CN112421709A - 一种航天高压电源充放电管理*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航天高压电源充放电管理***，其包含：充电管理单元，其与平台直流母线相连，包括n个充电管理模块，n为大于1的整数；高压锂离子蓄电池组单元，其两端连接至放电管理模块，包括与n个充电管理模块对应的n个高压锂离子蓄电池组和n‑1个串联继电器，各个高压锂离子蓄电池组之间通过串联继电器进行串联连接；采样均衡控制单元，包括与n个高压锂离子蓄电池组对应的n个采样均衡控制模块；开关控制单元，包括连接的一个放电管理模块和一个控制总模块，所述放电管理模块连接至高压负载，所述n个采样均衡控制模块分别连接至所述控制总模块。本发明有效克服了高压电源***在低气压环境下的放电问题，避免了高压干扰对控制***的影响。
Description
技术领域
本发明涉及电池组管理***，具体涉航天高压电源充放电管理***。
背景技术
随着空间技术快速发展，航天飞行器对航天电源***的工作模式及功率需求变得十分复杂，空间高压电源***的需求在日益增长。
由于高压电源***需要工作在高压状态下。航天器自发射至入轨过程中，内部单机产品一般要经历低气压环境。在这种环境中的气体带电粒子容易造成空间中电子数雪崩式增长，使原本绝缘的气体变为传导等离子体，形成低气压放电。而且高压状态下，低气压放电问题变得更为严重。低气压放电可能导致单机信号功能下降、设备功能丧失甚至损毁，从而严重影响航天器的可靠性。会给整个电源控制***带来重大危害。
此外，由于采样和通信电路工作电压一般较低，高压电源控制***在工作时会对采样和通信电路形成强烈干扰。严重影响采样和通信数据的准确性，甚至会对电路造成损坏，降低高压电源***的可靠性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种航天高压电源充放电管理***，包含：充电管理单元，其与平台直流母线相连，包括n个充电管理模块，n为大于1的整数；高压锂离子蓄电池组单元，其两端连接至放电管理模块，包括与n个充电管理模块对应的n个高压锂离子蓄电池组和n-1个串联继电器，各个高压锂离子蓄电池组之间通过串联继电器进行串联连接；采样均衡控制单元，包括与n个高压锂离子蓄电池组对应的n个采样均衡控制模块；开关控制单元，包括连接的一个放电管理模块和一个控制总模块，所述放电管理模块连接至高压负载，所述n个采样均衡控制模块分别连接至所述控制总模块。
可以的是，每个高压锂离子蓄电池组包含多个锂离子蓄电池单体。
可以的是，通过n个充电管理模块分别对应n个高压锂离子蓄电池组，高压锂离子蓄电池组的充电***设计成分组充电模式。
可以的是，每个高压锂离子蓄电池组与其所对应的充电管理模块组成隔离充电控制单元，所述充电管理模块包括充电控制电路，所述隔离充电控制单元内部供电的实际电压为对应的充电控制电路确定的电压，每个充电管理模块对其所对应的高压锂离子蓄电池组进行充电。
可以的是，所述放电管理模块采用三级软启动放电模式：第一级软启动电路采用放电开关与100kΩ功率电阻R1串联方式，第二级软启动电路采用放电开关与10kΩ功率电阻R2串联方式，第三级软启动电路采用放电开关直接输出方式。
可以的是，所述采样均衡控制模块设置有单体电压采样电路、温度采样电路和均衡电路，单体电压采样电路用来采集高压锂离子蓄电池组电池单体的电压，温度采样电路用来采集高压锂离子蓄电池组的温度，均衡电路用于对高压锂离子蓄电池组电池单体电压进行均衡，使各节蓄电池组电池单体电压趋于相等。
可以的是，所述电压隔离采样电路采用差分采样电路，对蓄电池单体分压后经差分放大，然后通过模拟电子开关进行选通进入A/D转换，经过隔离后由隔离通信电路发送给控制总模块或者下位机进行处理，从而实现高压与低压完全隔离开来。
可以的是，所述均衡电路为电阻分流电路，采用电阻分流方式，每个高压锂离子蓄电池组包含多个电阻分流电路，每个电阻分流电路对应一个锂离子蓄电池单体，分流开关Q1、Q3和驱动开关Q2、Q4采用双极晶体管实现。
可以的是，所述温度采样电路采用热敏电阻进行温度采集。
可以的是，所述控制总模块通过CAN总线接收各个采样均衡控制模块发送的单体电压数据以及温度数据。
通过上述分为n个高压锂离子蓄电池组的技术方案，本发明的航天高压电源充放电管理***不仅可有效克服传统高压电源***在低气压环境下存在的放电问题，而且避免了高压干扰对控制***的影响，并且对高压锂离子蓄电池组进行维护管理，保证了高压蓄电池组工作的安全性和可靠性，具有极强的实际应用价值，管理方法清晰简单，便于工程实现，保证了实现途径的可靠性。
附图说明
图1为本发明的航天高压电源充放电管理***的整体电路模块图；
图2为本发明的航天高压电源充放电管理***的充电管理模块的电路图；
图3为本发明的航天高压电源充放电管理***的放电管理模块的三级软启动电路图；
图4为本发明的航天高压电源充放电管理***的采样均衡控制模块的电路图；
图5为本发明的航天高压电源充放电管理***的采样均衡控制模块的均衡电路的电路图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种航天高压电源充放电管理***做进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
图1为本发明的航天高压电源充放电管理***的整体电路模块图。如图1所示，本发明的航天高压电源充放电管理***包含：充电管理单元，其与平台直流母线相连，包括n个充电管理模块；高压锂离子蓄电池组单元，其两端连接至放电管理模块，包括n个高压锂离子蓄电池组和n-1个串联继电器，各个高压锂离子蓄电池组之间通过串联继电器进行串联连接，每个高压锂离子蓄电池组包含多个锂离子蓄电池单体；采样均衡控制单元，包括n个采样均衡控制模块；开关控制单元，包括连接的一个放电管理模块和一个控制总模块，所述放电管理模块连接至高压负载，其中，n为大于等于2的整数，每一个高压锂离子蓄电池组对应连接一个充电管理模块和一个采样均衡控制模块，n个采样均衡控制模块分别连接至控制总模块。
充电管理模块对高压锂离子蓄电池组进行充电。在本发明的技术方案中，高压锂离子蓄电池组的充电***设计成分组充电模式，n个充电管理模块分别对应n个高压锂离子蓄电池组。图2为本发明的航天高压电源充放电管理***的充电管理模块的电路图。如图2所示，每个高压锂离子蓄电池组对应一个充电管理模块，每个高压锂离子蓄电池组与其所对应的充电管理模块组成隔离充电控制单元，所述充电管理模块包括充电控制电路，所述隔离充电控制单元的内部供电的实际电压为对应的充电控制电路确定的电压，每个充电管理模块对其所对应的高压锂离子蓄电池组进行充电。在一个实施方案当中，本发明的高压锂离子蓄电池组在充满电后，能够为载荷提供1min、频率200Hz、最大电流约60A的输出。
图3为本发明的航天高压电源充放电管理***的放电管理模块的三级软启动电路图。如图3所示，本发明的放电管理模块接于锂离子蓄电池组和高压负载之间，用于控制锂离子蓄电池组对负载放电的开始与结束，可以采用三级软启动放电模式：第一级软启动电路采用放电开关与100kΩ功率电阻R1串联方式，第二级软启动电路采用放电开关与10kΩ功率电阻R2串联方式，第三级软启动电路采用放电开关直接输出方式。在高压锂离子蓄电池组需要放电时，应将所有串联继电器开通，然后依次开通第一级软启动电路的放电开关，第二级软启动电路的放电开关，第三级软启动电路的放电开关。由此，可以有效避免直接接入高压负载时产生的电流尖峰，提高***可靠性。控制总模块用于控制放电管理模块、充电管理模块、采样均衡控制模块中开关器件的开通与关断，并对采样数据进行处理，或者将采样数据传输给下位机进行处理。下位机可以处理控制总模块发送的采样数据以及发送采样指令。
图4为本发明的航天高压电源充放电管理***的采样均衡控制模块的电路图。n个采样均衡控制模块分别对应n个高压锂离子蓄电池组。如图4所示，采样均衡控制模块设置有单体温度采样电路、电压采样电路和均衡电路。单体电压采样电路用来采集高压锂离子蓄电池组电池单体的电压。温度采样电路用来采集高压锂离子蓄电池组的温度。均衡电路用于对高压锂离子蓄电池组电池单体电压进行均衡，使各节蓄电池组电池单体电压趋于相等，可有效提高蓄电池组的使用寿命。
单体电压采样电路可以采用差分采样电路，对蓄电池单体分压后经差分放大，然后通过模拟电子开关进行选通进入A/D转换，经过隔离后由隔离通信电路发送给控制总模块或者下位机进行处理，从而实现高压与低压完全隔离开来。在优选的实施方案当中，为了实现蓄电池单体电压的高精度采样，采用基于高精度InA117芯片的设计。温度采样电路用来采集高压锂离子蓄电池组的温度。隔离通信电路用于实现数据传输和指令发送。
图5为本发明的航天高压电源充放电管理***的采样均衡控制模块的均衡电路的电路图。均衡电路可以为电阻分流电路，采用电阻分流方式，每个高压锂离子蓄电池组包含多个电阻分流电路，每个电阻分流电路对应一个锂离子蓄电池单体，分流开关(Q1、Q3)和驱动开关(Q2、Q4)采用双极晶体管实现。如图5所示，分流开关选择Q1、Q3串联和驱动开关选择Q2、Q4串联，可以防止分流开关短路故障，其中Q1、Q3为PnP型三极管，Q2、Q4为nPn型三极管；分流电阻R4、R5采用240Ω/0.25W电阻联。所述温度采样电路可以采用热敏电阻进行温度采集。限流电阻R1，R2，R3，R6用于防止后端短路出现过流。
所述控制总模块可以通过CAN总线接收各个采样均衡控制模块发送的单体电压数据以及温度数据。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种航天高压电源充放电管理***，其特性在于，包含：
充电管理单元，其与平台直流母线相连，包括n个充电管理模块，n为大于1的整数；
高压锂离子蓄电池组单元，其两端连接至放电管理模块，包括与n个充电管理模块对应的n个高压锂离子蓄电池组和n-1个串联继电器，各个高压锂离子蓄电池组之间通过串联继电器进行串联连接；
采样均衡控制单元，包括与n个高压锂离子蓄电池组对应的n个采样均衡控制模块；
开关控制单元，包括连接的一个放电管理模块和一个控制总模块，所述放电管理模块连接至高压负载，所述n个采样均衡控制模块分别连接至所述控制总模块。
2.如权利要求1所述的航天高压电源充放电管理***，其特性在于，每个高压锂离子蓄电池组包含多个锂离子蓄电池单体。
3.如权利要求1所述的航天高压电源充放电管理***，其特性在于，通过n个充电管理模块分别对应n个高压锂离子蓄电池组，高压锂离子蓄电池组的充电***设计成分组充电模式。
4.如权利要求1所述的航天高压电源充放电管理***，其特性在于，每个高压锂离子蓄电池组与其所对应的充电管理模块组成隔离充电控制单元，所述充电管理模块包括充电控制电路，所述隔离充电控制单元内部供电的实际电压为对应的充电控制电路确定的电压，每个充电管理模块对其所对应的高压锂离子蓄电池组进行充电。
5.如权利要求1所述的航天高压电源充放电管理***，其特性在于，所述放电管理模块采用三级软启动放电模式：第一级软启动电路采用放电开关与100kΩ功率电阻R1串联方式，第二级软启动电路采用放电开关与10kΩ功率电阻R2串联方式，第三级软启动电路采用放电开关直接输出方式。
6.如权利要求1所述的航天高压电源充放电管理***，其特征在于，所述采样均衡控制模块设置有单体电压采样电路、温度采样电路和均衡电路，单体电压采样电路用来采集高压锂离子蓄电池组电池单体的电压，温度采样电路用来采集高压锂离子蓄电池组的温度，均衡电路用于对高压锂离子蓄电池组电池单体电压进行均衡，使各节蓄电池组电池单体电压趋于相等。
7.如权利要求6所述的航天高压电源充放电管理***，其特征在于，所述电压隔离采样电路采用差分采样电路，对蓄电池单体分压后经差分放大，然后通过模拟电子开关进行选通进入A/D转换，经过隔离后由隔离通信电路发送给控制总模块或者下位机进行处理，从而实现高压与低压完全隔离开来。
8.如权利要求6所述的航天高压电源充放电管理***，其特征在于，所述均衡电路为电阻分流电路，采用电阻分流方式，每个高压锂离子蓄电池组包含多个电阻分流电路，每个电阻分流电路对应一个锂离子蓄电池单体，分流开关Q1、Q3和驱动开关Q2、Q4采用双极晶体管实现。
9.如权利要求6所述的航天高压电源充放电管理***，其特征在于，所述温度采样电路采用热敏电阻进行温度采集。
10.如权利要求1所述的航天高压电源充放电管理***，其特征在于，所述控制总模块通过CAN总线接收各个采样均衡控制模块发送的单体电压数据以及温度数据。
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