航天鋰電池電源管理設計

曹程

摘 要：鋰電池作為新型能源開始進入航天電源產品逐漸替代鎘鎳電池，為了適應鋰電池的使用特性，一套全新的鋰電池管理控制系統是確保鋰電池正常工作的關鍵，本文簡單分析了鋰電池的特點，研究了一套適應于航天應用的鋰電池電源管理系統。

關鍵詞：鋰電池；電源；均衡管理

1.引言

隨著人類科技的發展，航天已經成為當今世界最具挑戰性的高科技領域之一。當前，電子器件產品的更新換代仍然跟隨摩爾定律高速發展，飛行器的功能、性能不斷多樣化的同時，向航天電源產品提出了更高的要求，其中包括更大的能源儲備、更強的瞬時功率輸出、更長的使用時間。目前，第一代儲能電池以鎘鎳蓄電池及鎳氫電池作為航天電源中儲能產品，而隨著飛行器用電需求的增加，放電深度的不斷增加，嚴重影響了電池產品的使用壽命。因此，我們開始尋求新的儲能電池，在此大環境中，第二代電池產品鋰電池開始進入航天電源產品，逐漸替代第一代電池產品作為航天器的電源儲能產品，解決了航天電源中的能源短板，使得飛行器能具有更多的發展空間。

1.1航天電池

由于航天器需求的高速發展，要求儲能電源具有很高的性能，即具有高能量密度、高功率密度、長壽命、寬工作溫度范圍、高安全性與可靠性等特征，現有的第一代電池很難在性能上取得更多的突破，而新一代儲能電源鋰離子電池相較于第一代儲能電池相比，鋰離子電池具有如下特點：

（1）單體電池工作電壓高達3.7V，是鎘鎳電池的3倍，鎳氫電池的3倍；

（2）比能量大，最高可達150Wh/Kg，鎳氫電池的2倍。

（3）體積小，能量密度高，可達到400Wh/L。

（4）循環壽命長，循環次數可達1000次以上，在均衡充放電的情況下，使用年限可達5～10年，壽命約為鎘鎳電池的2倍。

（5）自放電率低。

（6）無記憶效應，可以隨時隨地的進行充電，并且電池充放電深度對電池的壽命影響不大，可以全充全放。

2.航天器鋰電池管理控制系統

2.1航天電池管理需求

根據衛星用電需求、軌道環境等要求對鋰電池的串并聯數進行設計，因此對多個串并聯組合的鋰電池均衡管理成為一個設計難題。電池管理系統主要負責控制電池組的充放電電流，電池組系統的基本功能主要有：

（1）電池數據采集；

（2）電池狀態監控；

（3）電池安全管理；

（4）電池均衡管理；

（5）通信功能；

因此，通過硬件對蓄電池數據進行采集后，由軟件實現邏輯管理的方法在設計上能使得產品設計更為簡化和可靠。

2.2航天電池均衡管理軟件設計

2.2.1電池管理軟件介紹

數據采集與均衡控制任務是電池管理系統中優先級最高的任務，也是系統中運行頻率最高的任務，正確的數據采集是電池管理系統正常運行的前提和基礎。由于電壓、電流和溫度的數據采樣頻率都不同，為了同時進行電壓、電流和溫度的采集，程序中設計了一個全局的計數器，每采樣一次電流值該計數器的值加1，當計數值達到電壓采樣周期時進行一次電壓采樣，達到溫度采樣周期時進行一次溫度采樣。這里所指的達到采樣周期指的是計數值滿足采樣周期的整數倍，例如對于周期為50us的電流采樣和周期就為lms的電壓采樣，計數值取20的整數倍。通過采集所得單體電壓、單體電流及電池塊溫度數據，對各單體SOC值進行計算，獲得各單體SOC值，然后通過各單體SOC值進行比較處理，送出相應的控制信號控制均衡執行電路對各單體電池進行SOC均衡。

由于航天產品中對產品可靠性的要求，因此在管理系統中需要設置安全保護電路，通過對安全數據參數的判斷，控制單體充放電回路，從而避免電池過充或過放，起到保護電池單體延長電池使用壽命的作用。

2.2.2采樣數據管理設計

作為鋰電池均衡管理，控制系統的很多控制命令都依賴于電池的SOC情況，因此，我們需要對各單體的SOC值進行估算。根據鋰電池的單體特性，可采用兩種手段相結合的方法對單體的SOC值進行估算，即電壓查表法與電流積分法。首先，通過對單體電池的靜態電壓進行采集，將采集的數據與數據庫中的電壓-電量關系獲得各單體的SOC初始值，然后通過使用過程中的電流積分算法進行計算，從而獲得當前各電池單體的SOC值。為確保數據的有效性，可設置鋰電池的正常工作電壓范圍以及充電/放電工作工況作為基準范圍，若采集所得數據超出范圍，默認數據采集錯誤，重新進行數據采集。

2.2.3均衡邏輯判斷管理設計

經過采樣數據管理后獲得鋰電池組中各單體電池的SOC值，將每塊電池組中SOC值最高與SOC值最低的兩個單體數據排除后，對其余的單體SOC值進行平均值計算，計算后獲得SOC的AVG值。同樣，為確保數據的有效性，將設置航天器在軌計算所得的最大放電深度對應SOC值與產品地面測試初始最大SOC值為基準范圍，若采集所得數據超出范圍，默認數據采集錯誤，重新進行數據采集。獲得最終AVG值后，每個單體SOC值與AVG值進行比較，若單體SOC值高于AVG值，則判斷單體SOC值較高，輸出控制“1”信號，打開執行電路中的開關MOSFET，對此單體進行小電流放電或分流此單體充電電流；若單體SOC值低于AVG值，則判斷單體SOC值較低，輸出控制“0”信號，保持執行電路中的開關MOSFET處于截止狀態，斷開放電回路。

2.2.4健康判斷管理設計

由于航天器使用壽命逐漸增加，鋰電池相應使用負擔也逐漸增加，為了提高壽命默契鋰電池的使用可靠性，在系統中加入了健康判斷管理。

最新的研究表明，循環過程中阻抗上升和容量衰減成為鋰電池使用可靠性降低的主要因素，因此，在產品使用過程中，對鋰電池的SOC值與工作電壓、工作溫度進行參數健康判斷。

鋰電池SOC值健康判斷準則

當航天器在軌陰影期放電后鋰電池SOC值低于工況計算SOC值5%以上，系統采集數據將判別此數據為無效數據，然而當連續采集3次此數據仍然低于工況計算SOC值5%以上，則表明此時鋰電池屬于上一次欠充狀態，健康判斷管理發出亞健康信號，提示飛行器降低使用電流，直至SOC AVG值高于工況計算值10%后取消亞健康信號。

鋰電池工作電壓健康判斷準則

當航天器在軌陰影期放電過程中鋰電池工作電壓低于初始設計最低值5%以上，系統采集數據將判別此數據為無效數據，然而當連續采集3次此數據仍然低于初始設計最低值5%以上，則發出亞健康信號，提示飛行器降低使用電流，直至鋰電池工作電壓高于初始設計最低值10%后取消亞健康信號。

鋰電池工作溫度健康判斷準則

鋰電子電池工作溫度范圍為-20度～60度，但為了保證產品使用壽命，工作溫度范圍設計為0～25度，當系統采集電池塊溫度超出此范圍連續3次后，則判定鋰電池工作溫度異常，健康判斷管理發出亞健康信號，提示溫控系統降低或增加加熱回路功率。

3.結論

航天儲能電池及其管理技術是長期以來困擾航天器使用壽命及多樣化的瓶頸問題，尤其在如今航天科技競爭激烈，對功能要求日益增高的情況下，一套運行可靠并經濟實用的電池管理系統對航天器的發展將具有十分積極的意義。因此，為了設計可靠及管理便捷，在現有電池管理系統的基礎上，設計了一套電池管理軟件系統，將使新一代鋰電池更快、更可靠的在航天器中普及使用。

參考文獻

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