一種鋰離子蓄電池與管理單元集成系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于航天器鋰離子蓄電池與與管理單元設計方面，涉及一種可簡化航天器單機接口、高度集成的鋰離子蓄電池與管理的設計。應用于航天器電源系統中。
【背景技術】
[0002]鋰離子蓄電池已經成為航天器一種非常重要的儲能裝置，其應用已經十分廣泛。但鋰離子電池的特性要求其不能過充電，也不能過放電，同時為保證蓄電池組內個各電池小模塊在壽命周期內的一致性，需要設計均衡分流裝置，實現在充電過程中各串聯電池小模塊保持一致；另外，基于安全性的考慮，鋰離子蓄電池一般都需要配置旁路開關，以保證不因為電池小模塊的失效而導致整組蓄電池失效，因此需要一個管理單元用于執行對鋰離子蓄電池的上述功能。
[0003]常規的鋰離子蓄電池的管理單元一般為一個獨立的單機，需要外置供電電源，旁路開關需要整星火工裝置驅動，或者配置獨立的旁路開關驅動單機，且與蓄電池的采樣連線、均衡連線、旁路開關連線眾多，電纜也很重，接口眾多，電池的管理需要星上計算機運行軟件采樣控制，占用星上十分緊張的中心機資源，導致蓄電池組模塊的比能量偏低，經濟效益差，競爭力弱。
【發明內容】
[0004]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，解決鋰離子蓄電池與管理單元將鋰離子電池與蓄電池集成一體化設計，提高鋰離子電池的比能量，且使得與航天器接口簡化、單一，同時提高了可靠性。
[0005]本發明的技術解決方案是:一種鋰離子蓄電池與管理單元集成系統，其特征在于包括:鋰離子蓄電池組和管理單元，其中管理單元包括電池電壓檢測模塊、均衡開關驅動及狀態遙測電路、旁路開關驅動及狀態遙測電路、譯碼及編碼模塊、1553B接口電路及CPU電路、DC/DC變換器，鋰離子蓄電池組與管理單元集成為一體；
[0006]鋰離子蓄電池組有多節電池小模塊串聯而成，每節電池小模塊正極端和負極端分別通過連接至電池電源檢測模塊；為了實現均衡分流，采用一個電阻和均衡開關串聯后，并聯于每節電池小模塊正極端和負極端；另外為保證鋰離子蓄電池組的安全性，防止鋰離子蓄電池組開路或短路，在每節電池小模塊上串聯旁路開關；旁路開關的驅動通過鋰離子蓄電池組提供功率驅動，由鋰離子蓄電池組正極端到旁路開關驅動端，再到鋰離子蓄電池組負極端形成驅動通路，驅動通路上通過旁路開關的驅動開關控制通斷；
[0007]電池電壓檢測模塊，將檢查到的每節電池小模塊的電壓值傳遞給譯碼及編碼模塊；
[0008]均衡開關驅動及狀態遙測電路中的均衡開關驅動電路接收譯碼及編碼模塊指令信號，發出均衡開關通斷指令，用于實現均衡開關通斷控制；均衡開關驅動及狀態遙測電路中的狀態遙測電路檢測均衡開關的狀態，即均衡狀態，將狀態檢測結果輸出至譯碼及編碼模塊；
[0009]旁路開關驅動及狀態遙測電路中的旁路開關驅動電路接收譯碼及編碼模塊指令信號，發出旁路開關的驅動開關通斷指令，用于實現對旁路開關的驅動開關通斷控制；旁路開關驅動及狀態遙測電路中狀態遙測電路檢測旁路開關的狀態，將狀態檢測結果輸出值譯碼及編碼模塊；
[0010]譯碼及編碼模塊，將1553B接口電路及CPU電路接收到的信號進行編碼譯碼后送至電池電壓檢查模塊、均衡開關驅動及狀態遙測電路和旁路開關驅動及狀態遙測電路；
[0011]1553B接口電路及CPU電路，實現與星務通信系統通信；
[0012]DC/DC變換器為管理單元內各個用電模塊提供二次供電。
[0013]所述鋰離子蓄電池組由11節電池小模塊串聯，每節電池小模塊由1?5個單體電池并聯而成。
[0014]為了安全性考慮，所述均衡開關為2個，兩個均衡開關串聯，當兩個均衡開關同時閉合時，實現每節電池小模塊均衡功能；當兩個均衡開關中的某一個斷開或全部斷開時，暫停均衡功能；均衡開關驅動及狀態遙測電路同時獲取兩個均衡開關的開關狀態，用以判斷均衡狀態。
[0015]為了安全性考慮，所述旁路開關的驅動開關為3個，當旁路開關的3個驅動開關全部接通時，實現對旁路開關的驅動，切除對應電池小模塊；當旁路開關的3個驅動開關中有一個或兩只或三只斷開時，不能實現對旁路開關的驅動；旁路開關驅動及狀態遙測電路同時獲取芳路開關的驅動開關的狀態，用以判斷芳路開關狀態。
[0016]所述1553B接口電路及CPU電路與星務通信接口采用標準的1553B接口。
[0017]1553B接口電路及CPU電路內置有在軌工作軟件，在星務通信系統托管的情況下，能夠對鋰離子蓄電池組進行自主管理。
[0018]所述每個電池小模塊都配置一個上述如此功能的管理單元模塊，組成整組蓄電池組的管理單元。
[0019]所述鋰離子蓄電池與管理單元集成為一體，兩者之間的互聯線短。
[0020]一種鋰離子蓄電池與管理單元集成系統的實現方法，步驟如下:
[0021]在鋰離子蓄電池組充電過程中，單體電壓檢測模塊實時采集電池小模塊正負極端的電壓值，傳遞給譯碼及編碼模塊編碼后，通過1553B接口電路及CPU電路將編碼值傳給星務通信系統，即可實時檢測鋰離子蓄電池組各個小模塊電壓值；當某節電池小模塊的電壓值達到某一最大值時，即需要對電壓較高的電池小模塊進行分流均衡，保護其不過充電。分流的方式為接收星務系統下傳指令信號給1553B接口電路及CPU電路，經譯碼及編碼模塊譯碼后，將指令傳遞給均衡開關驅動及狀態遙測電路，發出均衡開關指令閉合2個均衡開關，即實現了對電池小模塊的均衡功能。均衡分流后，當該節電池小模塊的電壓值低于設定的最大值時，星務通信系統按上述指令發送方法給均衡開關發送斷開指令，斷開2個均衡開關。均衡開關驅動及狀態遙測電路中的狀態遙測電路可以實時的均衡開關的狀態檢測至IJ，通過譯碼及編碼模塊編碼后，由1553B接口電路及CPU電路傳遞給星務系統，用以對均衡開啟狀態予以判斷；
[0022]在鋰離子蓄電池組循環充放電過程中，電池小模塊的性能會衰減或者變差，當星務通信系統通過電池電源檢測模塊檢測到某一電池小模塊正負極端電壓在充電時明顯高于其他電池小模塊，且無法通過均衡分流方式予以糾正，或放電過程中電池小模塊電壓明顯低于其他電池小模塊電壓，存在著過放電的可能時，星務通信系統下傳指令信號給1553B接口電路及CPU電路，經譯碼及編碼模塊譯碼后，將指令傳遞給旁路開關驅動及狀態遙測電路，發出旁路開關的驅動開關指令，閉合3個驅動開關，即實現了對電池小模塊的旁路開關的驅動，切除故障電池小模塊。故障單體切除后，星務通信系統按上述指令發送方法給驅動開關發送斷開指令，斷開3個驅動開關；為了可靠性方面考慮，驅動開關中的兩個開關接受來自星上的直接指令用于驅動開關通斷控制，旁路開關驅動及狀態遙測電路中的狀態遙測電路檢測驅動開關的狀態，通過譯碼及編碼模塊編碼后，由1553B接口電路及CPU電路傳遞給星務系統，用以旁路開關工作狀態予以判斷；上述即實現了對鋰離子蓄電池組的每節單體進行監視和管理；
[0023]DC/DC變換器通過鋰離子蓄電池本身作為一次供電輸入，二次供電輸出給管理單元內的芯片和元器件提供供電。
[0024]本發明與現有技術相比的優點:
[0025]充分繼承了鋰電池管理單元的單體電壓采集技術和均衡分流技術，并創造性的將旁路開關控制納入管理單元內，將鋰離子蓄電池組和管理單元集成在一體，同時由蓄電池組統一為管理單元供電，與星務僅通過1553B單一接口通信，且在星務計算機托管的情況下，管理單元可自主對蓄電池組進行管理；同時因該種設計，可以使得管理單元硬件部分靠近蓄電池本體，極大的縮短與蓄電池之間的互聯線，極大的簡化了設備間的接口，同時減輕蓄電池組及管理單元的重量，大大提高鋰離子電池的比能量。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明的流程框圖。
【具體實施方式】
[0027]如圖1所示，本發明鋰離子蓄電池與管理單元集成系統包括:鋰離子蓄電池組1和管理單元2，其中管理單元包括電池電壓檢測模塊21、均衡開關驅動及狀態遙測電路22、旁路開關驅動及狀態遙測電路23、譯碼及編碼模塊24、1553B接口電路及CPU電路25、DC/DC變換器26，鋰離子蓄電池組與管理單元集成為一體；
[0028]鋰離子蓄電池組有多節電池小模塊串聯而成，每節電池小模塊正極端和負極端分別通過連接至電池電源檢測模塊；為了實現均衡分流，采用一個電阻R1和2個均衡開關K1和K2串聯后，并聯于每節電池小模塊正極端和負極端；另外為保證鋰離子蓄電池組的安全性，防止鋰離子蓄電池組開路或短路，在每節電池小模塊上串聯旁路開關T1-T2-T3 ;旁路開關的驅動S通過鋰離子蓄電池組提供功率驅動，由鋰離子蓄電池組正極端到旁路開關驅動端，再到鋰離子蓄電池組負極端形成驅動通路，驅動通路上通過旁路開關的3個驅動開關Ka、Kb和Kc控制通斷；
[0029]電池電壓檢測模塊21，為常用的鋰離子蓄電池電阻式分壓采樣電路，將檢查到的每節電池小模塊的電壓值傳遞給譯碼及編碼模塊24 ;
[0030]均衡開關驅動及狀態遙測電路22中的均衡開關驅動電路接收譯碼及編碼模塊24指令信號，發出均衡開關通斷指令，用于實現均衡開關K1和K2通斷控制；均衡開關驅動及狀態遙測電路22中的狀態遙測電路檢測均衡開關K1和K2的狀態，即均衡狀態，將狀態檢測結果輸出至譯碼及編碼模塊24 ;
[0031]旁路開關驅動及狀態遙測電路23中的旁路開關驅動電路接收譯碼及編碼模塊24指令信號，發出旁路開關的驅動開關Ka、Kb和Kc通斷指令，用于實現對旁路開關的驅動開關Ka、Kb和Kc通斷控制；旁路開關驅動及狀態遙測電路23中狀態遙測電路檢測旁路開關的狀態，將狀態檢測結果輸出值譯碼及編碼模塊24 ;
[0032]譯碼及編碼模塊24，將1553B接口電路及CPU電路25接收到的信號進行編碼譯碼后送至電池電壓檢查模塊21、均衡開關驅動及狀態遙測電路22和旁路開關驅動及狀態遙測電路23 ；
[0033]1553B接口電路及CPU電路15，實現與星務通信系統通信27 ；
[0034]DC/DC變換器26為管理單元內各個用電模塊提供二次供電。
[0035]鋰離子蓄電池組由11節電池小模塊11串聯，每節電池小模塊由1?5個單體電池并聯而成。
[0036]為了安全性考慮，均衡開關