专利名称：一种氢镍蓄电池钝化处理控制单元电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制氢镍蓄电池钝化操作的控制单元电路。
背景技术：
蓄电池爆炸是造成卫星在轨解体并产生空间碎片的主要原因。对过去所发生的航天活动在轨解体事件产生原因分析表明，由于蓄电池的爆炸造成的空间碎片量约占可跟踪空间物体的2. 25%。目前，国内外对蓄电池在卫星离轨后处于非正常工作条件下的爆炸可能性及防爆技术研究甚少，多数通过蓄电池单体及电池组的自身设计来提高其在正常使用工况下的可靠性和安全性。对蓄电池进行钝化处理已经成为一种提高蓄电池使用安全性的重要手段。对于钝化处理，由于卫星所处轨道不同，蓄电池的工作状态也不同，需要采取不同的技术手段。未来航天器储能电源发展趋势趋向于IPV氢镍蓄电池。对于氢镍蓄电池组，钝化实施有两种形式，其一为单体钝化，即用一定阻值的电阻连接到每只单体上进行放电；其二为电池组钝化，即用一个大电阻连接到整个电池组上。由于单体电池之间的差异，采用第二种方法时，容易导致个别电池过放电，出现反极，需要对单体电池电压进行巡检。然而，由于氢镍蓄电池单体电压在I. 25V左右，在卫星应用中为满足蓄电池组电压需求常采用多节电池串联，电池节数比较多，若采用单体钝化方式，考虑可靠性设计，将采用大量的继电器，这将使得钝化电路比较庞大、复杂，重量过重，因而氢镍蓄电池组钝化采用能够对电池组放电的钝化装置。目前国内GEO轨道和LEO轨道卫星均无蓄电池组钝化措施。文献“在轨处理器的研究”(中国宇航学会空间能源学术年会，2002，杜文中)提出了一种在轨处理器，该处理器是针对GEO卫星使用的镉镍蓄电池的在轨活化装置，用于在蓄电池组性能衰减时，进行放电活化处理。但该装置在使用上有以下局限性1、仅适用于GEO轨道的电池在轨活化处理，用途是在提高电池性能而不是任务后消能处理，不能用于任务末期的钝化；2、适用于镉镍蓄电池组，不适用于氢镍蓄电池组；3、电路采用单体活化方式，设备庞大复杂；4、采用单继电器方式，无冗余设计，可靠性较差。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种可靠性高、体积小、重量轻的氢镍蓄电池钝化处理控制单元电路。本发明的技术解决方案是一种氢镍蓄电池钝化处理控制单元电路，包括钝化主电路、电压检测电路、比较和驱动电路，其中，钝化主电路对蓄电池的钝化开关进行控制，包括串联的两个磁保持继电器和一个消能电阻，两个磁保持继电器的两组触点串联，钝化主电路串接在蓄电池组的正极和负极之间；当需要进行蓄电池钝化处理时，同时向两个磁保持继电器的同侧的第一组线包通入电流或者发送开遥控指令，使得两个磁保持继电器同时处于开通状态，通过消能电阻对蓄电池组进行放电；当需要停止蓄电池钝化处理时，同时向两个磁保持继电器的同侧的第二组线包通入电流或者发送关遥控指令，使得两个磁保持继电器同时处于关断状态，断开消能电阻与蓄电池组的连接；电压检测电路包括与蓄电池组中的单体个数相同的检测通道，每一个检测通道包括一个运算放大器和四个匹配电阻，蓄电池单体的正极经第一匹配电阻后同时接至运算放大器的同向输入端以及第二匹配电阻的一端，第二匹配电阻的另一端接地；蓄电池单体的负极经第三匹配电阻后同时接至运算放大器的反向输入端以及第四匹配电阻的一端，第四匹配电阻的另一端接运算放大器的输出端，运算放大器的输出送至比较和驱动电路； 比较和驱动电路包括与检测通道一一对应的比较通道以及一个控制三极管和一个电容，每一个比较通道均由一个运算放大器构成，各比较通道的运算放大器的同向输入端均接至预设的截止电压，各比较通道的运算放大器的反向输入端分别接与其对应的检测通道运算放大器的输出，各比较通道的运算放大器的输出端经过逻辑或的比较后经过电容接至控制三极管的基极，控制三极管的发射极接地，控制三极管的集电极接至钝化主电路中两个磁保持继电器的同侧的第二组线包。还包括接在控制三极管的集电极与钝化主电路中两个磁保持继电器的同侧的第二组线包之间的保护电路，所述的保护电路包括第三磁保持继电器和一个驱动三极管，第三磁保持继电器的一组线包接控制三极管的集电极或者禁止遥控指令，第三磁保持继电器的另一组线包接允许遥控指令；当控制三极管的集电极为低电平或者接收到禁止遥控指令时，第三磁保持继电器的开关处于第一接触位置为电压检测电路提供截止电压，当控制三极管的集电极为高电平或者接收到允许遥控指令时，第三磁保持继电器的开关处于第二接触位置，使得控制三极管的集电极或者允许遥控指令接至驱动三极管的基极，驱动三极管的发射极接地，驱动三极管的集电极接至钝化主电路中两个磁保持继电器的同侧的第二组线包。本发明与现有技术相比的优点在于本发明这种可用于氢镍蓄电池组在轨钝化处理的电路，实现了任务末期氢镍蓄电池组钝化消能处理；钝化开关采用了双继电器串联的方式，防止在轨正常工作时发生误动作；设置了钝化使能开关，在钝化使能的前提下，才能够通过遥控指令接通钝化开关；采用单体电压检测，整组钝化处理的方法，减小了电路的体
积与重量。
图I为本发明氢镍蓄电池钝化处理控制单元电路的原理图。
具体实施例方式氢镍蓄电池钝化处理控制单元电路的主要功能是对氢镍蓄电池组进行整组钝化。如图I所示，为本发明氢镍蓄电池钝化处理控制单元电路的原理图，主要包括钝化主电路、电压检测电路、比较和驱动电路。钝化主电路用于对蓄电池的钝化进行控制，设计为两个独立开关串联使用，可以避免蓄电池钝化开关无法断开的故障造成蓄电池组常放电，以保证可靠性。钝化主电路中钝化开关的接通或断开以及禁止钝化状态的设置都可以通过地面遥控指令执行。钝化指令由地面直接遥控指令发出。在禁止钝化状态下，钝化指令无法执行蓄电池钝化功能。但在蓄电池组进行钝化时，禁止钝化指令能够中断钝化功能。正常情况下蓄电池组处于禁止钝化状态。当蓄电池组需进行钝化时，需先发禁止钝化解禁指令使蓄电池处于禁止钝化解禁状态下，再接通蓄电池钝化开关。电压检测电路对蓄电池组电压进行采样，通过在比较和驱动电路中与钝化截止电压进行比较，当蓄电池组电压低于钝化截止电压时，比较和驱动电路驱动钝化主电路中的钝化开关自动断开，钝化完成。另外，为确保供电安全，防止正常运行期间蓄电池组因误动作而被钝化，本发明控制单元电路还设置了保护电路。当该保护电路设置为禁止状态时，即使发送钝化开指令，也无法接通钝化开关。只有保护电路设置为允许状态，才能够实现钝化电路正常通断控制。如图I所示，钝化主电路中，J4和J5两个开关均采用磁保持继电器，两个开关串联。以J4所示磁保持继电器为例，I脚和2脚是一组线包，9脚和10脚则是另外一组线包。 3，4，5脚(靠上一组)和6，7，8脚(靠下一组)是两组不同的触点开关。为防止触点误动作，采用两组触点串联。其中3脚和6脚是公共触点，磁保持继电器正常工作时，3脚触点只能和4脚触点与5脚触点中的一个相连。不妨设继电器J4接收到遥控指令，则有指令电源作用于线包I脚和2脚(28V，80ms电压脉冲)，假定有脉冲电流由I脚进入从2脚流出时，3脚触点和4脚触点相连；则当有脉冲电流由9脚进入从10脚流出时，3脚触点将和5脚触点相连，若此时由9脚到10脚的电流减为零，但只要I脚和2脚之间无电流通过，继电器的3触点始终和5触点接触，这就是磁保持继电器的特点。6，7，8脚触点工作状况亦是如此。在钝化正常工作时，发送钝化开遥控指令，6脚和8脚触点相连。当检测电路的电压与截止电压相比较小时，比较和驱动电路输出脉冲电压(或者发送钝化关指令)，I脚和2脚间有电流通过，磁保持继电器的6脚和7脚相连，钝化主电路断开，钝化完成。DlO D17为继电器线包消反电动势二极管，R32、R33为钝化消能电阻，BAT1、BAT2、BAT3为串联的3节氢镍蓄电池单体。此处以3节为例，当然根据实际情况增加蓄电池单体的数量。电压检测电路中所用芯片为LM158，封装形式为DIP-8，单片集成2路运算放大电路(以下简称“运放”)。4脚和8脚分别为供电的地端和正端，3脚为正输入端，2脚为负输入端，I脚为输出端。理想的集成运放正常工作时，2脚和3脚电压相等，称之为“虚短”；灌入芯片内部的电流为零，称之为“虚断”。以U5A为例，若四个电阻R5、R6、R7、R8 阻值相等，根据“虚断”则 3 脚电压为 V3 = ((BAT3+) - (BAT-)) X R7/ (R7+R8) + (BAT-)=((BAT3+) + (BAT-)) /2，根据“虚短” 2 脚电压也为 V2 = ((BAT3+) + (BAT-)) /2，再根据“虚断”，I 脚电压即为 Vl = (V2-(BAT-))/R6X (R6+R5) = (BAT3+)-(BAT-)进而实现了电压检测的功能。同理，对于U5B，3脚电压V3 = ((BAT2+) - (BAT3+)) X R12/(R11+R12) + (BAT3+) = ((BAT2+) + (BAT3+))/2，2 脚电压也为 V2 = ((BAT2+) + (BAT3+))/2，I 脚电压即为 Vl= (V2-(BAT3+))/R9X (R9+R10) = (BAT2+) -(BAT3+);对于 U6A，3 脚电压V3 = ((BAT1+) - (BAT2+)) X R16/ (R16+R15) + (BAT2+) = ((BAT1+) + (BAT2+))/2，2 脚电压也为 V2= ((BATl+) + (BAT2+))/2，l 脚电压即为 Vl = (V2-(BAT2+))/R13 X (R13+R14)=(BATl+)-(BAT2+)。此外后端连接的电阻及对地电容R19、Cl，R18、C2，R17、C3实现了低通滤波的效果，为后续电路用到此信号时，提高了抗干扰性。比较和驱动电路中采用LM193比较器，封装形式为DIP-8，单片集成2路比较电路，4脚和8脚分别为供电的地端和正端，正输入端3脚，负输入端2脚，输出端I脚。采用整组钝化，单体检测的方式，三路比较器分别对应3路单体电池，采样电压作为比较器输入。三路比较器输出端直接并联，相或后输出，即任一单体电压低于设定的截止电压，则断开钝化开关，钝化结束。如果3脚电压比2脚电压大，则比较器输出高阻态，进而可通过上拉电流实现高电平输出；同时，假如2脚电压比3脚电压高，I脚输出类似于与4脚相连，从而保持输出为低电平。若禁止钝化解禁指令接通时，3脚接截止电压，可通过电阻R3及电阻R4分压形式产生截止电压，2脚接蓄电池单体检测电压。开始工作时，2脚电压高于截止电压，LM193的I脚输出为低电平，与之连接的三极管Q3的基极无驱动电流，故三极管Q3处于截止状态，造成三极管Q4也处于截止状态，磁保持继电器J3不工作，钝化持续进行。当进行一定程度后，蓄电池单体电压低于截止电压，造成LM193输出端I角为高电平，给电容C4、C5、C6充电，进而电容C4与电阻R24相连处电位升高，接着三极管Q3的基极瞬间有电流ib通过，Q3的发射极电流通过放大P 为三极管的放大参数，一般为50，甚至几百)倍为^ ib，亦即Q4的基极的驱动电流足够大，促使三极管Q4工作在放大饱和区，三极管Q4的发射极和集电极直通，磁保持继电器J3线包的两端有电流通过促使继电器J3工作，钝化执行完毕。电阻R20、R21、R22为上拉电阻，二极管D7 D9用于隔离，电容C5、C6与电阻R25用于驱动三极管Q3，电阻R23、R24、R26为接地电阻，C4为滤波电容。
保护电路防止钝化处理发生误动作。当发送氢镍钝化允许指令时，继电器J3触点处于图示所示的位置。12V电压通过电阻R3、R4分压为比较器提供截止电压基准，三极管Q5、Q6基极驱动悬空，此时继电器J4、J5可正常接受遥控指令执行钝化任务；当发送氢镍钝化禁止指令，或者蓄电池单体电压小于截至电压时，继电器J3的9、10点的电，触电3与5连接，6与8连接，此时12V电源作用于三极管Q5的基极，驱动三极管Q5、Q6导通，使得继电器J4、J5的线包断电，断开钝化开关。Dl D4为继电器J3消反电动势二极管，Rl、R2为继电器J3线包限流电阻，R27、R28、R29、R31、C7、C8为三极管Q5基极驱动外围电路。本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
权利要求
1.一种氢镍蓄电池钝化处理控制单元电路，其特征在于包括钝化主电路、电压检测电路、比较和驱动电路，其中， 钝化主电路对蓄电池的钝化开关进行控制，包括串联的两个磁保持继电器和一个消能电阻，两个磁保持继电器的两组触点串联，钝化主电路串接在蓄电池组的正极和负极之间；当需要进行蓄电池钝化处理时，同时向两个磁保持继电器的同侧的第一组线包通入电流或者发送开遥控指令，使得两个磁保持继电器同时处于开通状态，通过消能电阻对蓄电池组进行放电；当需要停止蓄电池钝化处理时，同时向两个磁保持继电器的同侧的第二组线包通入电流或者发送关遥控指令，使得两个磁保持继电器同时处于关断状态，断开消能电阻与蓄电池组的连接； 电压检测电路包括与蓄电池组中的单体个数相同的检测通道，每一个检测通道包括一个运算放大器和四个匹配电阻，蓄电池单体的正极经第一匹配电阻后同时接至运算放大器的同向输入端以及第二匹配电阻的一端，第二匹配电阻的另一端接地；蓄电池单体的负极经第三匹配电阻后同时接至运算放大器的反向输入端以及第四匹配电阻的一端，第四匹配电阻的另一端接运算放大器的输出端，运算放大器的输出送至比较和驱动电路； 比较和驱动电路包括与检测通道一一对应的比较通道以及一个控制三极管和一个电容，每一个比较通道均由一个运算放大器构成，各比较通道的运算放大器的同向输入端均接至预设的截止电压，各比较通道的运算放大器的反向输入端分别接与其对应的检测通道运算放大器的输出，各比较通道的运算放大器的输出端经过逻辑或的比较后经过电容接至控制三极管的基极，控制三极管的发射极接地，控制三极管的集电极接至钝化主电路中两个磁保持继电器的同侧的第二组线包。
2.根据权利要求I所述的一种氢镍蓄电池钝化处理控制单元电路，其特征在于还包括接在控制三极管的集电极与钝化主电路中两个磁保持继电器的同侧的第二组线包之间的保护电路，所述的保护电路包括第三磁保持继电器和一个驱动三极管，第三磁保持继电器的一组线包接控制三极管的集电极或者禁止遥控指令，第三磁保持继电器的另一组线包接允许遥控指令；当控制三极管的集电极为低电平或者接收到禁止遥控指令时，第三磁保持继电器的开关处于第一接触位置为电压检测电路提供截止电压，当控制三极管的集电极为高电平或者接收到允许遥控指令时，第三磁保持继电器的开关处于第二接触位置，使得控制三极管的集电极或者允许遥控指令接至驱动三极管的基极，驱动三极管的发射极接地，驱动三极管的集电极接至钝化主电路中两个磁保持继电器的同侧的第二组线包。
全文摘要
一种氢镍蓄电池钝化处理控制单元电路，包括钝化主电路、电压检测电路、比较和驱动电路。钝化主电路包括串联的两个磁保持继电器和一个消能电阻，对蓄电池的钝化开关进行控制。电压检测电路对蓄电池组中各电池单体的电压进行检测并将结果送至比较和驱动电路。比较和驱动电路将各电池单体的检测电压分别与钝化截止电压进行比较，当任意一个电池单体的检测电压低于钝化接至电压时，产生驱动信号送至钝化主电路对钝化主电路进行关断控制。本发明控制单元电路采用单体电压检测，整组钝化处理的原理，减小了电路的体积与重量，同时具有很高的可靠性。
文档编号H02J7/00GK102638074SQ201210084389
公开日2012年8月15日 申请日期2012年3月26日 优先权日2012年3月26日
发明者乔明, 曾毅, 李小飞, 陈杰, 陈琦, 高升 申请人:北京空间飞行器总体设计部