一种航天用低成本锂电池组自主均衡电路_胡斌.pdf

2023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计收稿日期：2022-08-19作者简介：胡斌(1985)，男，天津市人，高级工程师，主要研究方向为电能源系统管理。一种航天用低成本锂电池组自主均衡电路胡斌1，刘涛1，谭玲生2，王凯2(1.中电科能源有限公司，天津 300384；2.天津空间电源科技有限公司，天津 300384)摘要：针对商业卫星锂离子蓄电池管理系统的智能化、低成本、高可靠的特点，提出一种基于三端稳压器的锂离子电池均衡方法，其均衡电流、均衡开启电压及斜率可通过三端稳压芯片外围电路进行调节。此均衡电路可以用于单节电池的均衡，也可支持多级级联，从而能够支持任意节电池组成的电池组的均衡。经仿真和实验验证，此电路对单体电池电压的均衡精度小于15 mV，其结构简单、成本低、体积小、可靠性高，能够满足低轨商业卫星锂离子蓄电池组的管理需求。关键词：商业卫星电源；电池管理系统；电池均衡中图分类号：TM 912文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)03-0316-04DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.03.010Low cost autonomous equalizing circuit of lithium-ion battery packfor spaceflightHU Bin1,LIU Tao1,TAN Lingsheng2,WANG Kai2(1.CETC Energy Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China;2.Tianjin Space Power Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China)Abstract:A method of lithium equalization with three-terminal voltage regulator was raised,based on thecharacters of intelligent,low-cost,high reality for lithium-ion battery management system of commercialsatellite.The equalizing current,equalizing open voltage and slope could be adjusted by three terminalregulator chip peripheral circuit.The equalization circuit could be used for equalization of a single battery,orcould support multi-cascade,so as to support the equalization of any battery pack.The advantages of circuitstructure were simple,low-cost,small sized and high reality.According to simulation and experimentvalidation,the impact of the circuit is that the accuracy of equalization of the single battery voltage is less than15 mV.It will satisfy the requirements of lithium-ion battery packs for low orbit commercial satellites.Key words:commercial satellite power system;battery manage system;battery equalization随着航天技术的快速发展，商业航天逐渐兴起，相比传统航天而言，商业卫星具有低成本、高灵活性、快速响应等诸多优势1。锂离子蓄电池组是商业卫星中最重要的储能组件，具有比能量高、充放电效率高、无记忆效应、热效应小等特点，在卫星全寿命期内地影期提供能量，光照期与太阳方阵联合为载荷提供稳定的能量来源，其性能直接影响卫星的功率能力和寿命。商业卫星的锂离子电池是由若干单体电池组成的电池组，由于电池组内各单体电池充电效率的差异、自放电率的差异以及测试线路误差影响，随着循环次数的增加，电池组内各单体电池之间的容量、电压、温度性能差别变大，呈发散趋势，容易造成电池组内的少数电池充电电压过高和容量不均，从而使单体电池或电池模块失衡。因此，锂离子电池需要考虑电池失衡的现象，合理的均衡管理是商业卫星用锂离子蓄电池管理一项必不可少的关键技术。通过可靠的均衡管理，使锂离子单体电池电压偏差保持在预期的范围内，以满足商业卫星锂离子蓄电池组在轨低成本、高可靠、长寿命的使用要求2。1 国内外航天锂离子电池均衡管理研究状况调研了国内外航天锂离子电池均衡管理研究现状，均衡充电管理方案中主要有通断电阻分流法、开关电容均衡充电以及平均电池电压均衡法3。(1)通断分流电阻均衡如图 1所示，每个锂离子电池单体上都并联一个通断开关和分流电阻。单片机系统软件控制开关的通断。(2)开关电容均衡如图2所示，通过多路开关，依次把锂离子电池单体接入传送电容器4，以传送电容器作为容器平衡各个单体电池之间的容量，达到均衡的目的。图 1通断分流电阻均衡充电原理框图3162023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计(3)平均电池电压均衡平均电池电压均衡法是将单体电池电压与平均单体电池电压进行比较，将单体电池电压高于平均电压的电池分流开关接通，使所有单体电池电压趋向平均电池电压，如图 3所示。开关电容均衡充电，能量浪费低，电路复杂，参数选取较困难，适用性不强，而平均电池电压均衡和通断分流电阻均衡方式，均衡效果好，适用性强，已广泛应用于同步轨道卫星锂离子蓄电池组的均衡控制电路中5。两种均衡方式均需要根据单体电池电压采集结果先进行判断，比较后再进行电池均衡操作，整个闭环控制复杂，响应时间长6。在单机电路实现时，需要价格高昂的单片机等给出开启或关闭的控制信号，而执行电路需要较多的MOS开关元件，系统成本增高。针对商业航天低成本、批量化、高可靠的锂离子蓄电池管控的应用需求，本文提出一种新型能量耗散型均衡方式，一种基于三端稳压器的电流可调的锂离子电池均衡管理电路，其均衡电流的开启电压和电流随电压变化的斜率都可以通过三端稳压芯片外围电路进行调节。2 原理设计为满足未来商业卫星组网时模块化、标准化以及快速发射的使用要求，蓄电池组应具有可批产、自动化高、成本低的特点。蓄电池组通过模块化、标准化设计，提高蓄电池组管理系统自主管理程度，减小对星上资源的占用和依赖，简化与卫星的接口，并使接口设计标准化，采用高性价比的空间小容量5 Ah的单体电池，电池连接图如图4所示。自主均衡装置对每只单体电池进行连续实时调控。由于自放电差异的累积效应，蓄电池组内单体电池电压离散性会扩大，导致充电时各单体电池电压不一致。部分电池会出现过充电或欠充电。为了抑制电池组内单体电池电压离散性的扩大，在每只电池上设计加装一个自主均衡电路，电池充电时，个别电压高的电池，电池电压会首先达到自主均衡电路的启控阈值，此时均衡电路会自主介入工作，耗散掉充入该单体电池的部分电流。耗散电流随单体电池电压的升高呈线性递增状态，电池电压越高，耗散的电流越大。电池充电结束时，如果该单体电池电压仍然高于耗散起始点电压，均衡电路会继续耗散其电量，耗散电流随电压降低线性递减，直至电池电压低于自主均衡启控阈值，停止耗散。经调控的蓄电池组各单体电池之间电压差异减小，满足均衡的要求。电池组充电终止电压的设定需要考虑两方面的因素：一方面是充电电压越高，对电池的循环寿命有不利影响，从目前的循环寿命来看，充电终止电压4.2 V的循环寿命，要低于充电终止电压4.1 V的循环寿命；另一方面，电池的放电深度越大，电池的循环寿命要明显下降。综合考虑到上述两方面的因素，针对放电深度比较大的GEO卫星，充电终止电压一般要设定高一点，比如，充电终止电压可以设定为 4.1 V；针对放电深度浅循环次数多的 LEO 卫星，电池组充电终止电压设定可以适当低一点，考虑到蓄电池组允许的最大放电深度为 40%DOD，设定充电终止电压为 4.05 V，自主均衡启控的阈值为4.00 V。3 均衡电路设计3.1 电路工作原理图 5给出了均衡电路示意图。其中 U1是可编程电压基准芯片，通过配置外围电阻 R1、R2，可在V(KA)获得稳定的预设电压。当V(KA)设计为4.0 V时，若电池电压大于4.0 V，Rs通过的电流为：I(Rs)=VcellV(KA)/Rs(1)当Rs取合适电阻值时，I(Rs)=Ishunt，实现了耗散电流线性段的设计。图5中U1可调精密基准源选取了三端稳压芯片，其具有良好的热稳定性。输出电压 V(KA)可实现 2.536 V 内任意点可调。图 6是三端稳压芯片电路功能可由简化功能模块示意图。图2开关电容均衡充电原理框图图3平均电池电压均衡充电原理框图图4蓄电池组与均衡连接示意图图5均衡单元电路示意图3172023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计图 7中 Vref是内部的 2.5 V 基准源，连接在运放的反向输入端。只有当REF端(同向端)的电压非常接近2.5 V时，三级管中才会有一个稳定的非饱和电流通过4，而且随着 REF端电压的微小变化，三极管的电流从 1 100 mA变化。此电路输出电压见式(2)：V(KA)=Vref(1+R1/R2)+IrefR1(2)式中：R1、R2为外接电阻；Vref为基准电压，理论值为 2.5 V；Iref为基准电流，常温下约为05 A。根据芯片手册，基准电路正常工作的最小工作电流为1 mA，需保证电源Vinput通过Rs可以提供1 mA电流。选取合适的R1、R2，可使V(KA)=4.00 V。3.2 起控点电压精度容限分析因电池电压控制精度为 30 mV，即开启点电压应控制在15 mV。本设计中基准源芯片为三端稳压芯片，基准电压Vref范围为4050 mV，V(KA)约为6580 mV，基准电流 Iref范围为2.5 A，V(KA)约为37.5 mV，两项误差相加后，将无法直接达到控制精度 30 mV(15 mV)的要求。因此，需要对这两项参数进行预先测试。测试过程中，需对 Vref测量值精确到1 mV 量级，V(KA)约为1.6 mV；Iref测量值精确到0.1 A，V(KA)约为1.5 mV。电路自耗电分为芯片自耗电和电阻自耗电。其中芯片自耗电为固有属性，电阻自耗电为可设计项。为使电阻耗电电流小，应尽可能加大阻值。但为了控制V(KA)精度，又应尽量减小阻值。为此，将电阻 R1、R2设计为 10 k 量级，其耗电控制在 0.1 mA以内，同时选用 0.1%精度的精密电阻，即可满足对V(KA)的精度控制对V(KA)精度影响约为3.1 mV。由表 1可知，单体均衡电路的控制精度小于6.2 mV，满足研制技术要求中15 mV的要求。根据式(2)，分流斜率 S=1/Rs，即 Rs约为 10(理论值)。当 Rs为 1%精度时，S 范围为99101 mA/V，满足对斜率控制要求。4 仿真及测试结果4.1 仿真结果在Saber仿真软件中，搭建以三端稳压芯片为核心的均衡单元电路，均衡电路示意图如图8所示。在各仿真元件(基准电阻r1、r2和限流电阻r3，外围其他电路元件 C1，集成电路三端稳压芯片)数值都在标称值的情况下，进行仿真，得到标称值下仿真结果表征单体均衡电流随着单体电池电压变化的趋势。若三端稳压管输入电压初始偏移10 mV，温度变化(1550)对基准电压影响为2.5 mV。受辐照影响为 2.5 mV，最坏情况为 15 mV，若基准电压为 2.5V，变化范围为2.485 V，2.515 V。在Saber软件中，采用蒙特卡洛方法对电路最坏情况进行分 析，根 据 上述 依 据电 路 设置 参 数如 下：r1normal(16 k,0.001 325)，r2normal(27 k,0.001 325)，r3normal(10 k,0.033 25)，c1normal(500 p，0.102 9)，三端稳压芯片 Vrefmin为2.485 V，Vrefmax为2.515 V。蒙特卡洛方法设置：迭代次数为250，算法为随机算法(random)，含最坏情况分析，如图9所示。由仿真结果可知在电路最坏情况下的均衡启动阈值最大为 4.008 2 V，最小为 4.001 3 V，当单体电池电压达到 5 V时，均衡电流最大值为98.836 mA，最小值为87.631 mA，斜率最大值为 98.825 mA/V，最小为87.996 mA/V。通过最坏情况仿真分析，若缩小控制开启阈值和斜率范围，需严格根据三端稳压芯片基准电压测量值匹配r1和r2的阻抗。4.2 单元测试结果均衡单元电路耗散电流随电池电压变化实测数据见表2。实测均衡耗电电流如图10所示。图6三端稳压芯片电功能模块示意图图7锂离子电池管理单元电路图表 1 V(KA)精度指标分解表 序号 项目 控制措施 精度影响/mV 1 Vref 测量值精确到1 mV 1.6 2 Iref 测量值精确到0.1 A 1.5 3 R1，R2 选用 0.1%精度 3.1 合计 6.2 图8三端稳压芯片等效建模原理图图9均衡单元最坏情况仿真波形图10均衡实测耗散电流图3182023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计测试情况表明，均衡单元电路符合预期，V(KA)为 3.99 V，斜率S为103 mA/V，可以满足耗散电流曲线的设计要求。该产品中采用 0.1%电阻控制 V(KA)精度，V(KA)设计理论值为4.095 V，筛选后实测结果如表3。上述结果表明，通过筛选配组方法，A组V(KA)控制精度在3 mV，B 组 V(KA)控制精度在 4 mV，C 组 V(KA)控制精度在 4mV，D组V(KA)控制精度在5 mV，实际效果符合需求。4.3 系统测试结果从一批 5 Ah 的电池中抽取了 3 个样本，模拟 LEO 轨道30%DOD寿命实验，全容量加速寿命进行了1 350次循环，模拟LEO轨道30%DOD寿命实验已进行了15 000次循环实验。LEO寿命实验组件(3只电池串联)如图11所示。寿命循环中单体电池电压充电最高电压偏差见表 4。15 006次循环后容量实验中3只单体电池电压曲线见图12。由表4可见，在自主均衡模块的控制下，在 3年15 000次充放电循环过程中，三只单体电池的电压偏差很小，且随着循环寿命的进行，电池电压差逐渐减小，验证了自主均衡装置可以满足使用要求。5 总结本论文提出一种低成本支持任意节串联的锂离子单体电池均衡管理方案，此方案对电池的耗能较小，控制时序简单，不需要对采集电压再进一步进行采集计算，仅需要单个芯片和少量的外围电路实现了均衡功能。经电路仿真和实物测试，此套方案的电压采集精度能够达到 15 mV 以内，完全满足商业卫星锂离子电池管理系统的要求。参考文献：1胡斌，史更新，王涛.航天锂离子蓄电池组均衡器的研究J.电源技术，2012，36(3)：321-324.2孙德全，黄才勇，空间锂离子蓄电池的特点及管理模式J.电源技术，2005，29(10)：687-690.3宋鼎，牛跃华，王利然，等.一种空间锂离子电池非耗散型均衡方法J.航天工程，2014，23(4)：57-61.4STUART T A,ZHU W.Modularized battery management for largelithium ion cellsJ.Jouranl of Power Sources,2011,196:458-464.5STUART T A,ZHU W.Fast equalization for large lithium ionbatteriesJ.IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine,2009,24:27-31.6孙肖子，张企民.模拟电子技术基础J.西安：西安电子科技大学出版社，2006：57-58.表 2 均衡单元电路实测耗散电流表 序号 电池电压/V 耗散电流/mA 序号 电池电压/V 耗散电流/mA 1 3.00 0.227 19 3.99 1.176 2 3.10 0.242 20 4.00 2.250 3 3.20 0.259 21 4.05 7.555 4 3.30 0.277 22 4.10 12.82 5 3.40 0.299 23 4.15 18.26 6 3.50 0.324 24 4.20 23.26 7 3.60 0.354 25 4.25 28.36 8 3.70 0.391 26 4.30 33.43 9 3.80 0.440 27 4.35 38.54 10 3.90 0.506 28 4.40 43.71 11 3.91 0.509 29 4.45 48.77 12 3.92 0.517 30 4.50 53.80 13 3.93 0.525 31 4.60 64.22 14 3.94 0.534 32 4.70 74.05 15 3.95 0.542 33 4.80 83.73 16 3.96 0.551 34 4.90 93.12 17 3.97 0.560 35 5.00 102.67 18 3.98 0.585 表 3 V(KA)配组结果 V A 组序号 V(KA)B 组序号 V(KA)C 组序号 V(KA)D 组序号 V(KA)14 4.084 11 4.089 36 4.093 16 4.097 35 4.085 18 4.090 1 4.094 7 4.098 34 4.086 23 4.091 33 4.094 22 4.098 10 4.087 25 4.091 5 4.095 2 4.099 26 4.087 3 4.092 13 4.095 24 4.099 27 4.087 15 4.092 20 4.095 9 4.100 29 4.087 12 4.093 30 4.095 19 4.100 17 4.088 21 4.093 8 4.096 32 4.100 28 4.088 31 4.093 6 4.097 4 4.102 图11LEO寿命实验组件(3只电池串联)表 4 寿命循环中单体电池电压偏差 V 充电终止电压 30%DOD 循环次数 V1 V2 V3 V2V1 V3V1 第 362 次循环 4.089 4 4.106 7 4.098 2 0.017 3 0.008 9 第 1 864 次循环 4.089 7 4.106 6 4.097 5 0.016 9 0.007 8 第 7 921 次循环 4.093 7 4.103 4 4.096 7 0.009 7 0.003 0 第 15 006 次循环 4.103 1 4.110 4 4.105 9 0.007 3 0.002 8 图12容量实验中3只单体电池电压曲线319