星载非耗散型锂离子电池管理技术研究与实践

宋鼎 张龙龙 康庆 张文佳 刘鹏 王磊

(1 北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)(2 中国石油大学(华东),山东青岛 266580) (3 山东航天电子技术研究所,山东烟台 264670)

由于锂离子电池的生产工艺限制,锂离子电池单体之间的容量、电压、内阻均存在差异,这种差异会随着锂离子电池组的循环次数的增加而增加。单体的不一致会造成电池组无法发挥最大容量,而且会极大地缩短电池组的使用寿命,甚至造成安全事故。随着锂离子电池越来越多地应用于航天装备,对锂离子电池管理系统的要求也越来越高。空间锂离子电池的管理需要解决在近百伏特共模电压条件下,毫伏级的电压测量和控制问题,同时还要受到空间环境条件的约束[1],难度较大,单体电池电压高精度测量和均衡技术被认为是航天器电池管理的关键。

传统的空间锂离子电池单体电池电压测量方法包括分压电阻法和浮地测量法。分压电阻法[2]最早被用于锂离子电池单体电压测量,其基本思想是使用精密电阻网络对每个电池的正极电压进行分压、模数转换。该方法工程实现性强,但存在对电阻网络的精度、匹配性要求很高,高等级器件难以满足要求。另外,这种方法采用的分压电路对每个单体电池的放电电流不同,会造成电池单体电压的分化,降低电池组的性能。浮地测量法[3]将锂离子电池组分为若干个小组合,与之对应的测量电路将小组合内的单体电池电压数字化,然后通过光耦隔离方式,将单体电压测量数据传输给上位机。这种方法可以实现较高的测量精度,但测量电路的供电和信息传输均需要相互隔离,造成管理电路的功率密度较低。

单体电池均衡方法可分为能量耗散型和非耗散型两大类,能量耗散型电路拓扑的典型形式为开关电阻均衡,其基本原理利用开关器件和耗散电阻将电压较高的单体电池能量以热量的方式消耗,从而防止单体电池过充电[1]。该方法存在均衡效率低、均衡速度慢,因此适用于中小容量锂离子电池组[3]。随着空间电池组容量的增加,能量耗散型均衡方式带来了较大的热控负担。基于高频开关技术的非耗散型电池管理技术已经成为国内外研究的热点,利用储能元器件构建单体电池能量转移通道,实现能量的均衡分配[4],提高均衡精度和能量的利用率,成为降低系统重量和热控负担的有效途径,是电池管理技术的发展方向。根据电路拓扑的不同,非耗散型均衡可分为基于电容式、基于电感式和隔离变换器三种均衡方式。非耗散型电池均衡拓扑已经基本覆盖了经典的DC/DC开关电源拓扑,如开关电容拓扑[5]、多变压器[6-7]、多绕组变压器[8]、升降压变换器[9]等。为了进一步提升均衡效率,软开关技术也被引入了非耗散型电池均衡管理,文献[6,10]分别利用零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)以减小开关器件的损耗,使得均衡效率相对于非软开关均衡方法提升20%～30%。总之,随着航天器锂离子电池容量、寿命、可靠性要求的逐步高,以高效率、高精度、全自主为主要特征的新一代非耗散型电池管理技术成为解决上述问题的关键。为此,本文提出非耗散型锂离子电池管理方法,研制电池管理单元,实现了高效率、高精度、全自主电池管理,保障大容量空间锂离子电池组在轨工作的性能与安全。

1 任务需求

空间锂离子电池管理技术随着锂离子电池在空间应用规模的扩大而不断深入。第一代电池管理技术以单体电压分压采集和开关电阻耗散均衡为主要特征,电路简单但采集精度低、均衡电流小,为满足航天器电源系统对电池组性能与安全不断提升的要求,第二代电池管理技术采用浮地检测技术实现单体电压的高精度测量,结合场效应管(MOSFET)开关技术大大提升了均衡电流,但管理单元的体积和质量也随之增加、均衡热耗成为制约电池容量进一步提升的主要因素,不能满足我国新一代大容量卫星平台的需求。空间锂离子电池管理技术参数对比如表1所示。

表1 空间锂离子电池管理技术参数对比Table 1 Comparison of technical parameters of space lithium-ion battery management

东方红五号卫星平台是我国自主开发的新一代大型地球同步轨道卫星平台。创新的采用桁架结构技术,有效提升平台的承载能力,可满足不同功能卫星的需求[11]。与通信卫星家族现役“主力产品”东方红三号、四号平台相比,东方红五号卫星平台配置的锂离子电池的容量也成倍增长。这对电池管理的功能和指标都提出了更高的要求。

(1)提高均衡能力,降低热控负担:锂离子电池均衡电流一般按照C/100(C为电池容量)设计,传统的采用继电器方式的均衡技术,已不能满足大电流均衡的要求,场效应管开关技术均衡方案可以提升均衡电流但会给卫星热控分系统带来巨大的负担,需要新型方案来解决均衡能力和热控负担的矛盾问题。

(2)高管理精度:空间锂离子电池在生产过中,由于生产工艺以及环境条件等因素的影响。单体电池在出厂时都存在潜在的不一致性因素[12]。在串并联成组使用过程中,各个电池芯的不一致性会影响电池组的性能,极端条件下甚至会导致安全问题。相关研究表明提升电池电压的测量精度一致性可以提升电池的有效容量[13-14],杜绝安全隐患。

(3)降低体积和质量:通信卫星的有效载荷有通信转发器和天线,随着航天技术的不断发展,卫星平台也在逐步向低功耗、小质量和小体积的方向发展,为提高卫星有效载荷比提供基础。作为平台产品,电池管理设备的设计目标是通过采用新拓扑、新方法提升集成度,同时,减少电池到管理单元的电缆数量将会大大降低供配电分系统的质量。

(4)具备自主管理能力:针对能源分系统长期在轨自主管理的需求,电池管理单元应具备自主模式切换、自主电压测量,自主均衡控制、自主过压、低压报警功能,保证锂离子电池组的在轨安全运行,降低地面操作人员的工作量。

2 非耗散型电池管理技术

2.1 非耗散型电池均衡拓扑架构

本项目提出一种非耗散型均衡技术,其特点是利用双向直流/交流(DC/AC)拓扑结构实现串联电池单体之间的能量转移[4]。系统拓扑结构如图1所示,对应每个电池单体配置一个DC/AC变换器,变换器的DC端与锂离子单体连接,AC端通过一个限流电阻R连接于公用母线VAGV。

由等效电路的基尔霍夫定律分析可知,如果所有电池单体电压均相同,则电池处于均衡状态,串联电池单体之间无电流流动,平均电压等于单体电压。如果电池单体之间电压存在差异,单体电压就不再等于平均电压,这就会引起电流由单体电压高于平均电压的电池流向公共母线,实现DC/AC变换,同时也会有电流由公共母线流向单体电压低于平均电压的电池,进行AC/DC变换。可见,只要单体电压间存在差异,均衡就会主动发生且持续发生直至单体电压均衡,不受电池组充电、放电或静置状态的影响。由图1(b)可知,假设每节电池的单体电压分别为Vi(i=1,2,…,n),公共母线电压为Vavg,则每节电池的均衡电流可表示为

(1)

那么各节电池释放或获取的功率可表示为

(2)

式中:Pi>0,表示电池获取能量,均衡充电;反之,Pi<0,则表示电池释放能量,均衡放电,均衡能量双向流动。

当所有单体电压均相等时,流过DC/AC变换器及电池单体的电流为0;当单体之间电压不均衡时,电流从高电压单体经过相应变换器和公用母线流到低电压单体,高电压单体随着放电过程电压降低、低电压单体随着充电过程电压升高,各节单体之间的压差逐步减小,最终实现单体电压的均衡,在均衡过程无需对单体电的电压测量进行测量。

均衡过程中理论上只有能量转移,无能量损失,因此无需在电池或者舱板上布置耗散加热器,不仅降低了整星的热控负担,而且减少了电池内部及到管理单元电缆的数量,有利于整星总质量的优化。

2.2 非耗散型电池均衡电路设计

非耗散型电池均衡电路如图1所示,由变压器T1～Tn、谐振电容C1～Cn、限流电阻R1～Rn、MOSFET开关管Q1～Qn及其驱动电路构成。谐振电容和N型MOSFET并联后与变压器原边串联,变压器副边通过限流电阻相互并联,构成双向DC/AC变换器,实现电池单体之间的能量转移。非耗散型电池均衡电路工作模态如图2所示。

图2 非耗散型电池均衡电路工作模态Fig.2 Operation mode of cell equalization circuit

按照均衡控制信号的电平,非耗散型电池均衡电路工作在两种模态:当MOSFET在Q1～Qn处于导通状态时,所有变压器T1～Tn的原边电压等于相应电池单体电压,由于变压器采用匝数比为1∶1变压器,因此,各变压器副边电压等于电池单体电压原边电压,电流由电压高的单体电池流向电压低的单体电池。此时,变压器副边输出电压可用于单体电压检测。

当均衡控制信号处于OFF状态时,MOS管中的电流减小为0,励磁电流通过MOS管上并联谐振电容与变压器原边形成的LC串联谐振回路。在此过程中,能量从变压器T1～Tn与电容C1～Cn之间互相转移,变压器中的励磁电流波形为半个周期正弦波形,如图3所示。采用基于数字控制的谐振频率跟踪方法调整振荡激励频率,使得电容C1～Cn两端电压正好为0时,再次打开MOS管Q1～Qn,从而实现零电压切换(Zero Voltage Switching,ZVS)。

图3 非耗散型电池均衡时序关系图Fig.3 Timing diagram of cell equalization

反激变换器的固有频率取决于变压器原边电感、MOSFET栅极电容及并联谐振电容,通过激励时钟控制N型MOSFET开关的通断(50%占空比),使双向DC/AC变换器工作在谐振模式(激励频率等于谐振频率)。图3给出了均衡电路的关键时序关系波形。

2.3 工作模式设计

现场可编程门阵列(FPGA)是蓄电池组管理单元的控制核心,设备加电后,FPGA进行数据总线初始化,默认工作于禁止工作模式。禁止工作模式下,不输出均衡激励信号,只采集除单体电压外的其它模拟量,并通过数据总线上传。图4为蓄电池组管理单元工作模式切换流程图。

图4 工作模式之间切换流程图Fig.4 Flow chart of switching between working modes

正常情况下,蓄电池组管理单元接收星务计算机发送的3种指令:自适应均衡指令、均衡禁止指令和连续均衡指令。蓄电池组管理单元接收到指令后将执行状态反馈给星务计算机。

当蓄电池组管理单元接收到自适应均衡指令后,蓄电池组管理单元发送均衡激励脉冲,并进行采集,根据采集到的单体电池的电压值进行最大值和最小值的差值与均衡阈值进行比较,决定进入哪种工作模式。

当单体压差值大于均衡阈值100mV时,蓄电池组管理单元进入连续工作模式:用于对锂离子电池单体进行均衡操作,短时间内将各节单体电压均衡到平均电压。该模式下,中控模块的FPGA连续发出均衡驱动信号,均衡模块中的均衡电路在驱动信号作用下持续工作,完成单体均衡。

当差值小于均衡阈值10mV时进入间歇工作模式:当锂离子电池单体达到均衡后,为降低蓄电池组接口管理单元(BIMU)对电池容量的消耗,同时满足地面对单体电池电压遥测的需求,蓄电池组管理单元工作在一定的占空比,该模式下,中控模块中FPGA的均衡驱动信号间歇输出,其中50ms发出一次均衡驱动信号,完成所有单体电压采集,之后驱动信号持续5s输出为零,当采集到单体蓄电池电压之间压差≥100mV时,蓄电池组管理单元切换到连续工作模式下,如果压差<100mV,则如此循环往复。此时锂离子电池管理单元对锂离子电池的电流消耗得到降低。

3 地面及在轨实验结果

东方红五号卫星共配置了东、西两组锂离子蓄电池组,分别配置了非耗散型锂离子电池管理单元。地面测试阶段分别对单体电压均衡性能、单体电压采集精度、电池均衡能力进行了测试。

图5为电池管理单元地面验证系统,包括超级电容器组、单体电池充放电设备、多功能开关测量设备及计算机构成。测试验证时,锂离子蓄电池组的电压由超级电容器输出,使用电池管理单元及多功能开关测量设备,分别对锂离子蓄电池组单体电压进行测量,针对单体电压2.0V、3.0V、3.7V、4.2V和4.5V并将两者获得的数据进行比对,见表2,电池管理单元的电压平均测量误差小于6.5mV。

图5 地面测试系统框图Fig.5 Block diagram of ground system

非耗散型锂离子电池管理单元实现了均衡采样一体化设计,在均衡的同时,单体电压通过平面变压器、采样保持电路、A/D转化为数字量,并通过1553B总线上传至星务计算机。

表2 锂离子蓄电池组单体电压测量误差Table 2 Measurement error of cell voltage of lithium-ion battery

图6是东五平台某卫星配置的两台蓄电池组管理单元在轨工作期间,锂离子蓄电池单体电压变化情况。可以看出在入轨初期,两组锂离子电池在地面存放期间单体电池压差维持在31mV和37mV,锂离子电池管理单元开机后,首先工作在连续工作模式,在此模式下,高电压单体的能量通过公共母线转移到低电压单体,使得锂离子电池组之间的压差逐步缩小,最终东电池压差收敛于6.3mV,西电池压差收敛于7.8mV,均衡精度满足10mV的技术要求。锂离子电池组在轨经历了充电、放电、搁置状态,两台锂离子电池管理单元工作正常,性能稳定。

图6 东五平台某卫星锂离子蓄电池单体电压在轨变化趋势Fig.6 On-orbit trend of lithium-ion cell voltage of a satellite on DFH-5 platform

4 结束语

非耗散型电池管理技术采用新型电路拓扑,以数字化控制为手段实现了高效率、高精度、全自主的电池管理。采用非耗散型锂离子电池管理技术的产品,锂离子电池组无需配置电池均衡耗散装置,有效降低整星的热控负担和系统的质量,同时,锂离子蓄电池组在充电、放电、搁置期间均可进行自主管理,提升了卫星储能装置的自主生存能力。非耗散型电池管理单元的成功研制实现了空间锂离子电池管理产品的升级换代,其研究成果的深入应用必将带来广泛的社会和经济效益。