航天锂电池电源管理设计

曹程

摘 要：锂电池作为新型能源开始进入航天电源产品逐渐替代镉镍电池，为了适应锂电池的使用特性，一套全新的锂电池管理控制系统是确保锂电池正常工作的关键，本文简单分析了锂电池的特点，研究了一套适应于航天应用的锂电池电源管理系统。

关键词：锂电池；电源；均衡管理

1.引言

随着人类科技的发展，航天已经成为当今世界最具挑战性的高科技领域之一。当前，电子器件产品的更新换代仍然跟随摩尔定律高速发展，飞行器的功能、性能不断多样化的同时，向航天电源产品提出了更高的要求，其中包括更大的能源储备、更强的瞬时功率输出、更长的使用时间。目前，第一代储能电池以镉镍蓄电池及镍氢电池作为航天电源中储能产品，而随着飞行器用电需求的增加，放电深度的不断增加，严重影响了电池产品的使用寿命。因此，我们开始寻求新的储能电池，在此大环境中，第二代电池产品锂电池开始进入航天电源产品，逐渐替代第一代电池产品作为航天器的电源储能产品，解决了航天电源中的能源短板，使得飞行器能具有更多的发展空间。

1.1航天电池

由于航天器需求的高速发展，要求储能电源具有很高的性能，即具有高能量密度、高功率密度、长寿命、宽工作温度范围、高安全性与可靠性等特征，现有的第一代电池很难在性能上取得更多的突破，而新一代储能电源锂离子电池相较于第一代储能电池相比，锂离子电池具有如下特点：

（1）单体电池工作电压高达3.7V，是镉镍电池的3倍，镍氢电池的3倍；

（2）比能量大，最高可达150Wh/Kg，镍氢电池的2倍。

（3）体积小，能量密度高，可达到400Wh/L。

（4）循环寿命长，循环次数可达1000次以上，在均衡充放电的情况下，使用年限可达5～10年，寿命约为镉镍电池的2倍。

（5）自放电率低。

（6）无记忆效应，可以随时随地的进行充电，并且电池充放电深度对电池的寿命影响不大，可以全充全放。

2.航天器锂电池管理控制系统

2.1航天电池管理需求

根据卫星用电需求、轨道环境等要求对锂电池的串并联数进行设计，因此对多个串并联组合的锂电池均衡管理成为一个设计难题。电池管理系统主要负责控制电池组的充放电电流，电池组系统的基本功能主要有：

（1）电池数据采集；

（2）电池状态监控；

（3）电池安全管理；

（4）电池均衡管理；

（5）通信功能；

因此，通过硬件对蓄电池数据进行采集后，由软件实现逻辑管理的方法在设计上能使得产品设计更为简化和可靠。

2.2航天电池均衡管理软件设计

2.2.1电池管理软件介绍

数据采集与均衡控制任务是电池管理系统中优先级最高的任务，也是系统中运行频率最高的任务，正确的数据采集是电池管理系统正常运行的前提和基础。由于电压、电流和温度的数据采样频率都不同，為了同时进行电压、电流和温度的采集，程序中设计了一个全局的计数器，每采样一次电流值该计数器的值加1，当计数值达到电压采样周期时进行一次电压采样，达到温度采样周期时进行一次温度采样。这里所指的达到采样周期指的是计数值满足采样周期的整数倍，例如对于周期为50us的电流采样和周期就为lms的电压采样，计数值取20的整数倍。通过采集所得单体电压、单体电流及电池块温度数据，对各单体SOC值进行计算，获得各单体SOC值，然后通过各单体SOC值进行比较处理，送出相应的控制信号控制均衡执行电路对各单体电池进行SOC均衡。

由于航天产品中对产品可靠性的要求，因此在管理系统中需要设置安全保护电路，通过对安全数据参数的判断，控制单体充放电回路，从而避免电池过充或过放，起到保护电池单体延长电池使用寿命的作用。

2.2.2采样数据管理设计

作为锂电池均衡管理，控制系统的很多控制命令都依赖于电池的SOC情况，因此，我们需要对各单体的SOC值进行估算。根据锂电池的单体特性，可采用两种手段相结合的方法对单体的SOC值进行估算，即电压查表法与电流积分法。首先，通过对单体电池的静态电压进行采集，将采集的数据与数据库中的电压-电量关系获得各单体的SOC初始值，然后通过使用过程中的电流积分算法进行计算，从而获得当前各电池单体的SOC值。为确保数据的有效性，可设置锂电池的正常工作电压范围以及充电/放电工作工况作为基准范围，若采集所得数据超出范围，默认数据采集错误，重新进行数据采集。

2.2.3均衡逻辑判断管理设计

经过采样数据管理后获得锂电池组中各单体电池的SOC值，将每块电池组中SOC值最高与SOC值最低的两个单体数据排除后，对其余的单体SOC值进行平均值计算，计算后获得SOC的AVG值。同样，为确保数据的有效性，将设置航天器在轨计算所得的最大放电深度对应SOC值与产品地面测试初始最大SOC值为基准范围，若采集所得数据超出范围，默认数据采集错误，重新进行数据采集。获得最终AVG值后，每个单体SOC值与AVG值进行比较，若单体SOC值高于AVG值，则判断单体SOC值较高，输出控制“1”信号，打开执行电路中的开关MOSFET，对此单体进行小电流放电或分流此单体充电电流；若单体SOC值低于AVG值，则判断单体SOC值较低，输出控制“0”信号，保持执行电路中的开关MOSFET处于截止状态，断开放电回路。

2.2.4健康判断管理设计

由于航天器使用寿命逐渐增加，锂电池相应使用负担也逐渐增加，为了提高寿命默契锂电池的使用可靠性，在系统中加入了健康判断管理。

最新的研究表明，循环过程中阻抗上升和容量衰减成为锂电池使用可靠性降低的主要因素，因此，在产品使用过程中，对锂电池的SOC值与工作电压、工作温度进行参数健康判断。

锂电池SOC值健康判断准则

当航天器在轨阴影期放电后锂电池SOC值低于工况计算SOC值5%以上，系统采集数据将判别此数据为无效数据，然而当连续采集3次此数据仍然低于工况计算SOC值5%以上，则表明此时锂电池属于上一次欠充状态，健康判断管理发出亚健康信号，提示飞行器降低使用电流，直至SOC AVG值高于工况计算值10%后取消亚健康信号。

锂电池工作电压健康判断准则

当航天器在轨阴影期放电过程中锂电池工作电压低于初始设计最低值5%以上，系统采集数据将判别此数据为无效数据，然而当连续采集3次此数据仍然低于初始设计最低值5%以上，则发出亚健康信号，提示飞行器降低使用电流，直至锂电池工作电压高于初始设计最低值10%后取消亚健康信号。

锂电池工作温度健康判断准则

锂电子电池工作温度范围为-20度～60度，但为了保证产品使用寿命，工作温度范围设计为0～25度，当系统采集电池块温度超出此范围连续3次后，则判定锂电池工作温度异常，健康判断管理发出亚健康信号，提示温控系统降低或增加加热回路功率。

3.结论

航天储能电池及其管理技术是长期以来困扰航天器使用寿命及多样化的瓶颈问题，尤其在如今航天科技竞争激烈，对功能要求日益增高的情况下，一套运行可靠并经济实用的电池管理系统对航天器的发展将具有十分积极的意义。因此，为了设计可靠及管理便捷，在现有电池管理系统的基础上，设计了一套电池管理软件系统，将使新一代锂电池更快、更可靠的在航天器中普及使用。

参考文献

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[3] MiIl Chen，Zhe Zhang，An improved control strategy for the charge equalization of lithium ion battery.Applied Power Electronics Conference and Exposition， APEC 2009：1 86-1 89.