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能設(shè)備的發(fā)展方向，是航天器的第三代儲能器。它具有輕重量、體積小、無記憶效應、適應溫度廣等優(yōu)點，是目前主流應用的鎘鎳、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，相對于氫鎳電池45～60Wh/kg的指標，優(yōu)勢明顯。但鋰離子電池的電化學特性要求充電過程必須嚴格控制，因此，要設(shè)計專門的充電管理電路來控制航天器鋰離子電池的充電過程。
? 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單的“即插即用”方式，這是因為鋰離子電池與鎘鎳、氫鎳電池有一個最大的不同點：鋰離子電池嚴禁過充電。因此，必須結(jié)合鋰離子電池特性設(shè)計新的充電管理電路。鋰離子電池充電管理電路的關(guān)鍵點（與鎘鎳、氫鎳電池充電管理電路主要不同點）主要包括兩方面：充電方式和均衡充電。
? 在工程應用中，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，故必須考慮充電過程中各電池單體或電池模塊的失衡現(xiàn)象，而且隨著時間的推移，這種失衡現(xiàn)象會愈加嚴重，嚴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，當達到V-T曲線、電子電量、壓力、第三電極等控制方式的控制點時停止充電，完成一個充電過程。鋰離子電池不適合采用這些充電控制方式，因為這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，往往是到達充電終壓后立即停止充電，而鋰離子電池在到達充電終壓后仍然需要補充30%左右的電量。從鋰離子電池多年發(fā)展來看，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，充電器首先對鋰離子電池進行恒定電流充電，這時電池電壓逐漸抬高，當電池電壓達到設(shè)定值時進行恒定電壓充電，這時充電電流近似指數(shù)規(guī)律減小，所以這種充電方式也稱為TAPER型充電控制。
圖1 旁路式鋰離子電池充電控制電路
? 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)，這種觀點在國內(nèi)外已經(jīng)得到完全認同。均衡充電技術(shù)主要解決鋰離子電池單體長期充電過程中的電化學特性偏差現(xiàn)象，因此均衡充電方式的優(yōu)劣需要一定的時間、資金、人力投入才能得到有效驗證。
? 鋰離子電池均衡充電在民用產(chǎn)品中還沒有得到廣泛重視和應用，因為多節(jié)單電池串聯(lián)的應用較少，可靠性、壽命要求不高。在電動車鋰離子電池系統(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)，一般是采用單片機系統(tǒng)控制并在單電池上的分流電阻上實行通斷，從而控制單電池的充電量。這種方法控制復雜、效率低、熱耗大、均衡時間長，在早期的航天產(chǎn)品方案中移植了這種方法，現(xiàn)在國內(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期的范圍內(nèi)，從而保證每個單電池在衛(wèi)星壽命期間不受到過應力沖擊而發(fā)生損壞。若不進行均衡充電控制，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，單電池中的測量電路電流消耗的影響也必須認真考慮，有時測量電路消耗的電流已經(jīng)達到電池自放電電流的量級。在做鋰離子電池壽命實驗時，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，光照期太陽電池充電陣通過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。當某一單電池的電壓到達設(shè)定值時，充電旁路電路中的功率三極管開始導通，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范圍內(nèi)。蓄電池的特性決定了充電電流逐漸減小（近似指數(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，充電電流很難測量。
? 2 分流式充電控制
? 單電池循檢電路分別采樣各個電池電壓，經(jīng)過或門電路取出單電池電壓最大值，在信號變換電路中與基準信號進行比較產(chǎn)生誤差信號，誤差信號送入分流調(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設(shè)定值時，蓄電池組的平均充電電流逐漸減小。若采用開關(guān)型分流調(diào)節(jié)器，則在單體恒壓充電時，充電電流是脈動的，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脈動充電電流。
主誤差放大器（MEA）采樣母線電壓信號，產(chǎn)生誤差信號后送到分流調(diào)節(jié)器。也就是說，分流調(diào)節(jié)器同時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設(shè)定值，或門電路就會產(chǎn)生個一過壓信號，通過鎖定電路斷開一路充電陣，使得充電電流減小1/3，當再次產(chǎn)生一個過壓信號時關(guān)掉第二個充電陣，直至關(guān)掉最后一個充電陣。當脈沖負載來臨或者進入地影期時，解鎖電路產(chǎn)生解鎖信號，使得充電控制電路能夠進行下一個充電過程。很顯然，當恒壓充電時，充電電流不是近似指數(shù)規(guī)律，而是階梯型逐級遞減。分段式鋰離子電池充電控制電路見圖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單電池電壓，經(jīng)過或門電路取出單電池電壓最大值，經(jīng)過信號變換電路送入限壓控制電路，限壓控制電路通過動態(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。當任一只單電池電壓都未到達設(shè)定值時，太陽電池陣以相對穩(wěn)定的電流通過限壓控制電路中的功率管對鋰離子蓄電池組充電，功率管的阻抗接近于零；當任一只單電池電壓到達設(shè)定值時，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，較適應鋰離子蓄電池的充電習慣，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
? 每個鋰離子電池單體上都并聯(lián)一個分流電阻。從電路中可以看出，電阻上的分流電流必須遠大于電池的自放電電流，才能達到均衡充電的效果。一般鋰離子電池的自放電電流為C/20000左右，所以流過分流電阻上的電流取C/200是比較合適的。
? 另外，每個分流電阻的偏差也是影響均衡效果的重要因素。經(jīng)過一定次數(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)。每個電阻的平均功率為0.72W，但是無論電池充電過程還是電池放電過程，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)別就是增加了一個通斷開關(guān)，這個開關(guān)的控制可以由單片機系統(tǒng)軟件來實現(xiàn)，也可以通過簡單的邏輯電路來實現(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，其他時間通斷開關(guān)始終斷開，這樣需要電池組放電時，分流電阻不消耗寶貴的能量。在光照期，太陽電池發(fā)電功率是有富余的，這時均衡電路消耗一定的能量對于電源系統(tǒng)來說具有一定的合理性。在LEO軌道，這種均衡電路的工作時間只占10%左右，所以要達到上面論述的均衡效果，電阻值需減小10倍，可見峰值熱功耗是相當大的，這是這種電路的主要缺點。另外，通斷開關(guān)的實效是致命故障，所以必須采用冗余手段。
? 3 開關(guān)電容均衡充電
圖7 開關(guān)電容均衡充電原理
? 開關(guān)電容均衡充電原理如圖7所示，從圖中可以看出，順序開關(guān)驅(qū)動電路主要由時鐘電路構(gòu)成，它驅(qū)動多路開關(guān)順序閉合，順序把鋰離子電池單體接入傳送電容器，通過傳送單電池之間的不平衡能量，達到均衡充電的目的。同時，通過測量傳送電容器上的電壓來監(jiān)測各個單電池的電壓。若某個單電池發(fā)生短路故障，低電壓比較器輸出開關(guān)禁止信號，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，同時給恒流恒壓變換器送入電池低電壓報警信號，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)點是能源浪費極低，缺點是電路復雜，多路開關(guān)的通態(tài)電阻、高共模限制都會影響均衡充電的實現(xiàn)。另一方面，參數(shù)選取比較困難，針對不同的電源系統(tǒng)配置，電路參數(shù)需詳細的設(shè)計與驗證，這對研制周期是不利的。
? 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，主回路是標準的降壓式調(diào)節(jié)器，在儲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最大缺點。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一步的深入研究。
? 5 平均電池電壓均衡充電
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? 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：單電池電壓與平均單電池電壓相比較，控制功率開關(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。
? 此電路初看起來是開環(huán)控制，實際上由于電池內(nèi)阻的作用，均衡電路工作在具有負反饋特性的閉環(huán)狀態(tài)。為了防止均衡電路在電池組放電時工作，可以在功率開關(guān)下端串聯(lián)穩(wěn)壓二極管，這樣在電池放電時，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軌道鋰離子電池應用的首選方案，已經(jīng)申請了法國和歐洲的專利。
? 結(jié)語
? 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)。通過比較，我們認為，“單電池峰值電壓限制型線性”充電控制方案比較適應小衛(wèi)星的使用，可避開“旁路式”控制巨大熱耗、“分流式”控制巨大脈動充電電流、“分段式”恒壓充電階段充電電流減小不連續(xù)的缺點；平均電池電壓均衡充電電路適應性強，各方面指標均比較理想。
作者：上海電器科學研究所（集團）有限公司