| 航天鋰離子電池均衡充電技術(shù)綜述 |
鋰離子電池代表了航天器儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)展方向，是航天器的第三代儲(chǔ)能器。它具有輕重量、體積小、無(wú)記憶效應(yīng)、適應(yīng)溫度廣等優(yōu)點(diǎn)，是目前主流應(yīng)用的鎘鎳、氫鎳電池的替代產(chǎn)品。航天用鋰離子電池的能重比為90～110Wh/kg，相對(duì)于氫鎳電池45～60Wh/kg的指標(biāo)，優(yōu)勢(shì)明顯。但鋰離子電池的電化學(xué)特性要求充電過(guò)程必須嚴(yán)格控制，因此，要設(shè)計(jì)專門(mén)的充電管理電路來(lái)控制航天器鋰離子電池的充電過(guò)程。
鋰離子電池充電關(guān)鍵技術(shù)
用鋰離子電池替代鎘鎳、氫鎳電池不能套用簡(jiǎn)單的“即插即用”方式，這是因?yàn)殇囯x子電池與鎘鎳、氫鎳電池有一個(gè)最大的不同點(diǎn)：鋰離子電池嚴(yán)禁過(guò)充電。因此，必須結(jié)合鋰離子電池特性設(shè)計(jì)新的充電管理電路。鋰離子電池充電管理電路的關(guān)鍵點(diǎn)（與鎘鎳、氫鎳電池充電管理電路主要不同點(diǎn)）主要包括兩方面：充電方式和均衡充電。
在工程應(yīng)用中，鋰離子電池單體或由單電池并聯(lián)組成的電池模塊必然要串聯(lián)成電池組，故必須考慮充電過(guò)程中各電池單體或電池模塊的失衡現(xiàn)象，而且隨著時(shí)間的推移，這種失衡現(xiàn)象會(huì)愈加嚴(yán)重，嚴(yán)重影響電池壽命和可靠性，因此均衡充電也是鋰離子充電的關(guān)鍵技術(shù)。
1 恒流-恒壓（TAPER）型充電控制
在采用鎘鎳、氫鎳電池的衛(wèi)星電源系統(tǒng)中，基本上都采用恒流充電方式，當(dāng)達(dá)到V-T曲線、電子電量、壓力、第三電極等控制方式的控制點(diǎn)時(shí)停止充電，完成一個(gè)充電過(guò)程。鋰離子電池不適合采用這些充電控制方式，因?yàn)檫@些充電方式不能保證鋰離子電池的充電終壓始終限定在規(guī)定的范圍內(nèi)，即使充電終壓有保證，往往是到達(dá)充電終壓后立即停止充電，而鋰離子電池在到達(dá)充電終壓后仍然需要補(bǔ)充30%左右的電量。從鋰離子電池多年發(fā)展來(lái)看，恒流-恒壓充電控制是最普遍、最適合采用的充電控制方式。在此方式下，充電器首先對(duì)鋰離子電池進(jìn)行恒定電流充電，這時(shí)電池電壓逐漸抬高，當(dāng)電池電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)進(jìn)行恒定電壓充電，這時(shí)充電電流近似指數(shù)規(guī)律減小，所以這種充電方式也稱為T(mén)APER型充電控制。
圖1 旁路式鋰離子電池充電控制電路
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2 均衡充電技術(shù)
航天用鋰離子電池必須采用均衡充電技術(shù)，這種觀點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到完全認(rèn)同。均衡充電技術(shù)主要解決鋰離子電池單體長(zhǎng)期充電過(guò)程中的電化學(xué)特性偏差現(xiàn)象，因此均衡充電方式的優(yōu)劣需要一定的時(shí)間、資金、人力投入才能得到有效驗(yàn)證。
鋰離子電池均衡充電在民用產(chǎn)品中還沒(méi)有得到廣泛重視和應(yīng)用，因?yàn)槎喙?jié)單電池串聯(lián)的應(yīng)用較少，可靠性、壽命要求不高。在電動(dòng)車(chē)鋰離子電池系統(tǒng)中，單電池串聯(lián)的節(jié)數(shù)較多，已經(jīng)采用均衡充電技術(shù)，一般是采用單片機(jī)系統(tǒng)控制并在單電池上的分流電阻上實(shí)行通斷，從而控制單電池的充電量。這種方法控制復(fù)雜、效率低、熱耗大、均衡時(shí)間長(zhǎng)，在早期的航天產(chǎn)品方案中移植了這種方法，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的技術(shù)人員正在探討更加理想方案。
均衡充電的意義就是使鋰離子電池單體電壓偏差保持在預(yù)期的范圍內(nèi)，從而保證每個(gè)單電池在衛(wèi)星壽命期間不受到過(guò)應(yīng)力沖擊而發(fā)生損壞。若不進(jìn)行均衡充電控制，隨著充放電循環(huán)的增加，各單電池電壓逐漸分化。
一般情況下，充電時(shí)鋰離子電池單體電壓的偏差在50mV之內(nèi)是完全可以接受的。我們可以認(rèn)為造成偏差的主要原因是單電池充電效率、自放電率存在差異。另一方面，單電池中的測(cè)量電路電流消耗的影響也必須認(rèn)真考慮，有時(shí)測(cè)量電路消耗的電流已經(jīng)達(dá)到電池自放電電流的量級(jí)。在做鋰離子電池壽命實(shí)驗(yàn)時(shí)，有的技術(shù)人員反映串聯(lián)電池組的第一只或最后一只常常最先損壞，這往往是由于測(cè)量電路消耗造成的。
充電控制電路
1 旁路式充電控制
如圖1所示，光照期太陽(yáng)電池充電陣通過(guò)二極管直接給鋰離子蓄電池組充電，蓄電池組的每只電池都設(shè)置了充電旁路電路。當(dāng)某一單電池的電壓到達(dá)設(shè)定值時(shí)，充電旁路電路中的功率三極管開(kāi)始導(dǎo)通，分流掉部分充電電流，保持該單電池電壓恒定在很窄的一個(gè)范圍內(nèi)。蓄電池的特性決定了充電電流逐漸減?。ń浦笖?shù)規(guī)律），直至光照期結(jié)束。這種充電方法能夠保證每只單電池均衡充電，但旁路電路功耗較大，充電電流很難測(cè)量。
2 分流式充電控制
單電池循檢電路分別采樣各個(gè)電池電壓，經(jīng)過(guò)或門(mén)電路取出單電池電壓最大值，在信號(hào)變換電路中與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較產(chǎn)生誤差信號(hào)，誤差信號(hào)送入分流調(diào)節(jié)器電路，控制鋰離子蓄電池組中的單體電壓。任一只電池電壓到達(dá)設(shè)定值時(shí)，蓄電池組的平均充電電流逐漸減小。若采用開(kāi)關(guān)型分流調(diào)節(jié)器，則在單體恒壓充電時(shí)，充電電流是脈動(dòng)的，所以采用這種充電控制方法需要鋰離子蓄電池組能夠適應(yīng)脈動(dòng)充電電流。
主誤差放大器（MEA）采樣母線電壓信號(hào)，產(chǎn)生誤差信號(hào)后送到分流調(diào)節(jié)器。也就是說(shuō)，分流調(diào)節(jié)器同時(shí)受母線電壓和蓄電池單電池電壓控制。分流式鋰離子電池充電控制電路如圖2所示。
圖2 分流式鋰離子電池充電控制電路
3 分段式充電控制
單電池循檢比較電路采樣單電池電壓，任何一只單電池電壓超過(guò)設(shè)定值，或門(mén)電路就會(huì)產(chǎn)生個(gè)一過(guò)壓信號(hào)，通過(guò)鎖定電路斷開(kāi)一路充電陣，使得充電電流減小1/3，當(dāng)再次產(chǎn)生一個(gè)過(guò)壓信號(hào)時(shí)關(guān)掉第二個(gè)充電陣，直至關(guān)掉最后一個(gè)充電陣。當(dāng)脈沖負(fù)載來(lái)臨或者進(jìn)入地影期時(shí)，解鎖電路產(chǎn)生解鎖信號(hào)，使得充電控制電路能夠進(jìn)行下一個(gè)充電過(guò)程。很顯然，當(dāng)恒壓充電時(shí)，充電電流不是近似指數(shù)規(guī)律，而是階梯型逐級(jí)遞減。分段式鋰離子電池充電控制電路見(jiàn)圖3。
圖3 分段式鋰離子電池充電控制電路
4 單電池峰值電壓限制型線性充電控制
單電池循檢電路分別采樣各個(gè)單電池電壓，經(jīng)過(guò)或門(mén)電路取出單電池電壓最大值，經(jīng)過(guò)信號(hào)變換電路送入限壓控制電路，限壓控制電路通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整功率管的阻抗控制鋰離子蓄電池組中的單電池電壓。當(dāng)任一只單電池電壓都未到達(dá)設(shè)定值時(shí)，太陽(yáng)電池陣以相對(duì)穩(wěn)定的電流通過(guò)限壓控制電路中的功率管對(duì)鋰離子蓄電池組充電，功率管的阻抗接近于零；當(dāng)任一只單電池電壓到達(dá)設(shè)定值時(shí)，功率管的阻抗逐漸增大，蓄電池組的充電電流逐漸減小，充電電流減小的規(guī)律由鋰離子蓄電池組的特性決定（近似指數(shù)規(guī)律）。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是充電恒壓階段充電電流連續(xù)減小，基本上是指數(shù)規(guī)律，較適應(yīng)鋰離子蓄電池的充電習(xí)慣，充電電路的功耗也不大。單電池峰值電壓限制型線性充電控制電路如圖4所示。
圖4 單電池峰值電壓限制型線性充電控制電路
幾種均衡充電技術(shù)
1 恒定分流電阻均衡充電
電阻分流均衡充電原理如圖5所示。
圖5 恒定分流電阻均衡充電原理
每個(gè)鋰離子電池單體上都并聯(lián)一個(gè)分流電阻。從電路中可以看出，電阻上的分流電流必須遠(yuǎn)大于電池的自放電電流，才能達(dá)到均衡充電的效果。一般鋰離子電池的自放電電流為C/20000左右，所以流過(guò)分流電阻上的電流取C/200是比較合適的。
另外，每個(gè)分流電阻的偏差也是影響均衡效果的重要因素。經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的充放電循環(huán)后，單電池的偏差可以用下面的公式確定：
V電池電壓偏差=R分流×I自放電＋2×V單電池×K電阻偏差
若分流電阻取20Ω±0.05%，則電池電壓偏差能夠控制在50mV范圍內(nèi)。每個(gè)電阻的平均功率為0.72W，但是無(wú)論電池充電過(guò)程還是電池放電過(guò)程，分流電阻始終消耗功率。
2 通斷分流電阻均衡充電
通斷分流電阻均衡充電原理如圖6所示。
圖6通斷分流電阻均衡充電原理
通斷分流電阻均衡充電與電阻分流均衡充電的區(qū)別就是增加了一個(gè)通斷開(kāi)關(guān)，這個(gè)開(kāi)關(guān)的控制可以由單片機(jī)系統(tǒng)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)簡(jiǎn)單的邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用這種控制方式的均衡電路只在TAPER充電的恒壓充電段工作，其他時(shí)間通斷開(kāi)關(guān)始終斷開(kāi)，這樣需要電池組放電時(shí)，分流電阻不消耗寶貴的能量。在光照期，太陽(yáng)電池發(fā)電功率是有富余的，這時(shí)均衡電路消耗一定的能量對(duì)于電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)具有一定的合理性。在LEO軌道，這種均衡電路的工作時(shí)間只占10%左右，所以要達(dá)到上面論述的均衡效果，電阻值需減小10倍，可見(jiàn)峰值熱功耗是相當(dāng)大的，這是這種電路的主要缺點(diǎn)。另外，通斷開(kāi)關(guān)的實(shí)效是致命故障，所以必須采用冗余手段。
3 開(kāi)關(guān)電容均衡充電
圖7 開(kāi)關(guān)電容均衡充電原理
開(kāi)關(guān)電容均衡充電原理如圖7所示，從圖中可以看出，順序開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路主要由時(shí)鐘電路構(gòu)成，它驅(qū)動(dòng)多路開(kāi)關(guān)順序閉合，順序把鋰離子電池單體接入傳送電容器，通過(guò)傳送單電池之間的不平衡能量，達(dá)到均衡充電的目的。同時(shí)，通過(guò)測(cè)量傳送電容器上的電壓來(lái)監(jiān)測(cè)各個(gè)單電池的電壓。若某個(gè)單電池發(fā)生短路故障，低電壓比較器輸出開(kāi)關(guān)禁止信號(hào)，禁止短路的單電池接入傳送電容器，防止影響其他單電池的正常工作，同時(shí)給恒流恒壓變換器送入電池低電壓報(bào)警信號(hào)，使恒流恒壓變換器根據(jù)單電池短路的情況確定正確的恒定電壓。這種均衡電路的最大優(yōu)點(diǎn)是能源浪費(fèi)極低，缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，多路開(kāi)關(guān)的通態(tài)電阻、高共模限制都會(huì)影響均衡充電的實(shí)現(xiàn)。另一方面，參數(shù)選取比較困難，針對(duì)不同的電源系統(tǒng)配置，電路參數(shù)需詳細(xì)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，這對(duì)研制周期是不利的。
4 降壓型變換器均衡充電
圖8 降壓型變換器均衡充電原理
降壓型變換器均衡充電原理如圖8所示。
降壓型變換器均衡充電方案也是一種低消耗的均衡方案。它的思路很清晰，主回路是標(biāo)準(zhǔn)的降壓式調(diào)節(jié)器，在儲(chǔ)能電感上增加多組相同的次繞組，用于電池單體的輔助充電。顯然，電壓低的單電池會(huì)從次繞組上得到更多的能量，電壓高的得到能量少，這樣就達(dá)到了均衡充電的目的。為了得到良好的均衡效果，次繞組的一致性需要嚴(yán)格控制。但電感繞組的一致性是非常難于控制的，因此這是這種控制方法的一個(gè)最大缺點(diǎn)。這種充電方式的研究剛剛起步，充電效率、均衡效果、可靠性分析等需要進(jìn)一步的深入研究。 |
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5 平均電池電壓均衡充電
圖9 平均電池電壓均衡充電原理
平均電池電壓均衡充電原理如圖9所示，圖中只給出了一只單電池的均衡電路，其他各單電池也配備相同的均衡電路，其中，放大器由單電池供電。
這種均衡充電控制電路的思路是：?jiǎn)坞姵仉妷号c平均單電池電壓相比較，控制功率開(kāi)關(guān)將電池電壓高于平均電壓的單電池分流。因此，所有單電池電壓在均衡電路的作用下趨向平均電池電壓。
此電路初看起來(lái)是開(kāi)環(huán)控制，實(shí)際上由于電池內(nèi)阻的作用，均衡電路工作在具有負(fù)反饋特性的閉環(huán)狀態(tài)。為了防止均衡電路在電池組放電時(shí)工作，可以在功率開(kāi)關(guān)下端串聯(lián)穩(wěn)壓二極管，這樣在電池放電時(shí)，電池電壓較低而失去分流回路。
平均電池電壓均衡充電電路模式已經(jīng)深入研究，被認(rèn)為是效果非常好的方案。這種電路被列入LEO軌道鋰離子電池應(yīng)用的首選方案，已經(jīng)申請(qǐng)了法國(guó)和歐洲的專利。
結(jié)語(yǔ)
以上討論了鋰離子電池充電管理電路的關(guān)鍵技術(shù)：恒流-恒壓（TAPER）充電方式和均衡充電技術(shù)。通過(guò)比較，我們認(rèn)為，“單電池峰值電壓限制型線性”充電控制方案比較適應(yīng)小衛(wèi)星的使用，可避開(kāi)“旁路式”控制巨大熱耗、“分流式”控制巨大脈動(dòng)充電電流、“分段式”恒壓充電階段充電電流減小不連續(xù)的缺點(diǎn)；平均電池電壓均衡充電電路適應(yīng)性強(qiáng)，各方面指標(biāo)均比較理想。 |
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