编程逻辑控制的空间蓄电池组均衡充电系统

傅江太，廖 瑛,2

(1.湘潭大学信息工程学院，湖南湘潭411100；2.国防科技大学航天科学与工程学院，湖南长沙410073)

编程逻辑控制的空间蓄电池组均衡充电系统

傅江太1，廖 瑛1,2

(1.湘潭大学信息工程学院，湖南湘潭411100；2.国防科技大学航天科学与工程学院，湖南长沙410073)

串联空间蓄电池组中各单体能量维持均衡是安全使用并充分发挥蓄电池组性能的重要保证。通过对几种主要均衡充电方法的优缺点进行分析比较，设计了一种双电源结构，采用可编程逻辑控制的顺序开关均衡充电系统，并使用Matlab对该方法进行了仿真，对其均衡效果进行了分析。研究结果表明：该均衡充电系统具有均衡速度快，可扩展性强的优点。

空间蓄电池组；均衡充电；顺序开关；编程逻辑

电池串联成组使用时，其许多指标都不能达到标称值，如电压、容量、充电效率、放电能力等。这种电池间的不均衡性是影响电池组使用性能和安全的一个不利因素，这就需要对电池组进行均衡控制。空间蓄电池的均衡充电研究一直是空间电源的热门研究方向，普通蓄电池均衡充电方案也很多，但基于空间蓄电池的特殊性，要求设计的充电电路结构简单，能量损耗少，且时效性好，所以对空间蓄电池组均衡充电技术的深入研究是有必要的。

常用的空间蓄电池组均衡充电方法中，电阻分流均衡法最为简单，但是效果不佳，而且峰值热功耗相当大；电容电感能量传输均衡法最大优点是能源浪费极低，缺点是电路复杂，参数选取比较困难，而且研制周期过长[1-3]；降压型变换器均衡法具有反应速度快，充电电压、电流基本一致等优点，但是电感绕组的一致性非常难于控制[4]；平均电池电压均衡法被认为是效果非常好的方案，但是其电路相当复杂[5]。本文在总结各种蓄电池均衡充电和超级电容器均衡充电方法的基础上[6-7]，结合空间蓄电池组充放电特点和航天器电源设计要求，设计了一种可靠性高、均衡效果好、相对功耗较低的编程逻辑控制的双电源结构均衡充电系统。

1 系统设计方案

该系统由恒流充电主电路和均衡充电电路两部分组成。恒流充电主电路对整个串联蓄电池组进行恒流充电。DC/DC变换器对太阳电池阵输出的电流进行整流变换，得到可调节的恒定直流电源。均衡电路对蓄电池组中的单体电池进行均衡充电，由DC/DC变换器对太阳电池阵进行整流后得到一个可调节的均衡电源，通过编程逻辑控制开关切换网络对需要均衡充电的蓄电池单体进行均衡充电。均衡电源和恒定直流电源原理相同，但电流值较小。其总体框图如图1所示。

图1 均衡充电系统总体框图

1.1 恒流充电主电路

恒流充电采用的是可调节PWM控制的整流电路[8-10]，其电路设计原理如图2所示，根据已测得的蓄电池电流与参考电流ref进行比较，其差值送误差放大器进行放大，在误差放大器中进行自适应PI调节后，经过PWM驱动电路调节产生可调节的脉冲波形，从而控制开关的通断时间，即调节开关的占空比，最后使输出电流稳定在设置的恒定电流附近。流过蓄电池的电流可通过式(1)得到。

图2 恒流充电电路图

1.2 均衡充电电路

均衡充电原理图及其电路工作流程图分别如图3、图4所示。在该电路中，所有蓄电池和开关都标有相应的序号。电路充电开始后，主电路进行恒流充电，同时，电压检测器对所有蓄电池电压依次进行检测提取，并将所有电压数据送编程逻辑控制器进行处理。当某个蓄电池单体电压达到充电终止电压时，则编程逻辑控制器发出充电终止信号，系统断开所有开关，停止充电，否则由编程逻辑控制器求出最小值电压蓄电池序号。如果电压最小值蓄电池是前一次检测时的蓄电池，则开关驱动器保持原状态，经过一个延时进行下一次电压检测；否则根据编程控制器输出的新驱动信号切换开关通断的序号，直到蓄电池的电压中有达到充电终止电压。

图3 均衡电路原理图

图4 均衡电路工作流程图

图5为开关切换电流图，图a和图b分别为检测到V1和V2为最小电压蓄电池单体时的电流流向图。图a中，开关Q1，Q3闭合，其余开关断开，均衡电源V ，Q1，V1，Q3组成闭合回路对蓄电池V1进行均衡充电。图b中开关Q2，Q5闭合，其余开关断开，均衡电源V ，Q2，V2，Q5组成闭合回路对蓄电池V2进行均衡充电。电流为主电路直流，电流为均衡电路电流。则流过最小电压蓄电池单体的电流为：

图5 开关切换电流图

2 系统仿真电路

系统仿真电路图如图6所示，太阳电池阵产生的电流经过恒流变换器CC1后产生可调节的恒定直流给蓄电池组充电。在本设计中航空蓄电池模型采用某航空设计院根据实体蓄电池特性设计的仿真模型，它能很好地仿真航空蓄电池的充放电特性。对5节空间蓄电池设置不同特性参数和初始状态。蓄电池充放电特性曲线经过输出B-F传输到显示器。蓄电池电压经过电压检测器VM测量，电压数据依次传输到编程逻辑控制器进行比较运算。产生控制信号G-P，控制信号经过延时处理后，通过控制蓄电池上串联的开关Mosfet0-9控制均衡充电的蓄电池。当蓄电池电压达到终止电压时，开关Mosfet10关断，充电结束。

图6 系统仿真电路图

图7 仿真结果图

3 实验结果分析

图7所示为5节蓄电池的充电电压变化图，从图中可看出，在充电过程开始时，蓄电池5的充电曲线斜率最大，充电速度最快，在0.7 ks时，蓄电池5和蓄电池4的电压达到一致，两个电池以高于其他3节蓄电池等同的速率继续充电，然后依次追赶上蓄电池3～1的电压。最后5节蓄电池单体的电压差均保持在一个较小的范围内继续充电。蓄电池组中各单体充电电压随充电时间的延长电压差越来越小，说明均衡电路起到了良好的均衡作用。由此可见，该蓄电池组充电均衡电路功能完善、均衡效果良好。

4 均衡充电电路设计注意事项

由于航空蓄电池的温度或者气压对电池的充放电影响很大，所以对蓄电池的充电电流需要严格控制，并且充电终止电压也需要根据实际环境实时控制。

均衡充电后期的蓄电池电压已基本相等，且变化范围较小，为了使充电更为安全，可以将均衡电流适当减小。

考虑到开关的运行过程中可能产生的异常和损坏，一般对开关做冗余处理。

5 结论

蓄电池组均衡充电系统仿真实验验证了该均衡充电系统具有可靠的均衡功能，它利用编程控制的顺序开关可以快速对电压低的蓄电池单体进行均衡充电，使其电压慢慢接近电压高的蓄电池，逐渐减小电压差，其终止电压控制可以很好地防止蓄电池组过充电。该均衡充电系统能量损耗极低，并且使用的元器件少，效果良好，比较适宜用于航天蓄电池组均衡充电使用。

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Charge equalization system for space battery controlled by logistic program

To maximize performance and reliability,the individual space battery energy in a series connected pack must be fairly uniform.Based on the analysis and compare of several equalization circuits,a charge equalization system was proposed and simulated by Matlab.This system was consisted of double power supplies and sequential switches controlled by logistic program.The result indicates that the whole system achieves speedy and extendibility.

space battery;charging equalization;sequential switches;logistic program

TM 912

A

1002-087 X(2015)10-2198-03

2015-03-10

傅江太(1989—)，男，湖南省人，硕士生，主要研究方向为计算机控制与仿真。导师：廖瑛(1961—)，女，湖南省人，教授，博士生导师，主要研究方向为飞行器系统建模、控制与仿真，飞行器系统测试与故障诊断。