一種空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)及管理方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)，包括中儲能系統(tǒng)和載荷系統(tǒng)；中儲能系統(tǒng)包括多個高壓充電控制器，多組高壓鋰離子蓄電池組，多個均衡管理分模塊和1個均衡管理總模塊，一組高壓鋰離子蓄電池組對應一個高壓充電控制器和一個均衡管理分模塊；每兩組高壓鋰離子蓄電池組組成一個蓄電池基本模塊，各個基本模塊之間采用轉(zhuǎn)接電纜進行串聯(lián)。本發(fā)明提供的空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)和管理方法，保證了長串鋰離子蓄電池組充電及放電的安全性，有效提高了鋰離子蓄電池的壽命及可靠性。
【專利說明】
一種空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)及管理方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電池組管理系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)及管理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]空間探測是當今世界科技發(fā)展的前沿領(lǐng)域。人類的航天活動一般可分為地球應用衛(wèi)星、載人航天和深空探測三大領(lǐng)域，開展空間活動，是航天技術(shù)發(fā)展的必然選擇。電源分系統(tǒng)作為空間飛行器的重要分系統(tǒng)之一，將提供飛行器執(zhí)行試驗驗證任務所需能量來源。
[0003]飛行器載荷對電源分系統(tǒng)提出了長期中小功率和短期超大功率的放電需求，從目前國內(nèi)空間電源分系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)來看，為了避免不同負載之間的相互干擾以及確保工程實現(xiàn)的可行性，需要將電源分系統(tǒng)將設計成兩套獨立的供電結(jié)構(gòu):平臺直流母線系統(tǒng)和中儲能系統(tǒng)，二者分別用于滿足常規(guī)負載長期中小功率需求以及特殊負載的短期超大功率需求。
[0004]由于中儲能系統(tǒng)中采用大量蓄電池串聯(lián)形成高壓系統(tǒng)，雖然通過篩選等嚴格工藝控制能保證鋰離子蓄電池較好的一致性，但是考慮到電池本身自放電效應、蓄電池組脈沖電流放電特性以及重復循環(huán)使用要求，使得高功率鋰離子蓄電池組在使用過程中不可避免會出現(xiàn)單體電壓的不均衡，若不采取有效措施，這種不均衡度會急劇惡化，因此對于空間用高壓蓄電池組進行均衡管理具有重要意義。
[0005]
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)及管理方法，以解決高壓鋰離子蓄電池組在使用過程中出現(xiàn)的單體電壓不均衡的問題。
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:提供一種空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)，包括中儲能系統(tǒng)和載荷系統(tǒng)；中儲能系統(tǒng)包括多個高壓充電控制器，多組高壓鋰離子蓄電池組，多個均衡管理分模塊和I個均衡管理總模塊，一組高壓鋰離子蓄電池組對應一個高壓充電控制器和一個均衡管理分模塊;每兩組高壓鋰離子蓄電池組組成一個基本模塊，各個基本模塊之間采用轉(zhuǎn)接電纜進行串聯(lián);每個基本模塊中的兩組高壓鋰離子蓄電池組分別對應兩個高壓充電控制器，每個高壓鋰離子蓄電池組與其所對應的高壓充電控制器組成隔離充電控制單元，所述控制單元內(nèi)部供電的實際電壓為對應的基本模塊確定的電壓，每個高壓充電控制器對其所對應的高壓鋰離子蓄電池組進行充電。
[0008]進一步地，所述均衡管理分模塊包括高壓鋰離子蓄電池單體電壓采集電路、溫度采集電路和均衡控制電路;所述電壓采集電路采用差分采樣電路，對蓄電池單體分壓后經(jīng)差分放大，實現(xiàn)對單體電壓的測量。
[0009]進一步地，所述中儲能系統(tǒng)包括10組高壓鋰離子蓄電池組、每組包括21只高壓鋰離子蓄電池，所述基本模塊中的42只高壓鋰離子蓄電池單體為串聯(lián)連接，分四排豎立排列，其中靠近功率輸出級柱一排為9只，其余三排為11只。
[0010]進一步地，均衡管理總模塊通過CAN總線接收10個均衡管理分模塊發(fā)送的單體電壓數(shù)據(jù)以及溫度數(shù)據(jù)。
[0011]本發(fā)明還提供了一種使用空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)的管理方法，包括以下步驟:
步驟一、均衡管理分模塊對相應的高壓鋰離子蓄電池組中的單體電壓和溫度數(shù)據(jù)進行實時測量，獲得單體電壓最大值和最小值以及單體溫度數(shù)據(jù)，通過CAN總線上傳到均衡管理總豐吳塊;
步驟二、均衡管理總模塊將接受的數(shù)據(jù)進行處理，并通過CAN總線上傳到上位機監(jiān)視系統(tǒng)；
步驟三、在每個采樣周期內(nèi)，當單體電壓的最大值和最小值之差超過50mV時，開通最大值對應的單體旁的均衡控制電路，其余單體的均衡控制電路保持關(guān)斷狀態(tài);在后續(xù)采樣周期內(nèi)，當單體電壓的最大值和最小值之差小于1mV時，關(guān)斷所述開通的均衡控制電路。
[0012]步驟四、在每個采樣周期內(nèi)，當單體溫度數(shù)據(jù)出現(xiàn)高于55°C的值時，切斷整個系統(tǒng)的高壓鋰離子蓄電池組的充放電電路，經(jīng)檢查排除故障后才能再次接通。
[0013]本發(fā)明提供的間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)及管理方法，保證了長串鋰離子蓄電池組充電及放電的安全性，有效提高鋰離子蓄電池的壽命及可靠性，將大量鋰離子蓄電池進行分層分組進行管理，管理方法清晰簡單，便于管理及工程實現(xiàn)，保證了實現(xiàn)途徑的可靠性。
[0014]
【附圖說明】
[0015]下面結(jié)合附圖對發(fā)明作進一步說明:
圖1為本發(fā)明系統(tǒng)供配電框圖；
圖2為本發(fā)明蓄電池組均衡管理器總體方案圖；
圖3為中儲能系統(tǒng)基本模塊中單體電池的排列圖；
圖4為中儲能系統(tǒng)高壓充電控制器總體方案圖；
圖5為本發(fā)明蓄電池電壓差分采樣電路原理圖；
圖6為本發(fā)明蓄電池單體均衡分流電路原理圖。
[0016]
【具體實施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提出的一種空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)及管理方法做進一步詳細說明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點和特征將更清楚。
[0018]如圖1所示，本發(fā)明中的空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)包括平臺直流母線系統(tǒng)、中儲能系統(tǒng)、載荷系統(tǒng)和上位機監(jiān)測系統(tǒng)；中儲能系統(tǒng)包括10個高壓充電控制器，10組高壓鋰離子蓄電池組、每組包括21只高壓鋰離子蓄電池，10個均衡管理分模塊，I個均衡管理總模塊，I個軟啟動控制器。軟啟動控制器用來防止初放電瞬間的大電流沖擊，單體鋰離子蓄電池間通過帶有熔斷鏈的電纜串聯(lián)連接，連接點靠近電池接頭。
[0019]如圖2所示，中儲能系統(tǒng)中，10組高壓鋰離子蓄電池組每兩組組成一個基本模塊，5個基本模塊之間采用轉(zhuǎn)接電纜進行串聯(lián)。每個基本模塊中的兩組高壓鋰離子蓄電池組分別對應兩個高壓充電控制器，每個高壓鋰離子蓄電池組與其所對應的高壓充電控制器組成隔離充電控制單元，所述控制單元內(nèi)部供電的實際電壓為對應的基本模塊確定的電壓，每個高壓充電控制器對其所對應的高壓鋰離子蓄電池組進行充電。
[0020]在本實施例中，中儲能系統(tǒng)中的高壓鋰離子蓄電池組作為中儲能系統(tǒng)的核心單元，由10組、每組21只高壓鋰離子蓄電池組成。每兩組鋰離子蓄電池組構(gòu)成一個基本模塊，即基本模塊由42只電池單體串聯(lián)而成，如圖3所示，分四排豎立排列，其中靠近功率輸出級柱一排為9只，其余三排為11只。所有的210只單體電池共設計為5個基本模塊，模塊之間采用轉(zhuǎn)接電纜串聯(lián)。
[0021]高壓充電控制器對蓄電池組進行充電。蓄電池組充電系統(tǒng)設計成分組充電模式，10個高壓充電控制器分別對應10組蓄電池組，對于每個由兩組蓄電池組組成的基本模塊，其中每組蓄電池組和其對應的高壓充電控制器組成一個隔離充電控制單元，控制單元內(nèi)部的實際電壓為對應基本模塊所確定的電壓。高壓鋰離子蓄電池組在充滿電后，能夠為載荷提供lmin、頻率200Hz、最大電流約IlOA的輸出。高壓鋰離子蓄電池組的輸出正負極各配置了一個蓄電池組熔斷器，在蓄電池組發(fā)生短路時，熔斷器迅速斷開，防止蓄電池組過放發(fā)生危險。
[0022]同時，在中儲能系統(tǒng)中，10個均衡管理分模塊分別對應10組高壓鋰離子蓄電池組。在均衡管理分模塊內(nèi)，設置有單體電壓采集電路，用來采集電池單體的電壓;溫度采集電路，用來采集電池單體的溫度；和均衡控制電路，通過接通和關(guān)斷來實現(xiàn)電池組的均衡管理。均衡管理總模塊和均衡管理總模塊，內(nèi)部M⑶均采用80C32單片機。溫度采集電路采用熱敏電阻PT100進行溫度采集。本實施例中，如圖5所示，采用差分采樣法電路，對電池單體分壓后，經(jīng)過差分放大，實現(xiàn)對電池單體電壓的測量。均衡控制電路采用電阻分流方式，每個電池組包含21個分流電路，分流開關(guān)和驅(qū)動開關(guān)采用雙級晶體管實現(xiàn)。如圖6所示，分流開關(guān)為Q2-UQ2-2串聯(lián)，可以防止開關(guān)短路故障;分流電阻采用4個150 Ω/IW電阻并聯(lián)，最大分流電流為109mA，單體電壓4.1V，對應每個單體分流功率為0.45W。
[0023]本發(fā)明還提供了一種使用上述空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)的管理方法，包括以下步驟:
步驟一、均衡管理分模塊對相應的高壓鋰離子蓄電池組中的單體電壓和溫度數(shù)據(jù)進行實時測量，獲得單體電壓最大值和最小值以及單體溫度數(shù)據(jù)，通過CAN總線上傳到均衡管理總豐吳塊;
步驟二、均衡管理總模塊將接受的數(shù)據(jù)進行處理，并通過CAN總線上傳到上位機監(jiān)視系統(tǒng)；
步驟三、在每個采樣周期內(nèi)，當單體電壓的最大值和最小值之差超過50mV時，均衡管理分模塊控制開通最大值對應的單體旁的均衡控制電路，其余單體的均衡控制電路保持關(guān)斷狀態(tài);在后續(xù)采樣周期內(nèi)，當單體電壓的最大值和最小值之差小于1mV時，均衡管理分模塊控制關(guān)斷所述開通的均衡控制電路。
[0024]步驟四、在每個采樣周期內(nèi)，當單體溫度數(shù)據(jù)出現(xiàn)高于55°C的值時，切斷整個系統(tǒng)的高壓鋰離子蓄電池組的充放電電路，經(jīng)檢查排除故障后才能再次接通。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變形而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)，包括中儲能系統(tǒng)和載荷系統(tǒng)； 所述中儲能系統(tǒng)包括多個高壓充電控制器，多組高壓鋰離子蓄電池組，多個均衡管理分模塊和I個均衡管理總模塊，一組高壓鋰離子蓄電池組對應一個高壓充電控制器和一個均衡管理分模塊； 其特征在于，每兩組高壓鋰離子蓄電池組組成一個基本模塊，各個基本模塊之間采用轉(zhuǎn)接電纜進行串聯(lián)； 每個基本模塊中的兩組高壓鋰離子蓄電池組分別對應兩個高壓充電控制器，每個高壓鋰離子蓄電池組與其所對應的高壓充電控制器組成隔離充電控制單元，所述控制單元內(nèi)部供電的實際電壓為對應的基本模塊確定的電壓，每個高壓充電控制器對其所對應的高壓鋰離子蓄電池組進行充電。2.如權(quán)利要求1所述的空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)，其特征在于，所述均衡管理分模塊包括高壓鋰離子蓄電池單體電壓采集電路、溫度采集電路和均衡控制電路;所述電壓采集電路采用差分采樣電路，對蓄電池單體分壓后經(jīng)差分放大，實現(xiàn)對單體電壓的測量。3.如權(quán)利要求2所述的空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度采集電路采用熱敏電阻PTlOO進行溫度采集。4.如權(quán)利要求1所述的空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)，其特征在于，所述均衡管理總模塊和均衡管理總模塊，內(nèi)部MCU均采用80C32單片機。5.如權(quán)利要求1所述的空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)，其特征在于，所述高壓鋰離子蓄電池組中，單體鋰離子蓄電池間通過帶有熔斷鏈的電纜串聯(lián)連接。6.如權(quán)利要求5所述的空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)，其特征在于，所述串聯(lián)連接的連接點靠近電池接頭。7.如權(quán)利要求1所述的空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)，其特征在于，所述高壓鋰離子蓄電池組的輸出正負極各配置了一個蓄電池組熔斷器，在蓄電池組發(fā)生短路時，熔斷器迅速斷開，防止蓄電池組過放發(fā)生危險。8.如權(quán)利要求2所述的空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)，其特征在于，所述差分采樣電路中分壓電阻為高精度排阻。9.如權(quán)利要求1所述的空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)，其特征在于， 所述中儲能系統(tǒng)包括10組高壓鋰離子蓄電池組、每組包括21只高壓鋰離子蓄電池，所述基本模塊中的42只高壓鋰離子蓄電池單體分四排豎立排列，其中靠近功率輸出級柱一排為9只，其余三排為11只。10.如權(quán)利要求4所述的空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)，其特征在于，蓄電池組的均衡控制電路為電阻分流電路，每個模塊包括21個分流電路，分流開關(guān)和驅(qū)動開關(guān)為雙級晶體管。11.如權(quán)利要求1至10中任一項所述的空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)，其特征在于，均衡管理總模塊通過CAN總線接收各個均衡管理分模塊發(fā)送的單體電壓數(shù)據(jù)以及溫度數(shù)據(jù)。12.如權(quán)利要求11所述的空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)，其特征在于，CAN總線控制器為SJA1000，均衡管理分模塊的CAN總線為隔離總線，采用CT1050進行隔離。13.使用如權(quán)利要求1所述的空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)的管理方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、均衡管理分模塊對相應的高壓鋰離子蓄電池組中的單體電壓和溫度數(shù)據(jù)進行實時測量，獲得單體電壓最大值和最小值以及單體溫度數(shù)據(jù)，通過CAN總線上傳到均衡管理總豐吳塊; 步驟二、均衡管理總模塊將接受的數(shù)據(jù)進行處理，并通過CAN總線上傳到上位機監(jiān)視系統(tǒng)； 步驟三、在每個采樣周期內(nèi)，當單體電壓的最大值和最小值之差超過50mV時，均衡管理分模塊控制開通最大值對應的單體旁的均衡控制電路，其余單體的均衡控制電路保持關(guān)斷狀態(tài);在后續(xù)采樣周期內(nèi)，當單體電壓的最大值和最小值之差小于1mV時，均衡管理分模塊控制關(guān)斷所述開通的均衡控制電路； 步驟四、在每個采樣周期內(nèi)，當單體溫度數(shù)據(jù)出現(xiàn)高于55°C的值時，切斷整個空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)的高壓鋰離子蓄電池組的充放電電路，經(jīng)檢查排除故障后方能再次接通。14.如權(quán)利要求13所述的空間高壓鋰離子蓄電池組管理系統(tǒng)的管理方法，其特征在于，所述采樣周期為500ms。
【文檔編號】H02J7/00GK105826969SQ201610097643
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年2月23日
【發(fā)明人】陳海濤, 黃軍, 張興浩, 何小斌, 李開宇, 董宇, 衛(wèi)芬
【申請人】上?？臻g電源研究所