锂离子蓄电池单体电压采样系统及其采样方法与流程

1.本发明属于卫星用锂离子蓄电池在轨管理技术领域，具体涉及一种锂离子蓄电池单体电压采样系统及其采样方法。


背景技术：

2.锂离子蓄电池组具有比能量高、循环寿命长、温度适应范围广等优点，已逐步取代镉镍蓄电池和氢镍蓄电池，被广泛应用于卫星电源领域。锂离子蓄电池组是由多个锂离子蓄电池单体串并联而成，各电池单体之间的电压差异影响电池组的使用寿命。为了延长锂离子蓄电池组的使用寿命，蓄电池在轨管理必须依据各个单体的电压进行均衡控制，减小各个电池单体之间的差异性。
3.蓄电池单体电压采样是均衡控制的基础，其精度直接影响着均衡控制效果。锂离子蓄电池电压采样精度受到多种因素影响，如采样电路拓扑结构、元器件质量等级、电路工作温度等。现有技术主要针对采样电路拓扑结构以及元器件参数进行优化，而忽视了环境温度对蓄电池单体电压采样的影响。如cn104237806a公开了一种锂离子蓄电池组单体电池采样装置、系统及其方法，其主要技术特征在于从拓扑结构上提高蓄电池单体电压采样精度，而未考虑环境温度对蓄电池单体电压采样精度的影响。在轨卫星的蓄电池单体电压采样电路工作温度变化范围较大，可达-25℃～70℃，因此需要减小采样电路工作温度对采样精度的影响，本发明即基于此提出。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种锂离子蓄电池单体电压采样系统及其采样方法，解决了环境温度对蓄电池单体电压采样精度影响大的技术问题。本发明降低了因温度变化而引起的采样误差，提高了采样系统的可靠性和温度适应性。
5.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种锂离子蓄电池单体电压采样方法，包括：
7.温度补偿模型拟合阶段：
8.建立温度补偿模型，所述温度补偿模型为表达蓄电池单体电压采样电路温度、蓄电池单体电压采样值和蓄电池单体电压补偿值之间关系的拟合模型；
9.使蓄电池单体电压采样电路的温度分别为试验温度t0,t1,t2,...,tn；
10.利用蓄电池单体电压采样电路，获取蓄电池单体电压真实值为vz时，各试验温度下蓄电池单体电压采样值v0,v1,v2,
…
,vn；
11.基于vz、t0,t1,t2,
…
,tn和v0,v1,v2,
…
,vn确定温度补偿模型中的拟合系数，完成温度补偿模型的拟合；n为大于2的整数；
12.真实工作阶段：
13.获取蓄电池单体电压采样电路的工作温度t和蓄电池单体电压采样值v；
14.将蓄电池单体电压采样电路的工作温度t和蓄电池单体电压采样值v代入拟合后
的温度补偿模型中，得到蓄电池单体电压采样电路的工作温度t时的蓄电池单体电压补偿值。
15.进一步的，温度补偿模型为vs(t)＝k(t)v+b(t)，其中vs(t)、k(t)、b(t)分别为蓄电池单体电压采样电路工作温度为t时的蓄电池单体电压补偿值、第一拟合系数和第二拟合系数；v为蓄电池单体电压采样电路工作温度为t时的蓄电池单体电压采样值。
16.进一步的，标准试验温度t0为-25℃～70℃内的任一温度点，优选室温。
17.进一步的，蓄电池单体电压真实值为m≥2；其中v1，
…
，vm为不同的蓄电池单体电压真实值；
18.各试验温度下蓄电池单体电压采样值0≤i≤n，其中v
i1
，
…
，v
im
为试验温度ti下，蓄电池单体电压真实值v1，
…
，vm分别对应的蓄电池单体电压采样值。
19.进一步的，基于vz、t0,t1,t2,
…
,tn和v0,v1,v2,
…
,vn确定温度补偿模型中的拟合系数的方法包括：
20.将v0代入温度补偿模型，并使vs(t)等于vz，得到k(t0)和b(t0)；
21.将v1,v2,
…
,vn分别代入温度补偿模型，并使vs(t)等于vz，得到k(t1),k(t2),
…
,k(tn)和b(t1),b(t2),
…
,b(tn)；vz包含≥2个
22.根据k(t0)、t1,t2,
…
,tn和k(t1),k(t2),
…
,k(tn)确定k(t)；
23.根据b(t0)、t1,t2,
…
,tn和b(t1),b(t2),
…
,b(tn)确定b(t)。具体的说，温度补偿模型拟合阶段，首先设定蓄电池单体电压的真实值为≥2个不同的值，在某一试验温度ti下，得到≥2个不同的蓄电池单体电压采样值，以一个蓄电池单体电压采样值和与其对应的一个蓄电池单体电压真实值为一组数据，将多组数据代入温度补偿模型，拟合后得到该试验温度下的第一拟合系数和第二拟合系数。
24.进一步的，根据k(t0)、t1,t2,
…
,tn和k(t1),k(t2),
…
,k(tn)确定的k(t)＝k0+fk(t)，其中，k0＝k(t0)，fk(t)为温度的函数；
25.根据b(t0)、t1,t2,
…
,tn和b(t1),b(t2),
…
,b(tn)确定b(t)＝b0+fb(t)，其中，b0＝b(t0)，fb(t)为温度的函数。
26.进一步的，将t0,t1,t2,
…
,tn按照高低顺序排序后，相邻试验温度之间的差值为3～10℃。
27.一种锂离子蓄电池单体电压采样系统，用于实现上述锂离子蓄电池单体电压采样方法，包括蓄电池单体电压采样电路、温度采样模块和温度补偿模块；
28.蓄电池单体电压采样电路用于获取蓄电池单体电压在工作温度t下的采样值v，并将v输出至温度补偿模块；
29.温度采样模块用于获取蓄电池单体电压采样电路的工作温度t，并将t输出值温度补偿模块；
30.温度补偿模块用于接收由外部输入的拟合后的温度补偿模型、由蓄电池单体电压
采样电路输入的v和由温度采样模块输入的t，并将v和t代入拟合后的温度补偿模型得到蓄电池单体电压采样电路的工作温度t时的蓄电池单体电压补偿值。
31.进一步的，温度采样模块包括温度传感器和温度采样电路；
32.温度传感器安装于蓄电池单体电压采样电路所在印制电路板上，温度采样电路用于采集温度传感器的输出信号。
33.进一步的，所述温度传感器为热敏电阻。
34.本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
35.(1)本发明创造性的提出一种锂离子蓄电池单体电压采样方法，使蓄电池单体电压采样电路的温度量参与温度补偿，降低了因温度变化而引起的采样误差，提高了采样系统的可靠性和温度适应性；
36.(2)本发明建立了温度补偿模型，并给出了模型中系数的辨识方法，通过简单有效的方法大幅提高了采样系统的精确度；
37.(3)本发明温度补偿模型中，充分考虑了采样系统的工作温度范围，使其在工作温度范围内工作时均能保证较高的精确度；
38.(4)本发明采样系统设有温度传感器及温度采样电路，能够采集蓄电池单体电压采样电路的温度，为实现温度补偿提供了基础，对于蓄电池的在轨管理具有深远意义。
附图说明
39.图1为本发明的锂离子蓄电池单体电压采样系统的示意图；
40.图2为本发明实施例中所选用的蓄电池单体采样电路图；
41.图3为本发明实施例中所选用的温度采样电路图；
42.图4为本发明的锂离子蓄电池单体电压采样方法流程图。
具体实施方式
43.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
44.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
45.本发明提供一种锂离子蓄电池单体电压采样系统，采样系统采样精度高，温度适应性强，可靠性高，适用于卫星电源领域锂离子蓄电池单体电压采样。本发明采样系统包括蓄电池单体电压采样电路、温度采样模块和温度补偿模块，其中温度采样模块包括温度传感器和温度采样电路。
46.蓄电池单体电压采样电路与蓄电池单体的正、负极连接，用于采集蓄电池组中某一单体的电压；
47.温度传感器安装于蓄电池单体电压采样电路所在印制电路板上，用于将温度信号转化为电信号；
48.温度采样电路与温度传感器连接，用于采集温度传感器输出信号；
49.温度补偿模块的输入为蓄电池单体电压采样电路的输出值和采集到的蓄电池单
体电压采样电路温度,输出为蓄电池单体电压的补偿值。
50.本发明还提供了一种蓄电池单体电压采样方法，采用上述锂离子蓄电池单体电压采样系统实现，包括以下步骤：
51.a1、建立温度补偿模型：vs(t)＝k(t)v+b(t)，其中v为蓄电池单体电压采样电路的输出电压，本发明也称为蓄电池单体电压采样值，vs(t)为蓄电池单体电压的补偿值，k(t)、b(t)为温度补偿模型的系数，蓄电池单体电压采样电路工作于t0＝20℃时，利用蓄电池单体电压采样电路获取蓄电池单体电压采样值v0，通过线性拟合得到20℃时采样模型系数k0＝k(t0)、b0＝b(t0)；
52.a2、将蓄电池单体电压采样电路工作于不同的温度t1；t2；
…
；tn，上述温度由温度传感器及温度采样电路采集得到，用线性拟合分别拟合出不同温度下采样数学模型的系数k1,b1；k2,b2；
…
；kn,bn；
53.a3、根据a2中的{t1；t2；
…
；tn}和{k1；k2；
…
；kn}建立k系数与温度的关系式k(t)＝k0+fk(t),其中k0为20℃时的k系数，fk(t)为温度的函数，k(t)为温度t条件下的k系数；
54.a4、根据a2中的{t1；t2；
…
；tn}和{b1；b2；
…
；bn}建立b系数与温度的关系式b(t)＝b0+fb(t),其中b0为20℃时的b系数，fb(t)为温度的函数，b(t)为温度t条件下的b系数；
55.a5、在k(t)和b(t)确定的情况下，温度补偿模型vs(t)＝k(t)v+b(t)确定，其中vs(t)为蓄电池单体电压的补偿值，k(t)为温度t条件下的k系数，b(t)为温度t条件下的b系数，v为蓄电池单体电压采样电路的输出电压；
56.a6、用软件实现a5中的温度补偿模型，根据蓄电池单体电压的采样值和采样电路的工作温度即可由温度补偿模型输出蓄电池单体电压的补偿值。
57.实施例：
58.以下将结合图1～图4对本发明锂离子蓄电池单体电压采样系统及其采样方法作进一步的详细描述。
59.参见图1，本实施例的锂离子蓄电池单体电压采样系统包括蓄电池单体电压采样电路、温度采样模块和温度补偿模块，其中温度采样模块包括温度传感器和温度采样电路；
60.蓄电池单体电压采样电路采用图2所示的电路结构，蓄电池单体正极经两个串联电阻r2、r4连接至蓄电池组负极，电阻r2、r4连接点经电阻r6连接至ad620的3脚，蓄电池单体负极经两个串联电阻r1、r3连接至蓄电池组负极，电阻r1、r3连接点经电阻r5连接至ad620的2脚，ad620的4脚经电阻r7连接至-12v遥测电源，ad620的5脚连接至遥测地，ad620的6脚经电阻r10连接至遥测地，ad620的7脚经电阻r9连接至+12v遥测电源，ad620的7脚经两个串联电容c3、c4连接至+遥测地，ad620的1脚与8脚通过电阻r8连接，-12v遥测电源经两个串联电容c1、c2连接至遥测地，二极管d1的阴极经电阻r11连接至ad620的6脚，二极管d1的阳极连接至遥测地，二极管d1阴极与阳极之间并联电容c5，二极管d1阴极电压即为蓄电池单体电压采样电路的输出值；
61.温度传感器安装于蓄电池单体电压采样电路所在印制电路板上，用于将温度信号转化为电信号，本实施例中温度传感器选用热敏电阻；
62.温度采样电路与温度传感器连接，用于采集温度传感器输出信号，通过温度传感器及温度采样电路采集蓄电池单体电压采样单路的工作温度，本实施例中温度采样电路选用图3所示结构，参考电压vref经电阻r3、r9及热敏电阻rtemp分压后，送入电压跟随电路，
电压跟随电路的输出值送入比例放大电路最后输出温度量对应的电压值；
63.温度补偿模块的输入为蓄电池单体电压采样电路的输出值和采集到的蓄电池单体电压采样电路的温度,输出为蓄电池单体电压的补偿值，温度补偿模块由软件实现，根据蓄电池单体电压采样电路输出和温度采样电路输出，利用温度补偿模型计算出精确的蓄电池单体电压补偿值。
64.本实施例的锂离子蓄电池单体电压采样方法，如图4所示，采用上述锂离子蓄电池单体电压采样系统，包括以下步骤：
65.a1、建立温度补偿模型：vs(t)＝k(t)v+b(t)，其中v为蓄电池单体电压采样电路的输出电压，本发明也称为蓄电池单体电压采样值，vs(t)为蓄电池单体电压的补偿值，k(t)、b(t)为温度补偿模型的系数，蓄电池单体电压采样电路工作于t0＝20℃时，利用蓄电池单体电压采样电路获取蓄电池单体电压采样值v0，通过线性拟合得到20℃时采样模型系数k0＝k(t0)、b0＝b(t0)；
66.步骤a1中的系数k0、b0经实际电路测试、拟合得到k0＝1.0024，b0＝0.0036。
67.a2、将蓄电池单体电压采样电路工作于不同的温度t1；t2；
…
；tn，上述温度由温度传感器及温度采样电路采集得到，用线性拟合分别拟合出不同温度下采样数学模型的系数k1,b1；k2,b2；
…
；kn,bn；
68.步骤a2中的不同试验温度取t1＝-25℃；t2＝-20℃；t3＝-15℃；t4＝-10℃；t5＝-5℃；t6＝0℃；t7＝5℃；t8＝10℃；t9＝15℃；t
10
＝25℃；t
11
＝30℃；t
12
＝35℃；t
13
＝40℃；t
14
＝45℃；t
15
＝50℃；t
16
＝55℃；t
17
＝60℃；t
18
＝65℃；t
19
＝70℃，拟合得到k系数如下：k1＝1.0022；k2＝1.0022；k3＝1.0022；k4＝1.0022；k5＝1.0023；k6＝1.0023；k7＝1.0023；k8＝1.0023；k9＝1.0023；k
10
＝1.0024；k
11
＝1.0024；k
12
＝1.0024；k
13
＝1.0024；k
14
＝1.0025；k
15
＝1.0025；k
16
＝1.0025；k
17
＝1.0025；k
18
＝1.0026；k
19
＝1.0026，拟合得到b系数如下：b1＝0.0190；b2＝0.0172；b3＝0.0155；b4＝0.0138；b5＝0.0121；b6＝0.0104；b7＝0.0087；b8＝0.0070；b9＝0.0053；b
10
＝0.0019；b
11
＝0.0002；b
12
＝-0.0014；b
13
＝-0.0031；b
14
＝-0.0048；b
15
＝-0.0065；b
16
＝-0.0082；b
17
＝-0.0099；b
18
＝-0.0116；b
19
＝-0.0133。
69.a3、根据a2中的{t1；t2；
…
；tn}和{k1；k2；
…
；kn}建立k系数与温度的关系式k(t)＝k0+fk(t),其中k0为20℃时的k系数，fk(t)为温度的函数，k(t)为温度t条件下的k系数；
70.所述步骤a3中k系数与温度的关系式如下：
71.k(t)＝1.0024+0.000004t-0.000121
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
72.a4、根据a2中的{t1；t2；
…
；tn}和{b1；b2；
…
；bn}建立b系数与温度的关系式b(t)＝b0+fb(t),其中b0为20℃时的b系数，fb(t)为温度的函数，b(t)为温度t条件下的b系数；
73.所述步骤a4中b系数与温度的关系式如下：
74.b(t)＝0.0036-0.000339t+0.006819
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
75.a5、在k(t)和b(t)确定的情况下，温度补偿模型vs(t)＝k(t)v+b(t)确定，其中vs(t)为蓄电池单体电压的采样补偿值，k(t)为温度t条件下的k系数，即第一拟合系数，b(t)为温度t条件下的b系数，即第二拟合系数，v为蓄电池单体电压采样电路采样值(即采样电路的输出值)。
76.步骤a5中拟合后的温度补偿模型如下：
[0077]vs
＝[1.0024+0.000004t-0.000121]vo+[0.0036-0.000339t+0.006819]
ꢀꢀꢀ
(3)
[0078]
a6、用软件实现a5中的温度补偿模型，根据蓄电池单体电压采样电路的输出v及温度采集电路的输出值t即可由温度补偿模型式(3)输出精确的蓄电池单体电压补偿值。
[0079]
上述k(t)和b(t)与蓄电池单体电压采样电路的具体元器件设置有关。
[0080]
该采样系统温度适应性好，可在较大的温度范围保证蓄电池单体电压的采样精度，克服了卫星用锂离子蓄电池单体电压采样精度受温度影响较大的问题。
[0081]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
[0082]
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。