CN218867946U - 一种航天用锂离子蓄电池组对外电连接器不带电插拔*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种航天用锂离子蓄电池组对外电连接器不带电插拔***，采用一体化设计，将原电源控制器中关于蓄电池的放电、采样、均衡开关及控制电路与蓄电池组集成于一体，在默认状态下，蓄电池组对外的电连接器均不带电，避免了地面测试时电缆带电插拔存在的安全隐患，提高了地面测试的安全性和可靠性，确保整星加电安全。该技术提高了锂离子蓄电池组参与整星测试时的可靠性与安全性，同时保证了蓄电池单体电压采样的精确度。本实用新型的设计工程实现容易，对卫星用锂离子蓄电池组安全设计具有重要的工程应用价值。

Description

一种航天用锂离子蓄电池组对外电连接器不带电插拔***

技术领域

本实用新型涉及航天电源技术领域，具体涉及一种航天用锂离子蓄电池组对外电连接器不带电插拔***。

背景技术

锂离子蓄电池组作为卫星的储能电源，其主要作用是在充电时将电能转化为化学能，放电时将化学能转化为电能，其主要任务工作为在发射主动段和在轨地影期为卫星提供电能，在卫星执行大功率任务时，联合太阳电池供电，作为整星的能源心脏，具有至关重要的作用。

传统的锂离子蓄电池组根据能源平衡需要，选择相应的单体串联和并联设计，然后通过对外电连接器，将能量通过整星电缆网接入电源管理单元，参与整星能源供配。这种设计简单直接，蓄电池组对外电连接器接点与蓄电池组压接端子通过导线直接相连，导致蓄电池组对外电连接器一直带电，整星电缆插拔操作过程中，属于带电插拔，如果操作人员电缆插拔操作不规范，可能造成打火现象，存在安全隐患。而且蓄电池单体的采样电压通过整星电缆网接入电源管理单元中电池管理部分，线路过长，易受到其它电路干扰，使单体采样电压产生较大误差，影响单体均衡功能，使锂离子单体电池电压不一致性加剧，影响蓄电池组的工作寿命。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种航天用锂离子蓄电池组对外电连接器不带电插拔***，该设计由继电器、充电续流二极管、CPU处理器、均衡驱动及功率电路、单体采样电路、CAN通讯电路等组成，电装工艺流程简单，器件选型均为常规元器件，易于工程实现。

本实用新型的技术解决方案是：

一种航天用锂离子蓄电池组对外电连接器不带电插拔***，包括：放电控制模块和采样均衡模块；

蓄电池组功率正线通过功率导线进入放电控制模块，蓄电池组功率正线与放电控制模块中的放电开关继电器连接，放电控制模块通过对外电连接器对外提供蓄电池充放电接口；在默认状态下，放电开关继电器处于断开状态，确保蓄电池组对放电控制模块输出端设置的蓄电池充放电接口不带电；放电开关继电器用于改变放电控制模块与星上母线正线之间的通断状态；

蓄电池组中每个电池单体的单体电压通过信号导线进入采样均衡模块；采样均衡模块对单体电压进行采样和比较，根据采样和比较结果调整电池单体的充放电状态；采样均衡模块通过通讯总线接收星上计算机的控制指令，改变放电开关继电器的通断状态。

优选地，采样均衡模块包括：单体采样电路、电压均衡模块和下位机；

单体采样电路连接蓄电池组中电池单体的输出端，采集单体电压并通过采样端口发送给下位机；

下位机通过通讯总线接收星上计算机的控制指令，改变放电开关继电器的通断状态；下位机接收单体电压对单体电压进行采样和比较，生成均衡N指令，并通过指令端口发送给电压均衡模块；

电压均衡模块根据均衡N指令调整蓄电池组中电池单体的充放电状态。

优选地，下位机作为网络通信从节点，通过总线实现与星务主机之间的信息交换。

优选地，每个电池单体设置有对应的单体采样电路和单体电压均衡电路。

优选地：蓄电池放电控制模块包括：继电器K2，电阻R304，二极管D301，二极管D307和二极管D308；

继电器K2的公共触点连接蓄电池组功率正线，继电器K2的常断触点连接星上母线正线，继电器K2常断触点线包指令端连接放电开通指令，继电器K2常开触点线包指令端连接放电关断指令；二极管D301阳极连接星上母线正线，二极管D301阴极连接蓄电池组功率正线；电阻R304一端与继电器指令供电连接，另一端与继电器K2的指令线包供电触点连接；二极管D308阳极连接继电器K2常断触点线包指令端；二极管D307阳极连接继电器K2常开触点线包指令端。

优选地：继电器K2采用双线包继电器。

优选地：单体采样电路包括：电阻R102-N、电阻R104-N、电阻R105-N、电阻R106-N、电阻R108-N、电阻R109-N、电阻R110-N、运算放大器U1、运算放大器U2、稳压管D13-N和电容C41-N；

电阻R104-N的一端接单体N的正端，另一端接与电阻R110-N一端连接，电阻R110-N另一端与单体1负端连接；电阻R106-N的一端与R104-N的一端连接，电阻R106-N的另一端与运算放大器U1同相输入端连接，电阻R102-N的一端与运算放大器U1同相输入端连接，电阻R102-N的另一端接地；电阻R105-N的一端接单体N负端，电阻R105-N的另一端接与电阻R109-N一端连接，电阻R109-N另一端与单体1负端连接；电阻R108-N的一端与电阻R105-N的一端连接，电阻R108-N的另一端与运算放大器U1反相输入端连接，电阻R111-N的一端与运算放大器U1反相输入端连接，电阻R111-N的另一端与运算放大器U1输出端连接；电阻R273-N一端与运算放大器U1输出端连接，电阻R273-N另一端与运算放大器U2同相输入端连接；电阻R277-N一端与运算放大器U2输出端连接，电阻R277-N另一端与运算放大器U2反相输入端连接；电阻R276-N一端与运算放大器U2输出端连接，电阻R276-N另一端与稳压管D13-N的阴极连接；电阻R318-N的一端与运算放大器U2输出端连接，电阻R318-N另一端接地；稳压管D13-N的阴极作为输出端向下位机输出电压采样信号，稳压管D13-N的阳极接地；电容C41-N一端与稳压管D13-N的阴极连接；另一端接地；

N表示蓄电池组中任意蓄电池单体的编号，N∈[1，n]，n为蓄电池组中的单体总数。

优选地：单体电压均衡电路包括：电阻R249-N、电阻R250-N、电阻R251-N、电阻R252-N、电阻R253-N和PNP型三极管Q213-N；

电阻R249-N的一端与单体N正端连接，电阻R249-N的另一端与PNP型三极管Q213-N的基极连接；电阻R253-N的一端与Q213-N的集电极连接，电阻R253-N的另一端与单体N负端连接；PNP型三极管Q213-N的发射极与单体N正端连接；电阻R251-N的一端与与PNP型三极管Q213-N的基极连接，电阻R251-N的另一端与PNP型三极管Q214-N的发射极连接；电阻R250-N的一端与电阻R251-N的一端连接，电阻R250-N的另一端与PNP型三极管Q214-N的基极连接；电阻R252-N的一端作为输入端接收下位机传输的与均衡N指令端连接，电阻R252-N的另一端与PNP型三极管Q214-N的基极连接；PNP型三极管Q214-N的集电极极与单体N负端连接；

N表示蓄电池组中任意蓄电池单体的编号，N∈[1，n]，n为蓄电池组中的单体总数。

本实用新型与现有技术相比的优点在于：

采用一体化设计，将蓄电池组与蓄电池管理单元集成于一体。蓄电池组功率正线通过功率导线进入放电控制模块后，与放电开关继电器连接，通过对外电连接器对外提供蓄电池充放电接口，在默认状态下，蓄电池组的放电开关处于断开状态，确保放电控制模块输出端的蓄电池充放电接口不带电。

蓄电池组单体采样与均衡信号线通过信号导线进入均衡模块中，使用运放集成电路进行控制变换，然后经过跟随器将信号送至均衡模块中的下位机，采用射极跟随器实现信号输出端和芯片输入端的隔离，避免阻抗不匹配对信号的采集使用造成干扰。

均衡模块下位机完成蓄电池单体电压和整组电压的采集，遥控指令的执行，均衡状态判断、自主均衡控制等功能。同时，作为网络通信从节点，通过总线实现与星务主机之间的信息交换。

此实用新型相比传统航天用锂离子蓄电池组设计具有以下优点：将放电控制电路与蓄电池集成于一体，解决了蓄电池组地面整星测试时带电插拔的问题，有效提高了地面测试的安全性和可靠性；同时将蓄电池采样均衡电路与蓄电池集成于一体，降低了整星线缆对单体采样造成的误差。

附图说明

图1为本实用新型一种航天用锂离子蓄电池组对外电连接器不带电插拔***框图。

图2是本实用新型实施例一种航天用锂离子蓄电池组对外电连接器不带电插拔***的产品图。

图3是本实用新型实施例一种航天用锂离子蓄电池组对外电连接器不带电插拔***的结构框图。

图4(a)是本实用新型蓄电池放电控制模块原理图。

图4(b)是本实用新型蓄电池单体采样电路原理图。

图4(c)是本实用新型蓄电池单体电压均衡电路原理图。

图4(d)是本实用新型蓄电池单体控制电路原理图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型的航天用锂离子蓄电池组对外电连接器不带电插拔设计方法进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型一种航天用锂离子蓄电池组对外电连接器不带电插拔***，包括：放电控制模块和采样均衡模块；

蓄电池组功率正线通过功率导线进入放电控制模块，蓄电池组功率正线与放电控制模块中的放电开关继电器连接，放电控制模块通过对外电连接器对外提供蓄电池充放电接口，用于向星上母线进行功率输出；在默认状态下，蓄电池组的放电开关继电器处于断开状态，确保蓄电池组对放电控制模块输出端设置的蓄电池充放电接口不带电；

蓄电池组单体采样与均衡信号(即单体电压)通过信号导线进入蓄电池管理单元，然后通过内部电连接器送到采样均衡模块中的单体采样电路；根据每个单体的电压信号进行采样和比较，根据采样和比较结果调整单体的电压(即蓄电池单体的充放电状态)。

太阳阵通过母线给蓄电池组供电，或者蓄电池组放电，通过母线向负载提供能量。

采样均衡模块包括：单体采样电路、电压均衡模块和下位机。每个单体设置有对应的单体采样电路和单体电压均衡电路。下文中的N表示蓄电池组中任意蓄电池单体的编号，N∈[1，n]，n为蓄电池组中的单体总数。

下位机完成蓄电池单体电压和整组电压的采集、放电开关继电器控制指令的执行。放电开关继电器用于改变蓄电池管理单元中放电控制模块与星上母线正线之间的通断状态。下位机通过通讯总线接收星上计算机的控制指令，改变放电开关继电器的通断状态，调整单体的电压实现自主单体均衡功能。同时，下位机作为网络通信从节点，通过总线实现与星务主机之间的信息交换。

如图4(a)所示，蓄电池放电控制模块使用双线包继电器，包括：继电器K2，电阻R304，二极管D301，二极管D307和二极管D308。继电器K2的公共触点连接蓄电池组功率正线，继电器K2的常断触点连接星上母线正线，继电器K2常断触点线包指令端连接放电开通指令，继电器K2常开触点线包指令端连接放电关断指令；二极管D301阳极连接星上母线正线，二极管D301阴极连接蓄电池组功率正线；电阻R304一端与继电器指令供电连接，另一端与继电器K2的指令线包供电触点连接；二极管D308阳极连接继电器K2常断触点线包指令端；二极管D307阳极连接继电器K2常开触点线包指令端。

如图4(b)所示，单体采样电路包括：电阻R102-N、电阻R104-N、电阻R105-N、电阻R106-N、电阻R108-N、电阻R109-N、电阻R110-N、运算放大器U1、运算放大器U2、稳压管D13-N和电容C41-N；

电阻R104-N的一端接单体N的正端，另一端接与电阻R110-N一端连接，电阻R110-N另一端与单体1负端连接；电阻R106-N的一端与R104-N的一端连接，电阻R106-N的另一端与运算放大器U1同相输入端连接，电阻R102-N的一端与运算放大器U1同相输入端连接，电阻R102-N的另一端接地；电阻R105-N的一端接单体N负端，电阻R105-N的另一端接与电阻R109-N一端连接，电阻R109-N另一端与单体1负端连接；电阻R108-N的一端与电阻R105-N的一端连接，电阻R108-N的另一端与运算放大器U1反相输入端连接，电阻R111-N的一端与运算放大器U1反相输入端连接，电阻R111-N的另一端与运算放大器U1输出端连接；电阻R273-N一端与运算放大器U1输出端连接，电阻R273-N另一端与运算放大器U2同相输入端连接；电阻R277-N一端与运算放大器U2输出端连接，电阻R277-N另一端与运算放大器U2反相输入端连接；电阻R276-N一端与运算放大器U2输出端连接，电阻R276-N另一端与稳压管D13-N的阴极连接；电阻R318-N的一端与运算放大器U2输出端连接，电阻R318-N另一端接地；稳压管D13-N的阴极作为输出端向下位机输出电压采样信号，稳压管D13-N的阳极接地；电容C41-N一端与稳压管D13-N的阴极连接；另一端接地。

如图4(c)所示，单体电压均衡电路包括：电阻R249-N、电阻R250-N、电阻R251-N、电阻R252-N、电阻R253-N和PNP型三极管Q213-N；

电阻R249-N的一端与单体N正端连接，电阻R249-N的另一端与PNP型三极管Q213-N的基极连接；电阻R253-N的一端与Q213-N的集电极连接，电阻R253-N的另一端与单体N负端连接；PNP型三极管Q213-N的发射极与单体N正端连接；电阻R251-N的一端与与PNP型三极管Q213-N的基极连接，电阻R251-N的另一端与PNP型三极管Q214-N的发射极连接；电阻R250-N的一端与电阻R251-N的一端连接，电阻R250-N的另一端与PNP型三极管Q214-N的基极连接；电阻R252-N的一端作为输入端接收下位机传输的与均衡N指令端连接，电阻R252-N的另一端与PNP型三极管Q214-N的基极连接；PNP型三极管Q214-N的集电极极与单体N负端连接。

如图4(d)所示，蓄电池单体下位机电路的一种具体电路连接方式为：单体采样电路的单体N采样信号(输出电压采样信号)与下位机M1采样端连接；单体电压均衡电路输出的均衡N指令与下位机M1指令输出端口连接；通讯总线与下位机M1总线通讯端连接。

如图2所示，为本实用新型实施例的设计模型，将蓄电池管理单元与锂离子蓄电池组集成于一体，其中蓄电池管理单元靠近蓄电池组的一侧是放电控制模块，外侧是采样均衡模块。

如图3所示，蓄电池组功率正线通过功率导线进入放电控制模块后，与放电开关继电器连接，通过对外电连接器对外提供蓄电池充放电接口，在默认状态下，蓄电池组的放电开关(两只继电器并联)处于断开状态，确保放电控制模块输出端的蓄电池充放电接口不带电。蓄电池组单体采样与均衡信号线通过信号导线进入放电控制模块，然后通过内部电连接器送到采样均衡模块，采样均衡模块对单体进行电压采样，将信号送至采样均衡模块中的CPU芯片80C51 F040中。

如图4(a)所示，在蓄电池静置时，放电开关K1和K2断开，蓄电池对外接口不带电，可在保证安全的前提下进行整星电缆的插拔操作。放电开关采用两个2JB5-1-12继电器并联，保证降额裕度；继电器线圈输入端串接两个并联的10欧姆小电阻，线圈两端均并联二极管提供能量释放回路，继电器在安装方式上保证外壳与设备机壳绝缘，继电器外壳与机壳实现100千欧高阻接地，避免由于继电器内部零件短路或搭壳引起的连锁故障。

如图4(b)所示，蓄电池单体采样电路中的运算放大器U1和运算放大器U2采用LM124构成差分放大电路进行采集，采用LM124构成射极跟随器实现单体采样信号输出端和CPU芯片输入端的隔离，避免阻抗不匹配对信号的采集造成干扰。

如图4(c)所示，蓄电池单体均衡电路采用每个锂离子电池单体上都并联一个通断开关和一个分流电阻。通断开关采用2N2907，分流电阻值的选取要保证电阻上的分流电流远大于电池的自放电电流，一般等效分流电阻为20欧～40欧，这样才能达到均衡充电的效果。均衡旁路控制电路保证锂离子电池各个单体电压均衡，蓄电池单体电压之间的电压差小于第一阈值，第一阈值的取值范围为30～60mV。

本实用新型虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种航天用锂离子蓄电池组对外电连接器不带电插拔***，其特征在于，包括：放电控制模块和采样均衡模块；

蓄电池组功率正线通过功率导线进入放电控制模块，蓄电池组功率正线与放电控制模块中的放电开关继电器连接，放电控制模块通过对外电连接器对外提供蓄电池充放电接口；在默认状态下，放电开关继电器处于断开状态，确保蓄电池组对放电控制模块输出端设置的蓄电池充放电接口不带电；放电开关继电器用于改变放电控制模块与星上母线正线之间的通断状态；

蓄电池组中每个电池单体的单体电压通过信号导线进入采样均衡模块；采样均衡模块对单体电压进行采样和比较，根据采样和比较结果调整电池单体的充放电状态；采样均衡模块通过通讯总线接收星上计算机的控制指令，改变放电开关继电器的通断状态。

2.根据权利要求1所述的一种航天用锂离子蓄电池组对外电连接器不带电插拔***，其特征在于，采样均衡模块包括：单体采样电路、电压均衡模块和下位机；

单体采样电路连接蓄电池组中电池单体的输出端，采集单体电压并通过采样端口发送给下位机；

下位机通过通讯总线接收星上计算机的控制指令，改变放电开关继电器的通断状态；下位机接收单体电压对单体电压进行采样和比较，生成均衡N指令，并通过指令端口发送给电压均衡模块；

电压均衡模块根据均衡N指令调整蓄电池组中电池单体的充放电状态。

3.根据权利要求2所述的一种航天用锂离子蓄电池组对外电连接器不带电插拔***，其特征在于，下位机作为网络通信从节点，通过总线实现与星务主机之间的信息交换。

4.根据权利要求2所述的一种航天用锂离子蓄电池组对外电连接器不带电插拔***，其特征在于，每个电池单体设置有对应的单体采样电路和单体电压均衡电路。

5.根据权利要求4所述的一种航天用锂离子蓄电池组对外电连接器不带电插拔***，其特征在于：蓄电池放电控制模块包括：继电器K2，电阻R304，二极管D301，二极管D307和二极管D308；

继电器K2的公共触点连接蓄电池组功率正线，继电器K2的常断触点连接星上母线正线，继电器K2常断触点线包指令端连接放电开通指令，继电器K2常开触点线包指令端连接放电关断指令；二极管D301阳极连接星上母线正线，二极管D301阴极连接蓄电池组功率正线；电阻R304一端与继电器指令供电连接，另一端与继电器K2的指令线包供电触点连接；二极管D308阳极连接继电器K2常断触点线包指令端；二极管D307阳极连接继电器K2常开触点线包指令端。

6.根据权利要求5所述的一种航天用锂离子蓄电池组对外电连接器不带电插拔***，其特征在于：继电器K2采用双线包继电器。

7.根据权利要求4所述的一种航天用锂离子蓄电池组对外电连接器不带电插拔***，其特征在于：单体采样电路包括：电阻R102-N、电阻R104-N、电阻R105-N、电阻R106-N、电阻R108-N、电阻R109-N、电阻R110-N、运算放大器U1、运算放大器U2、稳压管D13-N和电容C41-N；

电阻R104-N的一端接单体N的正端，另一端接与电阻R110-N一端连接，电阻R110-N另一端与单体1负端连接；电阻R106-N的一端与R104-N的一端连接，电阻R106-N的另一端与运算放大器U1同相输入端连接，电阻R102-N的一端与运算放大器U1同相输入端连接，电阻R102-N的另一端接地；电阻R105-N的一端接单体N负端，电阻R105-N的另一端接与电阻R109-N一端连接，电阻R109-N另一端与单体1负端连接；电阻R108-N的一端与电阻R105-N的一端连接，电阻R108-N的另一端与运算放大器U1反相输入端连接，电阻R111-N的一端与运算放大器U1反相输入端连接，电阻R111-N的另一端与运算放大器U1输出端连接；电阻R273-N一端与运算放大器U1输出端连接，电阻R273-N另一端与运算放大器U2同相输入端连接；电阻R277-N一端与运算放大器U2输出端连接，电阻R277-N另一端与运算放大器U2反相输入端连接；电阻R276-N一端与运算放大器U2输出端连接，电阻R276-N另一端与稳压管D13-N的阴极连接；电阻R318-N的一端与运算放大器U2输出端连接，电阻R318-N另一端接地；稳压管D13-N的阴极作为输出端向下位机输出电压采样信号，稳压管D13-N的阳极接地；电容C41-N一端与稳压管D13-N的阴极连接；另一端接地；

N表示蓄电池组中任意蓄电池单体的编号，N∈[1，n]，n为蓄电池组中的单体总数。

8.根据权利要求4所述的一种航天用锂离子蓄电池组对外电连接器不带电插拔***，其特征在于：单体电压均衡电路包括：电阻R249-N、电阻R250-N、电阻R251-N、电阻R252-N、电阻R253-N和PNP型三极管Q213-N；

电阻R249-N的一端与单体N正端连接，电阻R249-N的另一端与PNP型三极管Q213-N的基极连接；电阻R253-N的一端与Q213-N的集电极连接，电阻R253-N的另一端与单体N负端连接；PNP型三极管Q213-N的发射极与单体N正端连接；电阻R251-N的一端与PNP型三极管Q213-N的基极连接，电阻R251-N的另一端与PNP型三极管Q214-N的发射极连接；电阻R250-N的一端与电阻R251-N的一端连接，电阻R250-N的另一端与PNP型三极管Q214-N的基极连接；电阻R252-N的一端作为输入端接收下位机传输的与均衡N指令端连接，电阻R252-N的另一端与PNP型三极管Q214-N的基极连接；PNP型三极管Q214-N的集电极极与单体N负端连接；

N表示蓄电池组中任意蓄电池单体的编号，N∈[1，n]，n为蓄电池组中的单体总数。

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