基于立方星的电池管理模块设计

徐拓奇，刘义，贺乐和

（长沙天仪空间科技研究院有限公司，长沙 410000）

立方星是国际上广泛用于大学开展航天科学研究与教育的一种小卫星。最早是由美国国防先进研究计划局（DARPA）及多所美国大学负责研制并制定相应标准。立方星，顾名思义，是如同一个立方体一样的卫星，它是以10 cm×10 cm×10 cm为最小的单位1 U，常见的立方星有2 U（10 cm×10 cm×20 cm）、3 U（10 cm×10 cm×30 cm）和 6 U（20 cm×10 cm×30 cm）。一般来说，具有一定功能的立方星多为6 U立方星[1-2]。

立方星相比于传统大型卫星，具有成本低、功能密度大、研制周期短、入轨快的特点，通过多颗卫星组网形成星座，可实现对海洋、大气环境、船舶、航空飞行器等的监测[3-4]。也可应用于空间成像、通信、大气研究、生物学研究、新技术试验平台等方面[5-6]，具体实物图如图1所示。

图1 6 U立方星实物图

立方星的设计理念与传统长寿命大型卫星略有不同[7-9]。首先，立方星的各个电路单板都要限制在10 cm×10 cm的格子内，对设备的体积和重量要求更加苛刻；其次，立方星为了节约成本和降低质量与体积，简化了冗余备份设计；第三，由于立方星设计寿命与传统大卫星相比相对较短，所以一般使用经过筛选的工业级器件。因此立方星的单机设计既要保证设备的可靠性，同时还不能过度使用冗余备份技术。

卫星电源系统是卫星平台最核心的系统之一，卫星电源系统就如同卫星的心脏，每时每刻都在为星上各个设备提供能源供给[10]。传统的卫星电源系统由太阳能电池阵、蓄电池组和电源控制器三部分组成，各个部分独立工作。

卫星在光照区内，太阳电池阵通过光电效应产生电能为系统供电，同时为蓄电池充电。当卫星进入阴影区内时，蓄电池组放电为整星供电。目前卫星大多使用能量密度更高的锂离子蓄电池作为储能元件。锂离子蓄电池在工作过程中需要监视各个单体的电压变化情况，防止出现单节电池的过充、过放、电池充电不均衡等现象，造成锂离子蓄电池组失效现象。

立方星大多作为搭载卫星被安装在火箭上，立方星都是利用运载火箭运送完主星后所剩余的有限的空间和有限的搭载质量进行搭载运输，因而立方星受限于体积和重量限制。为了降低体积和重力，立方星将蓄电池组和与其相关的控制与保护电路合二为一，组合电池管理模块，实现对蓄电池组状态信息的采集、电池均衡控制和电池的故障隔离、主动热控等功能。

1 电池管理模块的总体设计

1.1 电池管理模块设计要求

为了保证电池管理模块的性能要求满足总体要求，需要在电池管理模块设计前对其进行定义，具体主要包括以下几个方面：

（1）小卫星采用12～16.4 V不调节母线结构；

（2）锂离子电池初始容量不小于8 Ah；

（3）电池采用热备份方式，两组蓄电池可独立工作；

（4）上位机可以通过总线检测各节电池的电压状态，并可根据状态进行电池均衡；

（5）蓄电池组内部可实现温度采集和主动热控功能；

（6）每组电池电压均方差不大于0.1。

电池管理模块主要包括锂离子蓄电池组、均衡控制电路、蓄电池加热带几个部分。由于CUBESAT卫星采用12 V不调节母线，考虑采用4节锂离子电池组串联使用。此外，为了提高系统的可靠性，采用2组完全独立的电池供电。

1.2 电池管理系统总体框架

电池管理系统总体框架如图2所示，整个系统包括两组完全独立的锂离子蓄电池组、两组完全独立的均衡控制电路、两组完全独立的信号采集电路、两组完全独立的放电开关电路、加热带及其驱动电路和外围接口电路。

图2 电池管理系统总体框图

接口电路与上位机电脑相连，上位机通过I2C总线读取两组电池的信息，通过总线控制电流均衡电路工作，通过I/O口控制加热带工作。当上位机检测到某节电池已经不能正常工作时，关闭放电开关电路，此时该组锂离子蓄电池组将不能工作。

1.3 锂离子电池单体

CUBESAT小卫星大多采购货架电池，货架电池的优点是成本低廉，缺点是产品并非为航天设计，所以没有相应的测试和防护，上天后容易出现故障。为了防止在天上出现意外故障，需要对锂离子电池进行相应的筛选和测试。经过筛选后将电池分组配对最后组成锂离子电池组。

传统CUBEST卫星的锂离子电池组大多采用18650电池作为单体电池，但是受限于卫星电池的体积和重量限制，传统18650电池无法满足容量和尺寸的要求。

电池管理模块采用NCR20700B系列锂离子电池实现电能的存储，该电池的优点是相对电池容量更大，可达到4 000 mA，最大放电电流可达到15 Ah。20700系列电池相比于18650系列电池，体积比容量更大，更利于空间环境使用，具体如表1所示。

表1 常见电池单体主要参数比较表

2 电池控制与保护电路设计

电池控制与保护电路是整个设计的核心，它提供电池均衡功能、I2C总线通信功能、模拟信号采集功能、电池放电开关控制功能和加热带控制等功能。下面分别介绍各部分功能。

2.1 电池均衡控制电路

电池均衡控制电路采用bq76925电池管理芯片作为核心控制芯片。

它作为主机控制器模拟前端，可以提供3至6节锂离子电池的均衡和保护。它可以方便地监视单个电池的电压、组电压和温度。这些信息可以被主机用来确定当前电池组是否处于过压、欠压过热和电池不均衡，从而确认当前单体电池工作是否正常。

电池输入电压经过电平的转移后，可以通过复用通道输出到主机，通过主机的A/D转化器完成对充放电电流的测试。该芯片内部可以设置两种不同的增益，以匹配相应的电流，来确保测量数据的准确性。

为了使主机能够进行温度测量，芯片提供了分开的引脚用于偏置外部电热调节器网络。此输出的开关由主机控制以消耗最小的能量。

该芯片内部包含一个含动态可选阈值的比较器以监视电流值。当测试的参数超过阈值时，该芯片将唤醒主机，并将此结果向主机报警，等待主机的进一步处理。

该芯片集成了由主机完全控制的电池平衡FET开关。最高50 mA的均衡电流可通过外部电阻器设定，因此可以最大限度地简化硬件设计。

主机通过一个I2C总线接口与该芯片通信，实现相关控制，并获得相关参数等。

bq76925芯片内部内置有校准参数设置，通过合理的参数设置，可以将精度提升至5 mV以内，能够有效提高系统的控制精度。

bq76925芯片配合电流监测电阻，可以实现20 mA以内的充放电电流精度测量。配合故障切换开关可以实现过流检测与自动故障排除。

本项目使用本芯片主要考虑商业航天资源有限，使用此款设计可以最大程度地减少体积重量。

在实际设计过程中，通过将VC3、VC4、VC5短路，使该芯片可实现4节电池均衡控制，这样可以满足系统对母线电压的需求。

因整个系统采用的都是3.3 V供电，因此芯片的外置开关管开关电压也设置为3.3 V。芯片所提供的VREF为bq76925本身ADC校准用，需要与VCOUT信号（电池电压读取）和VIOUT信号（电流读取）接到外部的ADC芯片LTC2991I，由主机主动读取。具体连接如图3所示。

图3 电池均衡控制电路示意图

2.2 I2C总线控制电路

因设备采用两组bq76925芯片作为锂离子电池均衡控制器，两个芯片默认I2C地址一致。为了实现对两个bq76925进行访问，需要对I2C总线进行扩展。设备采用TCA9543芯片进行扩展。

TCA9543是一个双通道双向I2C总线控制芯片，该芯片内部有两个I2C总线通道，用户可以通过对芯片进行编程，选择某一个I2C总线作为传输的通道，从而实现对两路同一地址的I2C总线分别进行管理。该芯片内部两个I2C通道各有一个中断，只要其中一个中断有效，就将中断输出，以保证设备正常工作。

芯片采用低电平复位，当下游任意一个I2C总线失效后，都可以通过低电平复位实现解除当前I2C总线的锁死状态，从而实现该总线的恢复。将芯片引脚RESET拉为低电平或者采用内部上电复位，可以复位I2C状态机，并取消选择两通道。

芯片采用开关门方式限制VCC端的电压，从而实现1.8 V、2.5 V和3.3 V芯片与5 V部件进行通信而无需进行额外的保护。外部的上拉电阻将总线上拉到每个通道所需的电压电平，所有I/O引脚均可以承受5.5 V的电压。

本系统中，上位机通过I2C接口配置TCA9543（默认地址0×70）的寄存器选通不同的bq76925。同时，电池过流的信息通过外部中断的方式主动告知主机。具体电路示意图如图4所示。

图4 I2C总线控制电路部分电路示意图

2.3 模拟量采集控制电路

设备采用LTC2991作为电压电流量采集芯片。LTC2991是一款用于监测温度、电压和电流的芯片。通过I2C串行总线传输信息。芯片内部可检测8路电压，也可以通过差分检测电压电流的变化。芯片内部内置一个温度传感器，可以检测到当前环境温度的变化情况。

LTC2991是一款高精度温度传感器和双电源监控器。它将外部二极管传感器的温度或其自身的芯片温度转换为模拟输出电压，同时消除了由于噪声和串联电阻引起的误差。将两个电源电压和测得的温度与电阻分压器设置的上限和下限进行比较。如果超过阈值，则设备会通过拉低相应的漏极开路逻辑输出来传达警报。

LTC2991通常在现代数字设备中内置的NPN或PNP晶体管或温度二极管提供了±1℃的准确温度结果。电压以1.5%的精度进行监控。另外，芯片采用1.8 V的参考输出简化了阈值编程，并可用作ADC参考输入。

LTC2991采用紧凑的3 mm×3 mm QFN封装，为温度和电压监控提供了一种准确的低功耗解决方案。

主机通过I2C接口读取LTC2991 ADC芯片的寄存器，可以实现对温度、蓄电池各节电压及电流信息的检测。

2.4 电池故障切换机制

系统中两组锂离子电池采用热备份的方式工作，为了保证系统的可靠性，当一组锂离子蓄电池在轨工作过程会出现故障后，需要将存在问题的一组锂离子蓄电池进行切除。

考虑到锂离子蓄电池在充电和放电过程中均可能存在失效，但是在充电过程中出现失效后，造成的后果会更严重。另外从系统的可实现可靠性和合理性角度考虑，锂离子电池采用充电切除方式，即如果某锂离子失效，系统通过控制器切换将不再为该节锂离子电池充电。

为了保证系统的可靠性，主机采用两个位置较远的GPIO产生一组电池的控制信号。

正常上电后，需要发指令允许蓄电池充电，控制信号BPX_SWITCH1此时为高电平，此时驱动三极管Q6导通，此时Q4和Q6的控制端为低电平。Q4和Q6为PMOS管，低电平导通，此时如果外部电压高于蓄电池电压，蓄电池将被充电。放电方向因本体二极管的作用，是始终导通的，具体如图5所示。

图5 电池故障切换部分电路图

因此，主机需要采用记忆逻辑，每次启动后都要先打开正常的电池组充电开关。

3 电池筛选设计

为了保证锂离子蓄电池组上天后能正常工作，需要对电池单体的性能进行筛选。锂离子电池单体按照1∶5的比例进行采购，采购回来后进行筛选，并将筛选后的电池作为实验电池使用。

电池的筛选设计在整个设计过程中非常重要，筛选设计需要考虑以下三个方面：

（1）批次筛选。

批次筛选是指在同一批次的电池中随机抽取5只电池，对各个电池进行多次（50次）0.5C充放电循环测试，如果发现5只电池中有至少1只电池容量与平均电池容量比下降了10%以上，则说明该批次电池稳定性不好，则不能使用该批次电池进行筛选。

（2）瑕疵剔除。

瑕疵剔除是指剔除在电池单体生产过程中出现的微小瑕疵。这些微小的瑕疵在地面上使用不会产生任何负面影响，但是如果在航天上使用则会影响电池组的正常使用。这些微小瑕疵主要包括外观瑕疵（如表面有轻微划伤，表面有多余物等）、机械尺寸瑕疵（电池尺寸不满足要求）、重量瑕疵（电池重量不能满足要求）、内阻瑕疵（直流内阻对于每一个电池单体的直流内阻应该小于35 mΩ）、28天荷电保持率（测试电池在充满后28天，对该单体进行测试，测试该单体电压保持应达到93%以上）、充放电效率瑕疵（对单体电容进行3次1 C的充电和放电测试，测试后计算充放电效率，效率均应大于98%，则无瑕疵）。

（3）一致性优选。

一致性优选设计，主要是针对合格电池进行优中选优。在完成上述测试后的电池进行一致性优选。

采用0.2 C充放电倍率对锂离子电池进行4次充放电测试，取后3次充电容量结果求平均值。然后对各节电池计算的充电容量平均值排序，取中间测试结果作为可以使用的电池。在确定组合时，尽量选用容量临近的电池进行组合。

经过筛选和测试后对电池管理系统进行组装，组装后具体如图6所示。

图6 组装完成后电池管理系统

4 卫星在轨测试数据及分析

2019年12月7日16时52分，搭载了小卫星电池管理系统的长沙天仪研究院TY18卫星使用快舟一号甲运载火箭在太原卫星发射中心成功发射。截止到2020年12月8日，卫星在轨运行整整一年的时间。通过一年来卫星在轨数据进行收集整理，筛选卫星工作状态一致的条件下蓄电池的状态，通过这些数据可以了解电池工作及运行情况。具体数据如表2、表3所示。

表2 一号组卫星电池在轨测试数据表

表3 二号组卫星电池在轨测试数据表

根据表2和表3所提供的数据，可以计算出每组电池中各节电池的标准差，具体根据公式（3）计算均值，根据公式（4）计算组内各个电池电压的标准差：

计算结果如表4、表5所示。

表4 一号组电池在轨工作标准差表

表5 二号组电池在轨工作标准差表

根据表2、表3和表4、表5所示，电池在轨测试数据可以得到如下结论：

（1）从表4表5中可以看出，从2019年12月9日卫星发射入轨到2020年12月8日，两组锂离子电池电压均值均在4.07 V左右，说明卫星电源系统工作良好，能够为整星提供足够的能源；

（2）锂离子电池在卫星在轨工作过程中，若出现单组电池故障，系统将切除故障电池以保证安全，而该组电池将永久性失效。从表2至表5的测试数据上看，两组电池均工作正常，因此电池管理模块在轨工作期间未发生失效情况，说明电池管理模块整体上可靠性较高；

（3）从表4和表5的数据中可以看到，锂离子电池组1和电池组2工作一年后，各组电池的均方差均小于0.1，说明各节电池在电池管理模块的管理下能够稳定工作，采用电池管理模块后，电池由于不均衡造成的电压差，得到了有效抑制，整个电池管理模块能够满足系统设计要求；

（4）根据表4和表5中电池电压均方差值变化可以看出，数值从最初的接近0.006上升到最后的接近0.008。因此可知，随着卫星在轨时间的延长，电池的不均衡性总体趋势是越来越大的，采用了电池均衡技术可以有效对电池的不均衡进行抑制。

5 结论

本文设计了一套基于立方星的电池管理模块，可实现CUBESAT小卫星采用的12 V不调节母线结构，上位机可以通过总线检测各节电池的电压状态，并可根据状态进行电池均衡。电池组采用热备份方式，两组蓄电池可独立工作，蓄电池组内部可实现温度采集和主动热控功能，每组电池电压均方差不大于0.1 V。通过卫星在轨试验表明，研制的电池管理模块能够满足卫星在轨工作的要求，在轨工作状态良好。