CN112542622B - 集成化高可靠锂电池智能管理*** - Google Patents

集成化高可靠锂电池智能管理*** Download PDF

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Abstract

集成化高可靠锂电池智能管理***，包括：模拟量采集单元、指令输出单元、通信单元、中央控制单元和电源管理模块；模拟量采集单元采集锂电池实时的工作温度、电压信号和电流信号；指令输出单元根据控制信号控制锂电池的工作模式；通信单元接收上位机发送的控制指令并传输给中央控制单元；通信单元接收中央控制单元传输的电压信号和电流信号并传输给上位机；中央控制单元将控制指令转换为控制信号并发送给指令输出单元；中央控制单元接收锂电池实时的工作温度、电压信号和电流信号并传输给通信单元。本发明既能够实现地面测试阶段为航天器上设备母线供电和充放电管理，又能够在飞行任务期间为设备母线可靠供电并对供电参数进行遥测。

Description

集成化高可靠锂电池智能管理***
技术领域
本发明涉及集成化高可靠锂电池智能管理***，属于航天飞行器的电源***技术领域。
背景技术
目前，国内在研在役运载型号中，锂离子电池在CZ-4系列伺服和测量***中已经经过飞行试验验证；CZ-7地面测试采用锂离子电池，取代地面电源供电，转电后完全由锂离子电池为箭上提供一次电源，省去了模拟电缆，地面测试时供电的真实性更强，而飞行仍采用银锌电池，XX遥测***采用锂电池作为主电池已经完成了首飞，但靶场测试时为对锂离子电池充电需进行反复下箭上箭拆装操作，测试前后需进行电源输出开关操作，增加了地面测试时的状态转换和状态检查等操作。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了集成化高可靠锂电池智能管理***，旨在为兼顾日常测试和发射飞行任务，集成高可靠锂电池智能管理***，为航天器母线供电提供一种方便可靠的电源***。
本发明的技术方案是：
集成化高可靠锂电池智能管理***，包括：模拟量采集单元、指令输出单元、通信单元、中央控制单元和电源管理模块；
模拟量采集单元：用于采集锂电池实时的工作温度、电压信号和电流信号并发送给中央控制单元；
指令输出单元：接收中央控制单元发送的控制信号，根据控制信号控制锂电池的工作模式；
通信单元：通过以太网连接上位机，接收上位机发送的控制指令并传输给中央控制单元；所述控制指令用于控制锂电池的工作模式；通信单元接收中央控制单元传输的电压信号和电流信号并传输给上位机；
中央控制单元：接收通信单元传输的控制指令，将控制指令转换为控制信号并发送给指令输出单元；中央控制单元接收模拟量采集单元发送的锂电池实时的工作温度、电压信号和电流信号并传输给通信单元；
电源管理模块用于向中央控制单元供电。
中央控制单元根据所述锂电池实时的工作温度、电压信号和电流信号，判断锂电池状态。
锂电池的工作模式包括：边充边用模式、仅充电模式和仅电池供电模式；
边充边用模式：地面电源提供供电和充电输出，可以为箭上母线负载供电，也可以同时为锂电池充电，锂电池充满后自动停止充电；
仅充电模式：地面电源仅提供充电输出，为锂电池进行充电，箭上母线不带电；
仅电池供电模式：锂电池组仅为箭上母线供电，断开锂电池与地面电源之间、箭上母线与地面电源之间的通路。
在锂电池和箭上母线之间设置继电器K1，通过指令控制继电器K1接通和断开可实现锂电池对箭上母线的接入和断开。
在地面电源和箭上母线之间设置继电器K2，通过指令控制继电器K2断开后可实现仅充电模式。
在边充边用模式或仅充电模式下：中央控制单元采集锂电池组电压与基准值比较，若超过给定电压则关断充电开关，实现过充保护。
在边充边用模式或仅充电模式下：避中央控制单元采集过放保护电路电压与基准值比较，若低于给定电压则关断充电开关，实现整组电池过放保护。
在边充边用模式、仅充电模式或仅电池供电模式下：当锂电池组中任一单体电压或电池组总电压达到设定的上限时，中央控制单元通过指令控制充电开关断开，当任一单体电池间的压差超过200mV时，中央控制单元通过通信接口发送均衡维护信号。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)本发明集成化高可靠锂电池智能管理***已完成方案阶段并进行工程研制阶段的工作，目前已完成单机调试和全***联调，产品的各项技术指标全部满足设备设计任务书的指标要求和相关设计文件要求。
2)本发明集成化高可靠锂电池智能管理***可在测试过程中，以在线充放电管理与锂离子蓄电池一体化为特点，既能够实现地面测试阶段为航天器上设备母线供电和充放电管理，又能够在飞行任务期间为设备母线可靠供电并对供电参数进行遥测。
附图说明
图1为本发明电池拓扑图。
图2为本发明电池管理单元原理框图。
图3为电池组构成图。
具体实施方式
本发明集成化高可靠锂电池智能管理***集成了锂电池和电池管理***，为运载火箭提供了一种方便可靠的箭上供电方式。通过对能源管理工作模式的研究，实施能源管理策略，集成化高可靠锂电池智能管理***采用可充电电池，实现在线充放电管理，免除靶场电池上下箭操作，通过供电功率、充电功率、放电功率、负载功率的调节和平衡，实现母线的稳定，满足负载用电品质需求。
电池管理模块对锂电池在线充放电管理，对电池工作参数在线实时采集，并实时预估电池剩余容量，对过压、过流、过温等故障自主检测，同时将电池的工作参数和状态实时回传到地面，实现锂电池安全性监测和故障隔离，确保锂电池在航天器上的高可靠性和安全性。
在地面测试期间，在地面供电及通讯接入后，集成化高可靠锂电池智能管理***便可实现自身包含的锂离子蓄电池组的充电管理，将电池单体及整组状态信息遥测量上传，同时具备防过充、防过放、温度等保护及报警功能。经通信接口完成多种工作模式设置后即可完成充放电工作，地面测试阶段按照三种设置模式工作，临飞前，通过地面指令锁定仅电池供电模式，禁止各保护及指令执行功能，保留遥测功能，蓄电池直接放电为箭上仪器设备供电。
集成化高可靠锂电池智能管理***由电池管理单元和锂离子蓄电池单体组成，电池管理单元以电池接入、充放电管理及遥测通讯功能为主，与锂离子蓄电池结构上一体化设计，为提高电路可靠性，通讯及电池接入开关等部分采用了冗余设计。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。
集成化高可靠锂电池智能管理***，包括：模拟量采集单元、指令输出单元、通信单元、中央控制单元和电源管理模块。
模拟量采集单元：用于采集锂电池实时的工作温度、电压信号和电流信号并发送给中央控制单元；
指令输出单元：接收中央控制单元发送的控制信号，根据控制信号控制锂电池的工作模式；
通信单元：通过以太网连接上位机，接收上位机发送的控制指令并传输给中央控制单元；所述控制指令用于控制锂电池的工作模式；通信单元接收中央控制单元传输的电压信号和电流信号并传输给上位机；
中央控制单元：接收通信单元传输的控制指令，将控制指令转换为控制信号并发送给指令输出单元；中央控制单元接收模拟量采集单元发送的锂电池实时的工作温度、电压信号和电流信号并传输给通信单元；
通过指令控制充电开关接通可实现充电功能的启动，通过指令控制继电器K1接通和断开可实现锂电池对箭上母线的接入和断开，继电器K2则控制地面电源对箭上的供电通路，断开后可实现仅充电模式。
边充边用模式、仅充电模式：为避免地面测试阶段内部电路或元器件失效引发锂电池组过充，采集锂电池组电压与基准值比较，若超过给定电压则关断充电开关，实现过充保护。
边充边用模式、仅充电模式：避免地面测试阶段由于使用不当引发锂电池组过放，采集过放保护电路电压与基准值比较，若低于给定电压则关断充电开关，实现整组电池过放保护。
边充边用模式、仅充电模式和仅电池供电模式：当锂电池组中任一单体电压或电池组总电压达到设定的上限时，通过指令控制充电开关断开，当任一单体电池间的压差超过200mV时，通过通信接口发送均衡维护信号。
可将过充、过放、电池温度过高等情况通过以太网向上位机发出报警信号，保护信号可通过软件进行配置。
电源管理模块用于向中央控制单元供电。
中央控制单元根据所述锂电池实时的工作温度、电压信号和电流信号，判断锂电池状态。
锂电池的工作模式包括：边充边用模式、仅充电模式和仅电池供电模式；
边充边用模式：地面电源提供供电和充电输出，可以为箭上母线负载供电，也可以同时为锂电池充电，锂电池充满后自动停止充电；
仅充电模式：地面电源仅提供充电输出，为锂电池进行充电，箭上母线不带电；
仅电池供电模式：锂电池组仅为箭上母线供电，断开锂电池与地面电源之间、箭上母线与地面电源之间的通路。
在锂电池和箭上母线之间设置继电器K1，通过指令控制继电器K1接通和断开可实现锂电池对箭上母线的接入和断开。
在地面电源和箭上母线之间设置继电器K2，通过指令控制继电器K2断开后可实现仅充电模式。
本发明工程设计过程如下：
1、工作模式设计
集成化高可靠锂电池智能管理***由电池组和电池管理模块组成，可实现箭上电池的在线放电和充电管理。集成化高可靠锂电池智能管理***应满足3种工作模式的使用要求：
a)边充边用模式：地面电源提供供电和充电输出，可以为箭上母线负载供电，也可以同时为电池充电，电池充满后自动停止充电；
b)仅充电模式：地面电源仅提供充电输出，为电池进行充电，箭上母线不带电；
c)仅电池供电模式：仅电池组为箭上母线供电，地面电源供电和充电断开。
集成化高可靠锂电池智能管理***功能拓扑如图1所示。
2、电池管理单元设计
电池管理单元主要功能是对锂电池的在线充放电管理、保护、检测(电压、电流、温度)、故障预警及遥控遥测通讯功能，电池管理单元组成如图2所示。
测试期间，电池组工作前，电池管理***可从地面电源取电，断开地面电源后，电池管理***从箭上设备母线取电，电池管理***可由通信指令关闭。
为了确保电池充电安全，***中加入了电池充电过压保护设计，采用关闭功率驱动电路的方式实现功率电路不输出方式实现过压保护。当任一单体电池间的压差超过200mV时，通过通信接口发送均衡维护信号。
具备电池过放保护功能，当任一电池单体电压低于2.5V时，启动过放保护，切断放电回路，同时开启充电报警功能，充电时给出报警信号，不允许对电池进行充电。过放保护功能默认处于开启状态，可通过软件配置关闭。
将采集电流信号发送至下位机，下位机进行运算从而计算电池容量，当充电放电时下位机会计算充放电时间进行累加运算，计算电池容量，当下次电池再次充满时需将上次计算容量清零，以提高容量测量的精度。
通过霍尔进行采集负载短路电流，采集后数据输入至比较器负端，当箭上母线短路后霍尔瞬间采集电压会超过基准电压，此时比较器会翻转，由原来的高电平变为低电平，此时三极管不导通，因此分压为0，开关管K1断开，实现对***短路保护。
3、锂离子蓄电池组设计
锂离子电池蓄电池组由单体电池、外壳结构、电连接器及紧固件等几个部分组成，如图3所示，选用钴酸锂体系锂离子电池，8只单体电池串联组合，单体电池呈两排排列，每排4只电池，电池组的主要部件及功能如下：
(1)单体电池8只；
(2)套筒式组合架1个，电池组的结构件，将单体电池集装成单元模块；
(3)加热带一组，当电池组温度过低时，给蓄电池组加热；
(4)热敏电阻1个，用于电池组的温度检测和控制；
(5)导线若干，单体电池之间的电连接；
4、软件设计
参数采集：电池参数采集和电路状态采集。CPU通过SPI口控制AD对电池电压和电池温度进行模数转换，将转换结果保存在AD寄存器中，采样完成后CPU通过SPI口从AD寄存器中读出采样数据并存储到RAM。状态量如继电器状态等通过AD内部的16未AD转换器进行采样，转换完成后相应数据存储在RAM中。
网口通信：CPU通过对W5300的控制实现对外部的以太网通信。CPU将电池的参数和下位机板的各种状态量按照通信协议要求进行组帧，按照通信要求将数据通过以太网发送到外部。接收外部通过以太网发送到下位机的指令，判断指令是否接收及解析指令。
电池管理：通过采集到的参数判断电池状态，如过放、过充，并执行相应的过放过充保护策略，在特殊情况下，可以从外部通过以太网向下位机发送继电器开关指令，控制电池的接入和断开。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.集成化高可靠锂电池智能管理***，其特征在于，包括：模拟量采集单元、指令输出单元、通信单元、中央控制单元和电源管理模块；
模拟量采集单元：用于采集锂电池实时的工作温度、电压信号和电流信号并发送给中央控制单元；
指令输出单元：接收中央控制单元发送的控制信号，根据控制信号控制锂电池的工作模式；
通信单元：通过以太网连接上位机，接收上位机发送的控制指令并传输给中央控制单元；所述控制指令用于控制锂电池的工作模式；通信单元接收中央控制单元传输的电压信号和电流信号并传输给上位机；
中央控制单元：接收通信单元传输的控制指令，将控制指令转换为控制信号并发送给指令输出单元；中央控制单元接收模拟量采集单元发送的锂电池实时的工作温度、电压信号和电流信号并传输给通信单元；
电源管理模块用于向中央控制单元供电；
锂电池的工作模式包括：边充边用模式、仅充电模式和仅电池供电模式；
边充边用模式：地面电源提供供电和充电输出，可以为箭上母线负载供电，也可以同时为锂电池充电，锂电池充满后自动停止充电；
仅充电模式：地面电源仅提供充电输出，为锂电池进行充电，箭上母线不带电；
仅电池供电模式：锂电池组仅为箭上母线供电，断开锂电池与地面电源之间、箭上母线与地面电源之间的通路。
2.根据权利要求1所述的集成化高可靠锂电池智能管理***，其特征在于，中央控制单元根据所述锂电池实时的工作温度、电压信号和电流信号，判断锂电池状态。
3.根据权利要求1所述的集成化高可靠锂电池智能管理***，其特征在于，在锂电池和箭上母线之间设置继电器K1，通过指令控制继电器K1接通和断开可实现锂电池对箭上母线的接入和断开。
4.根据权利要求3所述的集成化高可靠锂电池智能管理***，其特征在于，在地面电源和箭上母线之间设置继电器K2，通过指令控制继电器K2断开后可实现仅充电模式。
5.根据权利要求3或4所述的集成化高可靠锂电池智能管理***，其特征在于，在边充边用模式或仅充电模式下：中央控制单元采集锂电池组电压与基准值比较，若超过给定电压则关断充电开关，实现过充保护。
6.根据权利要求3或4所述的集成化高可靠锂电池智能管理***，其特征在于，在边充边用模式或仅充电模式下：避中央控制单元采集过放保护电路电压与基准值比较，若低于给定电压则关断充电开关，实现整组电池过放保护。
7.根据权利要求3或4所述的集成化高可靠锂电池智能管理***，其特征在于，在边充边用模式、仅充电模式或仅电池供电模式下：当锂电池组中任一单体电压或电池组总电压达到设定的上限时，中央控制单元通过指令控制充电开关断开，当任一单体电池间的压差超过200mV时，中央控制单元通过通信接口发送均衡维护信号。
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