CN101917043B - 锂离子蓄电池充放电控制电路 - Google Patents

锂离子蓄电池充放电控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂离子蓄电池充放电控制电路，包括太阳电池阵列、锂离子蓄电池和负载，负载连接在母线正极和母线负极之间，其特征在于：太阳电池阵列串联一二极管后连接在母线正极和母线负极之间，锂离子蓄电池串联继电器开关K1后连接在母线正极和母线负极之间，太阳电池阵列的正极串联另一二极管后连接到主限压分流电路的一输入端，主限压分流电路的另一输入端连接到母线正极上，主限压分流电路的输出端与母线负极相连接。本发明控制电路简单，减小了母线输出前的功率损耗，提高了能源***的效率，防止了锂离子蓄电池不被过充电，保证了锂离子蓄电池的安全及能源***的安全，能够更好地在轨管理锂离子蓄电池组。

Description

锂离子蓄电池充放电控制电路
技术领域
本发明属于蓄电池充放电控制领域，尤其是一种锂离子蓄电池充放电控制电路。
背景技术
蓄电池组作为卫星的储能单元是一种在卫星地影期为整星供电的重要能源，而在光照期，蓄电池组需要将地影期消耗的电能补充回来，这就需要依靠太阳电池阵为其充电，而要完成对蓄电池组的充放电管理则需要专门的控制电路来实现。传统的卫星电源***主要采用镉镍、氢镍等蓄电池组，其充电通常采用多阶段恒流充电方式，即首先进行大电流充电，然后转为小电流充电，最后转为涓流充电；而放电则采用放电调节器(BDR)进行放电控制。这种充放电方式存在的问题是：充放电技术所用到的控制电路非常复杂且耗能较大，这对于体积、重量、能源等资源有限的卫星来说是非常不合适的。
新型锂离子电池由于具有比能量高、充放电效率高、无记忆效应、热效应小等特点逐渐开始替代镍镉、镍氢电池应用在卫星供电***中。锂离子蓄电池的充放电方式与镉镍、氢镍蓄电池的充放电方式有很大区别，因此，传统的充放电控制方式不适合锂离子蓄电池，迫切需要一种对锂离子蓄电池进行充放电管理的控制电路。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理并能实现有效充放电控制的锂离子蓄电池充放电控制电路。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种锂离子蓄电池充放电控制电路，包括太阳电池阵列、锂离子蓄电池和负载，负载连接在母线正极和母线负极之间，太阳电池阵列串联一二极管后连接在母线正极和母线负极之间，锂离子蓄电池串联继电器开关K1后连接在母线正极和母线负极之间，太阳电池阵列的正极串联另一二极管后连接到主限压分流电路的一输入端，主限压分流电路的另一输入端连接到母线正极上，主限压分流电路的输出端与母线负极相连接。
而且，在母线正极与主限压分流电路之间还连接主电压调档电路。
而且，所述的主限压分流电路的两输入端还连接一备限压分流电路，主限压分流电路与备限压分流电路通过主备切换电路相连接，备限压分流电路的输出端与母线负极相连接。
而且，在母线正极与备限压分流电路之间还连接备电压调档电路。
而且，所述的主限压分流电路包括第一脉宽调制器和分流功率管D1，第一脉宽调制器的误差放大器的反相输入端和同相输入端分别与第一脉宽调制器的基准电压输出端和母线正极相连接，第一脉宽调制器的两个脉宽信号输出端同时连接到分流功率管D1的栅极，分流功率管D1的漏极与太阳电池阵列的正极相连接，分流功率管D1的源极与母线负极相连接。
而且，所述的备限压分流电路包括第二脉宽调制器和分流功率管D2，第二脉宽调制器的误差放大器的反相输入端和同相输入端分别与第二脉宽调制器的基准电压输出端和母线正极相连接，第二脉宽调制器的两个脉宽信号输出端同时连接分流功率管D2的栅极，分流功率管D2的漏极与太阳电池阵列的正极相连接，分流功率管D2的源极与母线负极相连接。
而且，所述的主备切换电路由三极管P1、三极管P2、电阻R4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、电阻R22和继电器开关K2连接构成，+12V电源经电阻R4连接二极管D5、二极管D6和二极管D7的正极，二极管D5、二极管D6的负极分别连接到第一脉宽调制器的两个脉宽信号输出端上，二极管D7的负极经电阻R22连接到三极管P1的基极，该三极管P1的集电极与分流功率管D1的栅极相连接，该三极管P1的发射极与地线相连接；二极管D7的负极还连接到三极管P2的基极，三极管P2的发射极与+12V电源相连接，三极管P2的发射极与地线相连接；二极管D7的负极还通过电阻R11连接继电器开关K2，继电器开关K2的另一端与+12V电源相连接。
而且，所述的主电压调档电路包括两组串联的电阻及两个继电器的触点开关，第一继电器的第一对触点开关J1与串联的电阻R10、电阻R9并联在一起，第二继电器的第一对触点开关J2与串联的电阻R8、电阻R7并联在一起，第一继电器的第一对触点开关J1的一端与主限压分流电路相连接，第一继电器的第一对触点开关J1的另一端与第二继电器的第一对触点开关J2的一端相连接，第二继电器的第一对触点开关J2的另一端与母线正极相连接。
而且，所述的备电压调档电路包括两组串联的电阻及两个继电器的触点开关，第一继电器的第二对触点开关J1与串联的电阻R19、电阻R18并联在一起，第二继电器的第二对触点开关J2与串联的电阻R17、电阻R16并联在一起，第一继电器的第二对触点开关J1的一端与备限压分流电路相连接，第一继电器的第二对触点开关J1的另一端与第二继电器的第二对触点开关J2的一端相连接，第二继电器的第二对触点开关J2的另一端与母线正极相连接。
本发明的优点和积极效果是：
1、本控制电路根据锂离子蓄电池的充放电特点及卫星电源***的特点，取消了复杂的充电和放电控制电路，将锂离子蓄电池直接并联到母线上并利用太阳电池阵列为锂离子蓄电池进行充电，减小了在母线输出前的功率损耗，提高了能源***的效率。
2、本控制电路采用限压分流电路限制锂离子蓄电池不被过充电，充分保证了蓄电池的安全，也保证了能源***及整星的安全，同时，主备工作方式极大的提高了限压分流电路的可靠性，在主份故障的情况下可以自动或通过遥控指令切换至备份电路，保证锂离子蓄电池不被过充。
3、本控制电路通过电压调档电路实现三档恒压充电电压的切换功能，可以更好地在轨管理锂离子蓄电池。
4、本发明控制电路简单，减小了母线输出前的功率损耗，提高了能源***的效率，防止了锂离子蓄电池不被过充电，保证了锂离子蓄电池的安全及能源***的安全，能够更好地在轨管理锂离子蓄电池组。
附图说明
图1是本发明的电路方框图；
图2是本发明的电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
一种锂离子蓄电池充放电控制电路，如图1所示，包括太阳电池阵列、锂离子蓄电池和负载，负载连接在母线正极和母线负极之间。多个太阳电池阵列分别串联二极管后连接在母线正极和母线负极之间；锂离子蓄电池为多个单节锂离子电池构成的锂离子蓄电池组，该锂离子蓄电池串联继电器开关K1后连接在母线正极和母线负极之间；太阳电池阵列既可以为负载供电，还可以为锂离子蓄电池充电，在本实施例中，继电器开关K1采用的是2JB2-1-28C磁保持继电器。为了防止对锂离子蓄电池过充，在太阳电池阵列与母线之间安装有限压分流电路，该限压分流电路包括：主限压分流电路、备限压分流电路、主备切换电路、主电压调档电路和备电压调档电路，太阳电池阵列的正极分别串联二极管后连接到主限压分流电路和备限压分流电路的一输入端，主限压分流电路和备限压分流电路的另一输入端分别通过主电压调档电路和备电压调档电路连接到母线正极上，主限压分流电路和备限压分流电路的输出端分别与母线负极相连接；主限压分流电路与备限压分流电路通过主备切换电路相连接。下面结合图2，具体说明锂离子蓄电池充放电控制电路的连接关系。
主限压分流电路包括第一脉宽调制器SG1525和分流功率管D1，第一脉宽调制器的误差放大器的反相输入端和同相输入端分别与第一脉宽调制器的基准电压输出端和母线正极相连接，第一脉宽调制器的两个脉宽信号输出端同时连接分流功率管D1的栅极，分流功率管D1的漏极与太阳电池阵列的正极相连接，分流功率管D1的源极与母线负极相连接。主限压分流电路的具体连接关系为：SG1525的管脚16(基准电压输出)通过电阻R1、电阻R2连接到SG1525的管脚1(误差放大器的反相输入端)，SG1525的管脚2(误差放大器的同相输入端)通过主电压调档电路与母线正极相连接，SG1525的管脚1和管脚2分别通过电阻R6和电阻R5与地线相连接；SG1525的管脚11和管脚14作为两个脉宽信号输出端分别通过三极管D4和三极管D3共同连接到分流功率管D1的栅极；SG1525的管脚13通过电阻R3与+12V电源相连接；SG1525的管脚10与地线相连接。
备限压分流电路包括第二脉宽调制器SG1525和分流功率管D2，第二脉宽调制器的误差放大器的反相输入端和同相输入端分别与第二脉宽调制器的基准电压输出端和母线正极相连接，第二脉宽调制器的两个脉宽信号输出端同时连接分流功率管D2的栅极，分流功率管D2的漏极与太阳电池阵列的正极相连接，分流功率管D2的源极与母线负极相连接。备限压分流电路的具体连接关系为：SG1525的管脚16(基准电压输出)通过电阻R12、电阻R13连接到SG1525的管脚1(误差放大器的反相输入端)，SG1525的管脚2(误差放大器的同相输入端)通过备电压调档电路与母线正极相连接，SG1525的管脚1和管脚2分别通过电阻R15和电阻R14与地线相连接；SG1525的管脚11和管脚14作为两个脉宽信号输出端分别通过三极管D9和三极管D8共同连接到分流功率管D2的栅极；SG1525的管脚13通过电阻R21与+12V电源相连接；SG1525的管脚10与地线相连接。
主备切换电路由三极管P1、三极管P2、电阻R4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、电阻R22和继电器开关K2连接构成。为主限压分流电路供电的+12V电源经电阻R4连接二极管D5、二极管D6和二极管D7的正极，二极管D5、二极管D6的负极分别连接到第一脉宽调制器的两个脉宽信号输出端上，二极管D7的负极经电阻R22连接到三极管P1的基极，该三极管P1的集电极与分流功率管D1的栅极相连接，该三极管P1的发射极与地线相连接；二极管D7的负极还连接到三极管P2的基极，三极管P2的发射极与+12V电源相连接，三极管P2的发射极与地线相连接。通过上述主备切换电路可以实现自动切换功能。同时，二极管D7的负极还通过电阻R11连接继电器开关K2，继电器开关K2的另一端与为备限压分流电路供电的+12V电源相连接，通过继电器开关K2可以实现手动切换功能，在本实施例中，继电器开关K2采用的是TL26PF70YS磁保持继电器。
主电压调档电路包括两组串联的电阻及两个继电器的触点开关，第一继电器的第一对触点开关J1与串联的电阻R10、电阻R9并联在一起，第二继电器的第一对触点开关J2与串联的电阻R8、电阻R7并联在一起，第一继电器的第一对触点开关J1的一端与主限压分流电路相连接，第一继电器的第一对触点开关J1的另一端与第二继电器的第一对触点开关J2的一端相连接，第二继电器的第一对触点开关J2的另一端与母线正极相连接。备电压调档电路包括两组串联的电阻及两个继电器的触点开关，第一继电器的第二对触点开关J1与串联的电阻R19、电阻R18并联在一起，第二继电器的第二对触点开关J2与串联的电阻R17、电阻R16并联在一起，第一继电器的第二对触点开关J1的一端与备限压分流电路相连接，第一继电器的第二对触点开关J1的另一端与第二继电器的第二对触点开关J2的一端相连接，第二继电器的第二对触点开关J2的另一端与母线正极相连接。在本实施例中，第一继电器和第二继电器采用的是TL26PF70YS磁保持继电器。
下面对本控制电路的工作原理进行说明。
在光照期，太阳电池阵除供负载外多余的电能给锂离子蓄电池充电；在地影期，锂离子蓄电池直接通过继电器开关K1放电，继电器开关K1通过遥控指令发送将锂离子蓄电池接入到母线参与整星负载供电。限压分流电路能够保证锂离子电池的充电终压始终限定在规定的范围内，该限压分流电路的工作原理如下：
主限压分流电路的脉宽调制器SG1525的管脚1取自SG1525的管脚16作为基准电压，SG1525的管脚2电压取自母线电压，上述两电压进行比较后由SG1525的管脚11和管脚14输出具有可调占空比的PWM脉宽信号用以驱动分流功率管D1导通或截止。使得在光照期太阳电池阵多余的电能不会给蓄电池充电，而是通过功率管D1分流到地，以此稳定锂离子蓄电池的电压，通过分流对锂离子蓄电池组进行限压控制，从而保持蓄电池不被过充电。备限压分流电路的工作原理与主限压分流电路相同，主备限压分流电路通过主备切换电路实现自动切换或手动切换：当主限压分流电路的SG1525出现故障时，管脚11和管脚14同时输出高电平，则三极管P1导通，将管脚11和管脚14电平拉低，主限压分流电路的SG1525停止工作，同时三极管P2也导通，备限压分流电路的脉宽调制器SG1525的管脚10变为低电平，备限压分流电路开始工作，从而实现自动切换功能。同时，还可通过遥控指令接通继电器开关K2接入高电平+12V令三极管P1和三极管P2导通，使主份电路切至备份电路工作。
本控制电路通过主电压调档电路或备电压调档电路设置三档恒压充电电压值，下面以7节单节电池(每节电池4.1V)构成的锂离子蓄电池为例进行说明：
第一档：正常情况下，给锂离子蓄电池充电的恒压值选择在28.7V，即：单节电池充满电压×电池串联节数＝4.1V×7节＝28.7V。
第二档：当卫星轨道为晨昏轨道时，光照时间长，地影期短，考虑到锂离子蓄电池初期长期处于满电态影响蓄电池的长寿命，则在轨初期设计将恒压值设置在27.3V，即：单节电池电压×电池串联节数＝3.9V×7节＝27.3V。
第三档：当蓄电池组中的一节蓄电池发生短路时，如果还以原恒压值28.7V给电池组充电则会造成电池过充，故设置短路一节电池的恒压值24.6V，即：单节电池充满电压×电池短路一节后的串联节数＝4.1V×6节＝24.6V。
以上三档恒压充电电压值的设置分别通过遥控指令控制第一继电器和第二继电器的触点开关J1和J2的接通和断开来控制的，J1和J2接通和断开共四种状态，在此利用了三种状态：①J1通，J2通，此状态对应恒压值24.6V；②J1通，J2断，此状态对应恒压值27.3V；③J1断，J2断，此状态对应恒压值28.7V；从而通过控制电阻的接入改变脉宽调制器SG1525的管脚2的电压值来改变充电恒压值。
本控制电路对锂离子蓄电池采取的是限压式调节，通过主备限压分流电路实现对蓄电池先恒流后恒压的充电控制功能，防止了锂离子蓄电池被过充电，同时通过切换恒压值实现在轨更好的管理锂离子蓄电池。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种锂离子蓄电池充放电控制电路，包括太阳电池阵列、锂离子蓄电池和负载，负载连接在母线正极和母线负极之间，其特征在于：太阳电池阵列串联一二极管后连接在母线正极和母线负极之间，锂离子蓄电池串联继电器开关K1后连接在母线正极和母线负极之间，太阳电池阵列的正极串联另一二极管后连接到主限压分流电路的一输入端，主限压分流电路的另一输入端连接到母线正极上，主限压分流电路的输出端与母线负极相连接；所述的主限压分流电路包括第一脉宽调制器和分流功率管D1，第一脉宽调制器的误差放大器的反相输入端和同相输入端分别与第一脉宽调制器的基准电压输出端和母线正极相连接，第一脉宽调制器的两个脉宽信号输出端同时连接到分流功率管D1的栅极，分流功率管D1的漏极与太阳电池阵列的正极相连接，分流功率管D1的源极与母线负极相连接。
2.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池充放电控制电路，其特征在于：在母线正极与主限压分流电路之间还连接主电压调档电路。
3.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池充放电控制电路，其特征在于：所述的主限压分流电路的两输入端还连接一备限压分流电路，主限压分流电路与备限压分流电路通过主备切换电路相连接，备限压分流电路的输出端与母线负极相连接。
4.根据权利要求3所述的锂离子蓄电池充放电控制电路，其特征在于：在母线正极与备限压分流电路之间还连接备电压调档电路。
5.根据权利要求3或4所述的锂离子蓄电池充放电控制电路，其特征在于：所述的备限压分流电路包括第二脉宽调制器和分流功率管D2，第二脉宽调制器的误差放大器的反相输入端和同相输入端分别与第二脉宽调制器的基准电压输出端和母线正极相连接，第二脉宽调制器的两个脉宽信号输出端同时连接分流功率管D2的栅极，分流功率管D2的漏极与太阳电池阵列的正极相连接，分流功率管D2的源极与母线负极相连接。
6.根据权利要求3所述的锂离子蓄电池充放电控制电路，其特征在于：所述的主备切换电路由三极管P1、三极管P2、电阻R4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、电阻R22和继电器开关K2连接构成，+12V电源经电阻R4连接二极管D5、二极管D6和二极管D7的正极，二极管D5、二极管D6的负极分别连接到第一脉宽调制器的两个脉宽信号输出端上，二极管D7的负极经电阻R22连接到三极管P1的基极，该三极管P1的集电极与分流功率管D1的栅极相连接，该三极管P1的发射极与地线相连接；二极管D7的负极还连接到三极管P2的基极，三极管P2的集电极通过电阻R20与+12V电源相连接，三极管P2的发射极与地线相连接；二极管D7的负极还通过电阻R11连接继电器开关K2，继电器开关K2的另一端与+12V电源相连接。
7.根据权利要求2所述的锂离子蓄电池充放电控制电路，其特征在于：所述的主电压调档电路包括两组串联的电阻及两个继电器的触点开关，第一继电器的第一对触点开关J11与串联的电阻R10、电阻R9并联在一起，第二继电器的第一对触点开关J21与串联的电阻R8、电阻R7并联在一起，第一继电器的第一对触点开关J11的一端与主限压分流电路相连接，第一继电器的第一对触点开关J11的另一端与第二继电器的第一对触点开关J21的一端相连接，第二继电器的第一对触点开关J21的另一端与母线正极相连接。
8.根据权利要求4所述的锂离子蓄电池充放电控制电路，其特征在于：所述的备电压调档电路包括两组串联的电阻及两个继电器的触点开关，第一继电器的第二对触点开关J12与串联的电阻R19、电阻R18并联在一起，第二继电器的第二对触点开关J22与串联的电阻R17、电阻R16并联在一起，第一继电器的第二对触点开关J12的一端与备限压分流电路相连接，第一继电器的第二对触点开关J12的另一端与第二继电器的第二对触点开关J22的一端相连接，第二继电器的第二对触点开关J22的另一端与母线正极相连接。
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