CN105730718A - 航天器多功能结构锂电池***电源管理单元 - Google Patents

航天器多功能结构锂电池***电源管理单元 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种航天器多功能结构锂电池***电源管理单元，提供锂电池充放电控制和电信号检测调理功能。所述电源管理单元包括：加断电控制与遥测模块、利用卫星一次电源向锂电池组进行充电控制的电池充电调节器模块、利用外部放电负载对锂电池组进行恒流放电控制的电池放电调节器模块、以及主要用于监控充放电过程中电流/电压的检测调理模块。本发明通过***级和器件级的可靠性设计保证单机高可靠性；通过屏蔽、滤波和滤波器设计，实现良好的电磁兼容性能；通过温度补偿电路实现良好的温漂控制，提高控制与检测精度。本发明体积小、功耗低、可靠性强，解决了电源管理设备在充放电控制和检测调理时面临的精度控制要求高、温漂控制困难的问题。

Description

航天器多功能结构锂电池***电源管理单元
技术领域
本发明属于航天结构和电源技术领域，具体涉及一种航天器多功能结构锂电池***电源管理单元。
背景技术
随着航天技术的发展，高轨道、高价值、长寿命的大型航天器对产品轻量化提出了明确而迫切的需求。多功能结构技术将数据处理、热控、辐射防护、推进、发电和蓄电等功能、分***或独立单元与航天器结构平台有机融合在一起，可以实现结构、功能与材料一体化成型，消除传统航天器大量冗余重量和体积，实现结构的轻量化。
在航天器众多的分***中，电源分***(其中蓄电池部分是电源分***的主要组成部分)和结构分***是航天器质量和空间占比最大的分***之一。航天器多功能结构锂电池***采用国防科学技术大学新研究的多功能结构锂电池技术，结合先进的结构减振技术、复合材料/固态锂离子电池制备技术，将锂离子蓄电池组与结构分***进行一体化融合设计，实现了结构与电源的高度融合，可以有效减轻航天器平台重量和体积，大大提高航天器的有效载荷比，延长航天器寿命，增加大型航天器的有效空间。
为了使航天器多功能结构锂电池***的电源功能正常实现，需要对其进行充放电控制、主备电源切换控制与检测调理。
发明内容
本发明的目的是提供一种航天器多功能结构锂电池***电源管理单元，为航天器多功能结构锂电池***进行充放电控制、主备电源切换控制与电信号检测调理。具体技术方案如下：
一种航天器多功能结构锂电池***电源管理单元(BatteryManagementUnit，简称BMU)，包括加断电控制与遥测模块、电池充电调节器模块(BatteryChargingRegulator，简称BCR)、电池放电调节器模块(BatteryDischargingRegulator，简称BDR)和检测调理模块，所述电池充电调节器模块、电池放电调节器模块和检测调理模块3个功能模块均自带辅助电源(AccessoryPowerSupply，简称APS)，为内部电路供电。所述加断电控制与遥测模块的输入端分别连接卫星一次电源接口和卫星测控接口，输出端分别连接到电池充电调节器模块、电池放电调节器模块、检测调理模块和外部卫星测控接口，以实现电池充电调节器模块、电池放电调节器模块和检测调理模块的加断电控制和加断电状态遥测输出功能；所述电池充电调节器模块的输入端连接到加断电控制与遥测模块，输出端则分别连接到检测调理模块和外部锂电池组，实现卫星一次电源向锂电池组的充电控制；所述电池放电调节器模块的输入端连接外部锂电池组，输出端分别连接到外部放电负载和内部检测调理模块，对锂电池组进行恒流放电控制；所述检测调理模块对充放电过程中的电流和电压进行监控，并输出检测信号到外部信号采集接口。
进一步地，所述加断电控制与遥测模块、电池充电调节器模块、电池放电调节器模块和检测调理模块采用备份冗余设计，备份结构与原结构的组成原理及连接方式均相同。
进一步地，所述航天器多功能结构锂电池***电源管理单元在关键电路的电容、电阻元器件在各模块结构中均采用冗余备份设计。
进一步地，所述电池充电调节器模块采用双PI环控制电路分别实现恒流充电和恒压充电的控制，并驱动双管隔离驱动电路的主功率MOSFET开关工作。
进一步地，所述电池充电调节器模块(BCR)由主功率电路、电流采样电路、充电控制与驱动电路、充电保护电路和APS供电电路组成。主功率电路输入端连接卫星一次电源，并受到充电控制与驱动电路输出的控制信号控制，输出端则连接到电流采样电路；电流采样电路采样经过的充电电流值，并分3路输出：1路送到内部的充电控制与驱动电路，实现电流的反馈控制；1路送到输出过流保护电路，参与过流保护操作；1路送到检测调理模块，用于信号的调理操作。所述充电控制与驱动电路输入的信号包括3路：电流采样电路输出的电流信号、电池总电压参考信号和充电电流参考信号，三种信号一起驱动PWM控制芯片工作，最终控制主功率电路进行充电操作。辅助电源(APS)供电电路输入卫星一次电源，输出的二次电源供电池充电调节器模块(BCR)内部各功能电路使用。
进一步地，所述电流采样电路采用电流镜采样电路，在电流镜内部加入了恒流二极管控制电路。
进一步地，所述电池充电调节器模块的输出侧设置了两个二极管串联的短路保护电路。
进一步地，所述充电保护电路中过流保护值设置为2.8A±0.2A。
进一步地，所述充电保护电路中过压保护值设置为92.4V。
进一步地，所述电池放电调节器模块(BDR)包含电流采样电路、放电控制电路、放电保护电路和辅助电源(APS)供电电路，其中放电保护电路直接连接外部锂电池组，并依据检测到的电压和放电电流信号控制放电通道的通断，实现过放和过流保护；电流采样电路采样放电电流值，并分3路输出：1路送到放电保护电路中，用作过流保护输入电压；1路送至放电控制电路中，用于恒流放电控制；1路送到检测调理模块中，用于后期调理处理；放电控制电路输入电流采样值，用于控制放电主拓扑，将放电电流输出到外部放电负载加以消耗，实现外部锂电池组恒流放电；APS供电电路输入卫星一次电源，输出的二次电源供BDR内部各功能电路使用。
进一步地，所述电池放电调节器模块在输入电流为9A±1A时启动保护，关闭放电输出通道。所述放电保护电路设定保护值为61.6V，当电池端电压低于61.6V时启动保护，关闭放电输出通道。
进一步地，所述电池放电调节器模块在放电输出端连接了一个功率二极管组成的保护电路，可实现主份/备份电池放电调节器模块相互电气隔离的条件下共用同一个放电负载。
进一步地，所述检测调理模块采用补偿电阻和电阻分压网络设计，减小测量电路对电池电量均衡的影响。
进一步地，所述检测调理模块包含电流采样电路、单体电池电压检测电路、总电压检测电路、中值电压检测电路和APS供电电路。电流采样电路直接测量外部锂电池组的充放电电流值；3种电压检测电路的输入端均直接连接外部锂电池组的电压输出端，检测调理后的信号输出到外部的信号采集接口中。APS供电电路输入卫星一次电源，输出的二次电源供检测调理模块内部各功能电路使用。
本发明中利用外部卫星一次电源为所述航天器多功能结构锂电池***电源管理单元供电；利用外部卫星测控接口向本发明发出充放电控制遥控指令，并接收返回的遥测信号；利用外部信号采集接口采集本发明输出的电压/电流参数；利用外部放电负载消耗BDR输出的电能。
采用本发明获得的有益效果：本发明用于航天器多功能结构锂电池***的锂电池组的充放电控制和主备电源切换控制，并提供电池组状态检测与调理功能。本发明为提高产品安全性和可靠性，在电路结构设计和详细设计上均采用了大量物理冗余备份设计，结合模块化设计技术，将电路之间的耦合和串扰减少到最小，同时大大降低产品失效的可能性；本发明产品体积小，功耗低，充放电控制和参数检测精度高，可满足航天应用要求。
附图说明
图1为本发明的组成原理示意框图；
图2为电池充电调节器模块(BCR)的原理框图；
图3为电池放电调节器模块(BDR)的原理框图；
图4为检测调理模块电路原理框图；
图5为单体电池电压采样电路图；
图6为辅助电源APS的PWM控制驱动电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明所述的航天器多功能结构锂电池***电源管理单元是航天器多功能结构锂电池***的重要组成之一，其组成结构示意框图如图1所示，主要由加断电控制与遥测模块、电池充电调节器模块BCR、电池放电调节器模块BDR和检测调理模块构成。上述功能模块均采用冗余备份设计，图1中标识分为主份与备份均显示的结构示意框图。
所述航天器多功能结构锂电池***电源管理单元实现为航天器多功能结构锂电池***提供充电/放电控制、主备电源切换控制与检测调理等功能，以下将分别进行描述。
所述加断电控制与遥测模块主要接收卫星测控接口发送的遥控指令，驱动磁保持继电器实现接通和断开操作，实现卫星一次电源在BCR、BDR和检测调理模块中的加载与断开；通过检测继电器中辅触点的接通/断开状态，可实现对应继电器开关状态的遥测操作。
所述电池充电调节器模块(BCR)可利用卫星平台提供的一次电源，对外部锂电池组进行充电控制，并实现卫星一次电源和锂电池组的电气隔离；BCR具有恒流充电、恒压充电、防过充和短路保护等功能。
BCR的具体组成如图2所示，主要由主功率电路、电流采样电路、充电控制与驱动电路、充电保护电路(包括输出过流保护和输出过压保护两个部分)以及APS供电电路等组成，详细叙述如下。
主功率电路：包括阻尼式输入滤波器电路、主功率拓扑电路和阻尼式输出滤波器电路，可将卫星一次电源变换为锂电池组所需的充电电源。主功率拓扑电路采用双管正激拓扑，其优点有：电路结构简单，输入输出电压实现隔离，MOSFET电压低(电压应力等于输入电源电压)，变压器磁环能量可回馈给卫星一次电源，拓扑结构可完全消除桥臂直通，并具有可靠性高等优点。
电流采样电路：采用高可靠电流镜采样电路，实现宽电压输入条件下对输出电流的高精度采样。采样信号1路送至充电控制与驱动电路，参与电路的PI(比例积分)反馈控制，另1路送到检测调理模块；为提高电流镜在高温和低温条件下的测量精度，在电流镜一端加入了低温漂的恒流二极管控制电路，以抑制三极管电流温漂对检测精度的影响。
充电控制与驱动电路：内部的双PI环控制电路可分别实现恒流充电和恒压充电的控制，并驱动图中双管隔离驱动电路的主功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)开关工作。当电源电压未达到设定值(91.3V)时，电流环工作从而以恒定的电流值(2A)充电；当电池电压达到设定值，恒压环工作，锂电池组进行恒压充电；当检测到充电电流小于0.5A时，BCR停止继续对锂电池组充电，恒压充电截止。
充电保护电路：包含图中所示输出过流保护和输出过压保护。过流保护是当模块内部因故出现过流故障时，保护电路动作，切断主功率电路的PWM驱动，防止对产品本身和一次电源造成损坏，过流保护值设置为2.8A±0.2A，启动充电过流保护，关闭锂电池的充电通道；输出过压保护通过检测电池端电压，当高于设定值92.4V时，启动电压过充保护，关闭锂电池的充电通道，可将充电调节模块内部PWM驱动拉低，切断BCR模块的充电电流，防止过度充电对卫星安全造成危害。此外在BCR的输出侧还增加了两个二极管串联的短路保护电路。
APS供电电路：BCR内部采用隔离式的辅助电源(APS)，将100V母线电压转换成控制电路所需的±12V电源，确保BCR的各个电路正常工作。
所述电池放电调节器模块(BDR)可对锂电池组进行放电控制，BDR具有对锂电池组恒流放电的功能，并在锂电池组故障状态下实现过放和短路保护功能。
BDR的具体组成结构如图3所示，主要由电流采样电路、放电控制电路、放电保护电路和APS供电电路组成，具体为：
电流采样电路：电流采样电路采用“精密电阻+电流镜”的方式，以得到对直流和高频电流的精确测量，电流采样电路同BCR采样电路一致。采样信号一路送至放电控制电路参与电路的PID(比例积分差分)调节控制；一路送至放电过流监测电路实现过流保护；一路送到检测调理模块供处理后输出。
放电保护电路：主要包含输入滤波电路、放电过流监测电路、电池过放监测电路、MOSFET通断控制电路等。输入滤波电路主要采用阻尼滤波器电路，以提高单机的电磁兼容性能。放电过流监测电路设计为输入电流为9±1A时启动保护，可对保护MOSFET的驱动电路发出控制信号，将MOSFET关断，以关闭BDR模块。电池过放监控电路在电池电压低于61.6V时，电池采样电压值与参考值比较，使比较器输出高电平，将输入端MOSFET关断，以关闭BDR模块。在放电输出端连接了一个功率二极管组成的保护电路，可实现主份/备份BDR相互电气隔离的条件下共用同一个放电负载。
放电控制电路：主要包括输出滤波器电路、放电功率主拓扑电路和控制驱动电路。滤波器采用阻尼滤波器；控制驱动电路采用PID控制器，结合PWM控制芯片，驱动单管隔离驱动电路。放电功率主拓扑电路选择BOOST拓扑，其电路结构简单，性能可靠。整个拓扑中，仅使用一个MOSFET及一个二极管作为功率器件，所需器件少，效率高。
APS供电电路：BDR内部采用隔离式APS电源，将100V母线电压转换成BDR控制电路所需的±12V电源。
所述检测调理模块主要实现电源的单体电池电压、总电压、中值电压信号、充电/放电电流信号等的检测和调理，所有信号最终调理成0～5V的模拟信号，输出到信号外部采集电路和卫星使用。
检测调理模块电路框图如图4所示，其主要包括电流采样电路、单体电池电压检测电路、中值电压检测电路、总电压检测电路和APS供电电路。由于各电压检测模块和电池组各节电池持续连接，内部的电阻分压电路对每节电池以不同电流进行缓慢放电，易造成电池电量不均衡。因此调理电路模块采用补偿电阻和电阻分压网络设计，主要对每节电池与地之间进行相应的补偿，使流过每节单体电池的电流一致，达到均衡的目的，以避免因分压电阻网络对电池构成的电流泄放回路所导致的电池电量发生较大差异。
单体电池电压采样电路如图5所示，采样电路采样低温飘、低失调、低功耗、高精度、高共模抑制比仪表运放AD620搭建而成，电池电压通过电阻分压至AD620输入共模电压范围要求值内，并作差模和共模滤波措施处理后送给AD620处理，AD620通过改变外接电阻阻值大小(运放放大倍数)，将电压调节至0-5V范围内。其他电容(C1～C10)和电阻(R1～R9)均采用冗余备份设计，以提高***可靠性。
前述BCR、BDR和检测调理模块中的辅助电源(APS)电路除提供各模块工作所需的二次电源，还具有输入欠压保护、输入过流保护、输出过压保护等保护功能。
考虑到APS供电电路的输入电压为100V，输出电压为±12V(或12V)，输入输出需要隔离，因此在拓扑选择上需要综合考虑元器件数量和效率等因素，选择隔离反激拓扑。APS供电电路选择UC3845A芯片，采用电流型控制方式。芯片UC3845A是高性能固定频率电流模式控制器，具有以下特点：可微调的振荡器，有精确的频率控制；输出死区时间从50％至70％可调；自动前馈补偿；锁存脉宽调制器可逐周期限流。APS的PWM控制驱动电路如图6所示(PWM表示脉冲宽度调制)，为提高可靠性，在PWM电路中的电容电阻均采用冗余备份设计，图6中R159～R191表示电阻，C112～C120表示电容，VD表示二极管，VT表示场效应管，PGND表示电源地。
由于本发明采用较多的隔离变压器，对应的控制驱动电路及主功率电路具有高频特性，易导致高频谐波辐射干扰；为了提高单机的电磁兼容性能，本发明对隔离变压器采用铝制容器进行屏蔽，减少其辐射量；同时在电路布线设计方面的措施包括：将控制线布线在内层信号层；将滤波电容布线加宽以降低感抗；将边框覆铜的内电层挖空处理等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种航天器多功能结构锂电池***电源管理单元，其特征在于：主要包括加断电控制与遥测模块、电池充电调节器模块、电池放电调节器模块和检测调理模块，具有锂电池组充放电控制功能和电池信号检测调理功能。
2.如权利要求1所述的一种航天器多功能结构锂电池***电源管理单元，其特征在于：所述加断电控制与遥测模块的输入端分别连接卫星一次电源接口和卫星测控接口，输出端分别连接到电池充电调节器模块、电池放电调节器模块、检测调理模块和外部卫星测控接口，以实现电池充电调节器模块、电池放电调节器模块和检测调理模块的加断电控制和加断电状态遥测输出功能；所述电池充电调节器模块的输入端连接到加断电控制与遥测模块，输出端则分别连接到检测调理模块和外部锂电池组，实现卫星一次电源向锂电池组的充电控制；所述电池放电调节器模块的输入端连接外部锂电池组，输出端分别连接到外部放电负载和检测调理模块，对锂电池组进行恒流放电控制；所述检测调理模块对充放电过程中的电流和电压进行监控，并输出检测信号到外部信号采集接口。
3.根据权利要求1所述的一种航天器多功能结构锂电池***电源管理单元，其特征在于：所述加断电控制与遥测模块、电池充电调节器模块、电池放电调节器模块、检测调理模块均设计有备份结构，备份结构与原结构的组成及连接方式相同；所述航天器多功能结构锂电池***电源管理单元在关键电路的电容、电阻元器件在各模块结构中均采用冗余备份设计；在所述电池充电调节器模块、电池放电调节器模块和检测调理模块中分别单独设置辅助电源，为相应模块提供工作电源。
4.根据权利要求1所述的一种航天器多功能结构锂电池***电源管理单元，其特征在于：所述电池充电调节器模块由主功率电路、电流采样电路、充电控制与驱动电路、充电保护电路和辅助电源供电电路组成；所述主功率电路输入端连接卫星一次电源，并受到充电控制与驱动电路输出的控制信号控制，输出端则连接到电流采样电路；电流采样电路采样经过的充电电流值，并分3路输出：1路送到内部的充电控制与驱动电路，实现电流的反馈控制；1路送到输出过流保护电路，参与过流保护操作；1路送到检测调理模块，用于信号的调理操作；所述充电控制与驱动电路输入的信号包括3路：电流采样电路输出的电流信号、电池总电压参考信号和充电电流参考信号，三种信号一起驱动PWM控制芯片工作，最终控制主功率电路进行充电操作；辅助电源供电电路输入卫星一次电源，输出的二次电源供电池充电调节器模块内部各功能电路使用。
5.根据权利要求4所述的一种航天器多功能结构锂电池***电源管理单元，其特征在于：所述电流采样电路采用电流镜采样电路，在电流镜内部加入了恒流二极管控制电路；所述充电保护电路中过流保护值设置为2.8A±0.2A；所述充电保护电路中过压保护值设置为92.4V。
6.根据权利要求1所述的一种航天器多功能结构锂电池***电源管理单元，其特征在于：所述电池充电调节器模块的输出侧设置了两个二极管串联的短路保护电路。
7.根据权利要求1所述的一种航天器多功能结构锂电池***电源管理单元，其特征在于：所述电池放电调节器模块包含电流采样电路、放电控制电路、放电保护电路和辅助电源供电电路；所述放电保护电路直接连接外部锂电池组，并依据检测到的电压和放电电流信号控制放电通道的通断，实现过放和过流保护；电流采样电路采样放电电流值，并分3路输出：1路送到放电保护电路中，用作过流保护输入电压；1路送至放电控制电路中，用于恒流放电控制；1路送到检测调理模块中，用于后期调理处理；放电控制电路输入电流采样值，用于控制放电主拓扑，将放电电流输出到外部放电负载加以消耗，实现外部锂电池组恒流放电，辅助电源供电电路输入卫星一次电源，输出的二次电源供电池放电调节器模块内部各功能电路使用。
8.根据权利要求7所述的一种航天器多功能结构锂电池***电源管理单元，其特征在于：所述电池放电调节器模块在放电输出端连接了一个由功率二极管组成的保护电路。
9.根据权利要求1所述的一种航天器多功能结构锂电池***电源管理单元，其特征在于：所述检测调理模块采用补偿电阻和电阻分压网络设计。
10.根据权利要求1所述的一种航天器多功能结构锂电池***电源管理单元，其特征在于：所述检测调理模块包含电流采样电路、单体电池电压检测电路、总电压检测电路、中值电压检测电路和辅助电源供电电路；所述电流采样电路直接测量外部锂电池组的充放电电流值；所述单体电池电压检测电路、总电压检测电路和中值电压检测电路3种电压检测电路的输入端均直接连接外部锂电池的电压输出端，检测调理后的信号输出到外部的信号采集接口中；辅助电源供电电路输入卫星一次电源，输出的二次电源供检测调理模块内部各功能电路使用。
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