池電源管理系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：鋰電池；電源；均衡管理

1.引言

隨著人類科技的發(fā)展，航天已經(jīng)成為當今世界最具挑戰(zhàn)性的高科技領(lǐng)域之一。當前，電子器件產(chǎn)品的更新?lián)Q代仍然跟隨摩爾定律高速發(fā)展，飛行器的功能、性能不斷多樣化的同時，向航天電源產(chǎn)品提出了更高的要求，其中包括更大的能源儲備、更強的瞬時功率輸出、更長的使用時間。目前，第一代儲能電池以鎘鎳蓄電池及鎳氫電池作為航天電源中儲能產(chǎn)品，而隨著飛行器用電需求的增加，放電深度的不斷增加，嚴重影響了電池產(chǎn)品的使用壽命。因此，我們開始尋求新的儲能電池，在此大環(huán)境中，第二代電池產(chǎn)品鋰電池開始進入航天電源產(chǎn)品，逐漸替代第一代電池產(chǎn)品作為航天器的電源儲能產(chǎn)品，解決了航天電源中的能源短板，使得飛行器能具有更多的發(fā)展空間。

1.1航天電池

由于航天器需求的高速發(fā)展，要求儲能電源具有很高的性能，即具有高能量密度、高功率密度、長壽命、寬工作溫度范圍、高安全性與可靠性等特征，現(xiàn)有的第一代電池很難在性能上取得更多的突破，而新一代儲能電源鋰離子電池相較于第一代儲能電池相比，鋰離子電池具有如下特點：

（1）單體電池工作電壓高達3.7V，是鎘鎳電池的3倍，鎳氫電池的3倍；

（2）比能量大，最高可達150Wh/Kg，鎳氫電池的2倍。

（3）體積小，能量密度高，可達到400Wh/L。

（4）循環(huán)壽命長，循環(huán)次數(shù)可達1000次以上，在均衡充放電的情況下，使用年限可達5～10年，壽命約為鎘鎳電池的2倍。

（5）自放電率低。

（6）無記憶效應(yīng)，可以隨時隨地的進行充電，并且電池充放電深度對電池的壽命影響不大，可以全充全放。

2.航天器鋰電池管理控制系統(tǒng)

2.1航天電池管理需求

根據(jù)衛(wèi)星用電需求、軌道環(huán)境等要求對鋰電池的串并聯(lián)數(shù)進行設(shè)計，因此對多個串并聯(lián)組合的鋰電池均衡管理成為一個設(shè)計難題。電池管理系統(tǒng)主要負責控制電池組的充放電電流，電池組系統(tǒng)的基本功能主要有：

（1）電池數(shù)據(jù)采集；

（2）電池狀態(tài)監(jiān)控；

（3）電池安全管理；

（4）電池均衡管理；

（5）通信功能；

因此，通過硬件對蓄電池數(shù)據(jù)進行采集后，由軟件實現(xiàn)邏輯管理的方法在設(shè)計上能使得產(chǎn)品設(shè)計更為簡化和可靠。

2.2航天電池均衡管理軟件設(shè)計

2.2.1電池管理軟件介紹

數(shù)據(jù)采集與均衡控制任務(wù)是電池管理系統(tǒng)中優(yōu)先級最高的任務(wù)，也是系統(tǒng)中運行頻率最高的任務(wù)，正確的數(shù)據(jù)采集是電池管理系統(tǒng)正常運行的前提和基礎(chǔ)。由于電壓、電流和溫度的數(shù)據(jù)采樣頻率都不同，為了同時進行電壓、電流和溫度的采集，程序中設(shè)計了一個全局的計數(shù)器，每采樣一次電流值該計數(shù)器的值加1，當計數(shù)值達到電壓采樣周期時進行一次電壓采樣，達到溫度采樣周期時進行一次溫度采樣。這里所指的達到采樣周期指的是計數(shù)值滿足采樣周期的整數(shù)倍，例如對于周期為50us的電流采樣和周期就為lms的電壓采樣，計數(shù)值取20的整數(shù)倍。通過采集所得單體電壓、單體電流及電池塊溫度數(shù)據(jù)，對各單體SOC值進行計算，獲得各單體SOC值，然后通過各單體SOC值進行比較處理，送出相應(yīng)的控制信號控制均衡執(zhí)行電路對各單體電池進行SOC均衡。

由于航天產(chǎn)品中對產(chǎn)品可靠性的要求，因此在管理系統(tǒng)中需要設(shè)置安全保護電路，通過對安全數(shù)據(jù)參數(shù)的判斷，控制單體充放電回路，從而避免電池過充或過放，起到保護電池單體延長電池使用壽命的作用。

2.2.2采樣數(shù)據(jù)管理設(shè)計

作為鋰電池均衡管理，控制系統(tǒng)的很多控制命令都依賴于電池的SOC情況，因此，我們需要對各單體的SOC值進行估算。根據(jù)鋰電池的單體特性，可采用兩種手段相結(jié)合的方法對單體的SOC值進行估算，即電壓查表法與電流積分法。首先，通過對單體電池的靜態(tài)電壓進行采集，將采集的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的電壓-電量關(guān)系獲得各單體的SOC初始值，然后通過使用過程中的電流積分算法進行計算，從而獲得當前各電池單體的SOC值。為確保數(shù)據(jù)的有效性，可設(shè)置鋰電池的正常工作電壓范圍以及充電/放電工作工況作為基準范圍，若采集所得數(shù)據(jù)超出范圍，默認數(shù)據(jù)采集錯誤，重新進行數(shù)據(jù)采集。

2.2.3均衡邏輯判斷管理設(shè)計

經(jīng)過采樣數(shù)據(jù)管理后獲得鋰電池組中各單體電池的SOC值，將每塊電池組中SOC值最高與SOC值最低的兩個單體數(shù)據(jù)排除后，對其余的單體SOC值進行平均值計算，計算后獲得SOC的AVG值。同樣，為確保數(shù)據(jù)的有效性，將設(shè)置航天器在軌計算所得的最大放電深度對應(yīng)SOC值與產(chǎn)品地面測試初始最大SOC值為基準范圍，若采集所得數(shù)據(jù)超出范圍，默認數(shù)據(jù)采集錯誤，重新進行數(shù)據(jù)采集。獲得最終AVG值后，每個單體SOC值與AVG值進行比較，若單體SOC值高于AVG值，則判斷單體SOC值較高，輸出控制“1”信號，打開執(zhí)行電路中的開關(guān)MOSFET，對此單體進行小電流放電或分流此單體充電電流；若單體SOC值低于AVG值，則判斷單體SOC值較低，輸出控制“0”信號，保持執(zhí)行電路中的開關(guān)MOSFET處于截止狀態(tài)，斷開放電回路。

2.2.4健康判斷管理設(shè)計

由于航天器使用壽命逐漸增加，鋰電池相應(yīng)使用負擔也逐漸增加，為了提高壽命默契鋰電池的使用可靠性，在系統(tǒng)中加入了健康判斷管理。

最新的研究表明，循環(huán)過程中阻抗上升和容量衰減成為鋰電池使用可靠性降低的主要因素，因此，在產(chǎn)品使用過程中，對鋰電池的SOC值與工作電壓、工作溫度進行參數(shù)健康判斷。

鋰電池SOC值健康判斷準則

當航天器在軌陰影期放電后鋰電池SOC值低于工況計算SOC值5%以上，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)將判別此數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)，然而當連續(xù)采集3次此數(shù)據(jù)仍然低于工況計算SOC值5%以上，則表明此時鋰電池屬于上一次欠充狀態(tài)，健康判斷管理發(fā)出亞健康信號，提示飛行器降低使用電流，直至SOC AVG值高于工況計算值10%后取消亞健康信號。

鋰電池工作電壓健康判斷準則

當航天器在軌陰影期放電過程中鋰電池工作電壓低于初始設(shè)計最低值5%以上，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)將判別此數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)，然而當連續(xù)采集3次此數(shù)據(jù)仍然低于初始設(shè)計最低值5%以上，則發(fā)出亞健康信號，提示飛行器降低使用電流，直至鋰電池工作電壓高于初始設(shè)計最低值10%后取消亞健康信號。

鋰電池工作溫度健康判斷準則

鋰電子電池工作溫度范圍為-20度～60度，但為了保證產(chǎn)品使用壽命，工作溫度范圍設(shè)計為0～25度，當系統(tǒng)采集電池塊溫度超出此范圍連續(xù)3次后，則判定鋰電池工作溫度異常，健康判斷管理發(fā)出亞健康信號，提示溫控系統(tǒng)降低或增加加熱回路功率。

3.結(jié)論

航天儲能電池及其管理技術(shù)是長期以來困擾航天器使用壽命及多樣化的瓶頸問題，尤其在如今航天科技競爭激烈，對功能要求日益增高的情況下，一套運行可靠并經(jīng)濟實用的電池管理系統(tǒng)對航天器的發(fā)展將具有十分積極的意義。因此，為了設(shè)計可靠及管理便捷，在現(xiàn)有電池管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套電池管理軟件系統(tǒng)，將使新一代鋰電池更快、更可靠的在航天器中普及使用。

參考文獻

[1] 吳友字，梁紅，電動汽車動力電池均衡方法研究.汽車工程，2004，26（4）： 382-385.

[2] 俞紹安，航天鋰離子電池均衡充電技術(shù)綜述.今日電子，2008增刊：56～59.

[3] MiIl Chen，Zhe Zhang，An improved control strategy for the charge equalization of lithium ion battery.Applied Power Electronics Conference and Exposition， APEC 2009：1 86-1 89.