宋鼎 張龍龍 康慶 張文佳 劉鵬 王磊

(1 北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)(2 中國石油大學(華東),山東青島 266580) (3 山東航天電子技術研究所,山東煙臺 264670)

由于鋰離子電池的生產工藝限制,鋰離子電池單體之間的容量、電壓、內阻均存在差異,這種差異會隨著鋰離子電池組的循環(huán)次數的增加而增加。單體的不一致會造成電池組無法發(fā)揮最大容量,而且會極大地縮短電池組的使用壽命,甚至造成安全事故。隨著鋰離子電池越來越多地應用于航天裝備,對鋰離子電池管理系統的要求也越來越高。空間鋰離子電池的管理需要解決在近百伏特共模電壓條件下,毫伏級的電壓測量和控制問題,同時還要受到空間環(huán)境條件的約束[1],難度較大,單體電池電壓高精度測量和均衡技術被認為是航天器電池管理的關鍵。

傳統的空間鋰離子電池單體電池電壓測量方法包括分壓電阻法和浮地測量法。分壓電阻法[2]最早被用于鋰離子電池單體電壓測量,其基本思想是使用精密電阻網絡對每個電池的正極電壓進行分壓、模數轉換。該方法工程實現性強,但存在對電阻網絡的精度、匹配性要求很高,高等級器件難以滿足要求。另外,這種方法采用的分壓電路對每個單體電池的放電電流不同,會造成電池單體電壓的分化,降低電池組的性能。浮地測量法[3]將鋰離子電池組分為若干個小組合,與之對應的測量電路將小組合內的單體電池電壓數字化,然后通過光耦隔離方式,將單體電壓測量數據傳輸給上位機。這種方法可以實現較高的測量精度,但測量電路的供電和信息傳輸均需要相互隔離,造成管理電路的功率密度較低。

單體電池均衡方法可分為能量耗散型和非耗散型兩大類,能量耗散型電路拓撲的典型形式為開關電阻均衡,其基本原理利用開關器件和耗散電阻將電壓較高的單體電池能量以熱量的方式消耗,從而防止單體電池過充電[1]。該方法存在均衡效率低、均衡速度慢,因此適用于中小容量鋰離子電池組[3]。隨著空間電池組容量的增加,能量耗散型均衡方式帶來了較大的熱控負擔。基于高頻開關技術的非耗散型電池管理技術已經成為國內外研究的熱點,利用儲能元器件構建單體電池能量轉移通道,實現能量的均衡分配[4],提高均衡精度和能量的利用率,成為降低系統重量和熱控負擔的有效途徑,是電池管理技術的發(fā)展方向。根據電路拓撲的不同,非耗散型均衡可分為基于電容式、基于電感式和隔離變換器三種均衡方式。非耗散型電池均衡拓撲已經基本覆蓋了經典的DC/DC開關電源拓撲,如開關電容拓撲[5]、多變壓器[6-7]、多繞組變壓器[8]、升降壓變換器[9]等。為了進一步提升均衡效率,軟開關技術也被引入了非耗散型電池均衡管理,文獻[6,10]分別利用零電壓開關(ZVS)和零電流開關(ZCS)以減小開關器件的損耗,使得均衡效率相對于非軟開關均衡方法提升20%～30%?？傊?隨著航天器鋰離子電池容量、壽命、可靠性要求的逐步高,以高效率、高精度、全自主為主要特征的新一代非耗散型電池管理技術成為解決上述問題的關鍵。為此,本文提出非耗散型鋰離子電池管理方法,研制電池管理單元,實現了高效率、高精度、全自主電池管理,保障大容量空間鋰離子電池組在軌工作的性能與安全。

1 任務需求

空間鋰離子電池管理技術隨著鋰離子電池在空間應用規(guī)模的擴大而不斷深入。第一代電池管理技術以單體電壓分壓采集和開關電阻耗散均衡為主要特征,電路簡單但采集精度低、均衡電流小,為滿足航天器電源系統對電池組性能與安全不斷提升的要求,第二代電池管理技術采用浮地檢測技術實現單體電壓的高精度測量,結合場效應管(MOSFET)開關技術大大提升了均衡電流,但管理單元的體積和質量也隨之增加、均衡熱耗成為制約電池容量進一步提升的主要因素,不能滿足我國新一代大容量衛(wèi)星平臺的需求?？臻g鋰離子電池管理技術參數對比如表1所示。

表1 空間鋰離子電池管理技術參數對比Table 1 Comparison of technical parameters of space lithium-ion battery management

東方紅五號衛(wèi)星平臺是我國自主開發(fā)的新一代大型地球同步軌道衛(wèi)星平臺。創(chuàng)新的采用桁架結構技術,有效提升平臺的承載能力,可滿足不同功能衛(wèi)星的需求[11]。與通信衛(wèi)星家族現役“主力產品”東方紅三號、四號平臺相比,東方紅五號衛(wèi)星平臺配置的鋰離子電池的容量也成倍增長。這對電池管理的功能和指標都提出了更高的要求。

(1)提高均衡能力,降低熱控負擔:鋰離子電池均衡電流一般按照C/100(C為電池容量)設計,傳統的采用繼電器方式的均衡技術,已不能滿足大電流均衡的要求,場效應管開關技術均衡方案可以提升均衡電流但會給衛(wèi)星熱控分系統帶來巨大的負擔,需要新型方案來解決均衡能力和熱控負擔的矛盾問題。

(2)高管理精度:空間鋰離子電池在生產過中,由于生產工藝以及環(huán)境條件等因素的影響。單體電池在出廠時都存在潛在的不一致性因素[12]。在串并聯成組使用過程中,各個電池芯的不一致性會影響電池組的性能,極端條件下甚至會導致安全問題。相關研究表明提升電池電壓的測量精度一致性可以提升電池的有效容量[13-14],杜絕安全隱患。

(3)降低體積和質量:通信衛(wèi)星的有效載荷有通信轉發(fā)器和天線,隨著航天技術的不斷發(fā)展,衛(wèi)星平臺也在逐步向低功耗、小質量和小體積的方向發(fā)展,為提高衛(wèi)星有效載荷比提供基礎。作為平臺產品,電池管理設備的設計目標是通過采用新拓撲、新方法提升集成度,同時,減少電池到管理單元的電纜數量將會大大降低供配電分系統的質量。

(4)具備自主管理能力:針對能源分系統長期在軌自主管理的需求,電池管理單元應具備自主模式切換、自主電壓測量,自主均衡控制、自主過壓、低壓報警功能,保證鋰離子電池組的在軌安全運行,降低地面操作人員的工作量。

2 非耗散型電池管理技術

2.1 非耗散型電池均衡拓撲架構

本項目提出一種非耗散型均衡技術,其特點是利用雙向直流/交流(DC/AC)拓撲結構實現串聯電池單體之間的能量轉移[4]。系統拓撲結構如圖1所示,對應每個電池單體配置一個DC/AC變換器,變換器的DC端與鋰離子單體連接,AC端通過一個限流電阻R連接于公用母線VAGV。

由等效電路的基爾霍夫定律分析可知,如果所有電池單體電壓均相同,則電池處于均衡狀態(tài),串聯電池單體之間無電流流動,平均電壓等于單體電壓。如果電池單體之間電壓存在差異,單體電壓就不再等于平均電壓,這就會引起電流由單體電壓高于平均電壓的電池流向公共母線,實現DC/AC變換,同時也會有電流由公共母線流向單體電壓低于平均電壓的電池,進行AC/DC變換。可見,只要單體電壓間存在差異,均衡就會主動發(fā)生且持續(xù)發(fā)生直至單體電壓均衡,不受電池組充電、放電或靜置狀態(tài)的影響。由圖1(b)可知,假設每節(jié)電池的單體電壓分別為Vi(i=1,2,…,n),公共母線電壓為Vavg,則每節(jié)電池的均衡電流可表示為

(1)

那么各節(jié)電池釋放或獲取的功率可表示為

(2)

式中:Pi>0,表示電池獲取能量,均衡充電;反之,Pi<0,則表示電池釋放能量,均衡放電,均衡能量雙向流動。

當所有單體電壓均相等時,流過DC/AC變換器及電池單體的電流為0;當單體之間電壓不均衡時,電流從高電壓單體經過相應變換器和公用母線流到低電壓單體,高電壓單體隨著放電過程電壓降低、低電壓單體隨著充電過程電壓升高,各節(jié)單體之間的壓差逐步減小,最終實現單體電壓的均衡,在均衡過程無需對單體電的電壓測量進行測量。

均衡過程中理論上只有能量轉移,無能量損失,因此無需在電池或者艙板上布置耗散加熱器,不僅降低了整星的熱控負擔,而且減少了電池內部及到管理單元電纜的數量,有利于整星總質量的優(yōu)化。

2.2 非耗散型電池均衡電路設計

非耗散型電池均衡電路如圖1所示,由變壓器T1～Tn、諧振電容C1～Cn、限流電阻R1～Rn、MOSFET開關管Q1～Qn及其驅動電路構成。諧振電容和N型MOSFET并聯后與變壓器原邊串聯,變壓器副邊通過限流電阻相互并聯,構成雙向DC/AC變換器,實現電池單體之間的能量轉移。非耗散型電池均衡電路工作模態(tài)如圖2所示。

圖2 非耗散型電池均衡電路工作模態(tài)Fig.2 Operation mode of cell equalization circuit

按照均衡控制信號的電平,非耗散型電池均衡電路工作在兩種模態(tài):當MOSFET在Q1～Qn處于導通狀態(tài)時,所有變壓器T1～Tn的原邊電壓等于相應電池單體電壓,由于變壓器采用匝數比為1∶1變壓器,因此,各變壓器副邊電壓等于電池單體電壓原邊電壓,電流由電壓高的單體電池流向電壓低的單體電池。此時,變壓器副邊輸出電壓可用于單體電壓檢測。

當均衡控制信號處于OFF狀態(tài)時,MOS管中的電流減小為0,勵磁電流通過MOS管上并聯諧振電容與變壓器原邊形成的LC串聯諧振回路。在此過程中,能量從變壓器T1～Tn與電容C1～Cn之間互相轉移,變壓器中的勵磁電流波形為半個周期正弦波形,如圖3所示。采用基于數字控制的諧振頻率跟蹤方法調整振蕩激勵頻率,使得電容C1～Cn兩端電壓正好為0時,再次打開MOS管Q1～Qn,從而實現零電壓切換(Zero Voltage Switching,ZVS)。

圖3 非耗散型電池均衡時序關系圖Fig.3 Timing diagram of cell equalization

反激變換器的固有頻率取決于變壓器原邊電感、MOSFET柵極電容及并聯諧振電容,通過激勵時鐘控制N型MOSFET開關的通斷(50%占空比),使雙向DC/AC變換器工作在諧振模式(激勵頻率等于諧振頻率)。圖3給出了均衡電路的關鍵時序關系波形。

2.3 工作模式設計

現場可編程門陣列(FPGA)是蓄電池組管理單元的控制核心,設備加電后,FPGA進行數據總線初始化,默認工作于禁止工作模式。禁止工作模式下,不輸出均衡激勵信號,只采集除單體電壓外的其它模擬量,并通過數據總線上傳。圖4為蓄電池組管理單元工作模式切換流程圖。

圖4 工作模式之間切換流程圖Fig.4 Flow chart of switching between working modes

正常情況下,蓄電池組管理單元接收星務計算機發(fā)送的3種指令:自適應均衡指令、均衡禁止指令和連續(xù)均衡指令。蓄電池組管理單元接收到指令后將執(zhí)行狀態(tài)反饋給星務計算機。

當蓄電池組管理單元接收到自適應均衡指令后,蓄電池組管理單元發(fā)送均衡激勵脈沖,并進行采集,根據采集到的單體電池的電壓值進行最大值和最小值的差值與均衡閾值進行比較,決定進入哪種工作模式。

當單體壓差值大于均衡閾值100mV時,蓄電池組管理單元進入連續(xù)工作模式:用于對鋰離子電池單體進行均衡操作,短時間內將各節(jié)單體電壓均衡到平均電壓。該模式下,中控模塊的FPGA連續(xù)發(fā)出均衡驅動信號,均衡模塊中的均衡電路在驅動信號作用下持續(xù)工作,完成單體均衡。

當差值小于均衡閾值10mV時進入間歇工作模式:當鋰離子電池單體達到均衡后,為降低蓄電池組接口管理單元(BIMU)對電池容量的消耗,同時滿足地面對單體電池電壓遙測的需求,蓄電池組管理單元工作在一定的占空比,該模式下,中控模塊中FPGA的均衡驅動信號間歇輸出,其中50ms發(fā)出一次均衡驅動信號,完成所有單體電壓采集,之后驅動信號持續(xù)5s輸出為零,當采集到單體蓄電池電壓之間壓差≥100mV時,蓄電池組管理單元切換到連續(xù)工作模式下,如果壓差<100mV,則如此循環(huán)往復。此時鋰離子電池管理單元對鋰離子電池的電流消耗得到降低。

3 地面及在軌實驗結果

東方紅五號衛(wèi)星共配置了東、西兩組鋰離子蓄電池組,分別配置了非耗散型鋰離子電池管理單元。地面測試階段分別對單體電壓均衡性能、單體電壓采集精度、電池均衡能力進行了測試。

圖5為電池管理單元地面驗證系統,包括超級電容器組、單體電池充放電設備、多功能開關測量設備及計算機構成。測試驗證時,鋰離子蓄電池組的電壓由超級電容器輸出,使用電池管理單元及多功能開關測量設備,分別對鋰離子蓄電池組單體電壓進行測量,針對單體電壓2.0V、3.0V、3.7V、4.2V和4.5V并將兩者獲得的數據進行比對,見表2,電池管理單元的電壓平均測量誤差小于6.5mV。

圖5 地面測試系統框圖Fig.5 Block diagram of ground system

非耗散型鋰離子電池管理單元實現了均衡采樣一體化設計,在均衡的同時,單體電壓通過平面變壓器、采樣保持電路、A/D轉化為數字量,并通過1553B總線上傳至星務計算機。

表2 鋰離子蓄電池組單體電壓測量誤差Table 2 Measurement error of cell voltage of lithium-ion battery

圖6是東五平臺某衛(wèi)星配置的兩臺蓄電池組管理單元在軌工作期間,鋰離子蓄電池單體電壓變化情況。可以看出在入軌初期,兩組鋰離子電池在地面存放期間單體電池壓差維持在31mV和37mV,鋰離子電池管理單元開機后,首先工作在連續(xù)工作模式,在此模式下,高電壓單體的能量通過公共母線轉移到低電壓單體,使得鋰離子電池組之間的壓差逐步縮小,最終東電池壓差收斂于6.3mV,西電池壓差收斂于7.8mV,均衡精度滿足10mV的技術要求。鋰離子電池組在軌經歷了充電、放電、擱置狀態(tài),兩臺鋰離子電池管理單元工作正常,性能穩(wěn)定。

圖6 東五平臺某衛(wèi)星鋰離子蓄電池單體電壓在軌變化趨勢Fig.6 On-orbit trend of lithium-ion cell voltage of a satellite on DFH-5 platform

4 結束語

非耗散型電池管理技術采用新型電路拓撲,以數字化控制為手段實現了高效率、高精度、全自主的電池管理。采用非耗散型鋰離子電池管理技術的產品,鋰離子電池組無需配置電池均衡耗散裝置,有效降低整星的熱控負擔和系統的質量,同時,鋰離子蓄電池組在充電、放電、擱置期間均可進行自主管理,提升了衛(wèi)星儲能裝置的自主生存能力。非耗散型電池管理單元的成功研制實現了空間鋰離子電池管理產品的升級換代,其研究成果的深入應用必將帶來廣泛的社會和經濟效益。