专利名称：一种锂离子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锂离子蓄电池钝化操作的控制单元电路。
背景技术：
空间碎片的存在对航天器和航天任务的影响日益严重，特别是加大了载人航天的潜在危害。无论从保护空间环境，维护我国外空权益，还是从提高我国空间飞行器在轨运行 寿命，保障载人航天安全出发，都需要加强对空间碎片的观测、减缓和防护研究。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。锂离子蓄电池具有比能量高、自放电小、无记忆效应等优势，正在越来越多的被应用到航天器上。在对贮能电源电性能、可靠性要求较高的场合如低地球轨道卫星(LE0)、地球同步轨道卫星(GEO)、空间站、星际登陆器以及星际漫游器等宇航设备，锂离子蓄电池组将成为首选对象。对于锂离子蓄电池的钝化处理，不能采用整组钝化，由于单体电池之间的差异，采用整组钝化时，容易导致个别电池过放电，出现反极。而锂离子电池过放会带来安全性影响，是需要严格禁止的。通过文献调研可知，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，国内还未在这方面开展过深入研究。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，不适用于锂离子蓄电池组；3、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的锂离子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锂离子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，包括与蓄电池组中的电池单体个数相同的控制通道，每个控制通道由串联的一个磁保持继电器、一个开关三极管和一个消能电阻组成并串接在对应的一个电池单体的正极和负极之间，当需要进行蓄电池钝化处理时，向各控制通道中磁保持继电器的第一组线包通入电流或者发送锂电钝化开遥控指令，使得各磁保持继电器均处于开通状态，同时发送锂电钝化允许指令使得各控制通道中的开关三极管导通，通过消能电阻对各电池单体进行放电；当在钝化过程中需要停止蓄电池钝化处理时，向磁保持继电器的第二组线包通入电流或者发送锂电钝化关遥控指令，使得磁保持继电器处于关断状态，断开消能电阻与蓄电池单体的连接；
电压检测电路包括与蓄电池组中的电池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，对于每一个检测通道，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，每一个比较通道均包括一个运算放大器，对于每一个比较通道，运算放大器的反向输入端接至预设的钝化截止电压，运算放大器的正向输入端接与其对应的检测通道中运算放大器的输出，运算放大器的输出端经过驱动放大后接至钝化主电路中对应控制通道的开关三极管的基极，控制该控制通道中开关三极管的导通或者截止。还包括接在比较和驱动电路中各比较通道的运算放大器的反向输入端与钝化主电路中磁保持继电器的第二组线包之间的保护电路，所述的保护电路包括一个保护磁保持继电器和一个驱动三极管，保护磁保持继电器的一组线包接锂电钝化禁止遥控指令，保护磁保持继电器的另一组线包接锂电钝化允许遥控指令；当接收到锂电钝化禁止遥控指令时，保护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钝化截止电压，当接收到锂电钝化允许遥控指令时，保护磁保持继电器的开关处于第二接触位置，使得锂电钝化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各控制通道磁保持继电器的第二组线包。本发明与现有技术相比的优点在于本发明这种可用于锂离子蓄电池组在轨钝化处理的电路，实现了任务末期锂离子蓄电池组钝化消能处理；钝化开关采用了继电器和三极管串联的方式，控制方式灵活。控制单元电路中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继电器和三极管，防止在轨正常工作时发生误动作；采用单体电池钝化处理的方法，设置截至电压，可以有效防止单体钝化过程中出现反极，从而大大提高了电路的可靠性。
图I为本发明锂离子蓄电池钝化处理控制单元电路的原理图。
具体实施例方式锂离子蓄电池钝化处理控制单元电路的主要功能是对锂离子蓄电池组进行单体钝化。如图I所示，为本发明锂离子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，每个锂离子蓄电池单体钝化通路设计了继电器和三极管串联的二级开关，可以避免蓄电池钝化开关误动作造成蓄电池组常放电，从而保证可靠性。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单体的电压进行采样，通过在比较和驱动电路中与钝化截止电压进行比较，当蓄电池单体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三极管开 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、J9和JlO开关均采用磁保持继电器，Q15、Q16、Q17为三极管，由蓄电池单体、磁保持继电器、三极管和效能电阻组成通路。初始状态时，磁保持继电器和三极管均断开。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脚和6，7，8脚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。不妨设磁保持继电器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)，当有脉冲电流由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。当需要进行蓄电池钝化处理时，向各控制通道中磁保持继电器的第一组线包通入电流或者发送锂电钝化开遥控指令，6脚和8脚触点相连，使得各磁保持继电器均处于开通状态，同时，发送锂电钝化允许指令，比较和驱动电路输出高电平驱动各对应开关三极管导通，通过消能电阻对各电池单体进行放电。当单体电压小于截止电压时，比较和驱动电路输出低电平，三极管断开，自动完成钝化。当在钝化过程中需要停止蓄电池钝化处理时，向磁保持继电器的第二组线包通入电流或者发送锂电钝化关遥控指令，使得磁保持继电器处于关断状态，断开消能电阻与蓄电池单体的连接。假设当锂离子蓄电池单体I检测电路的电压与钝化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)，比较和驱动电路输出低电平，三极管Q15断开，即钝化主电路断开，钝化完成。D31 D42为继电器线包消反电动势二极管，R73 R81为钝化消能电阻，BAT1、BAT2、BAT3为串联的3节锂离子蓄电池单体。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”)。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+))/2,1 脚电压即为 Vl = (V2- (BAT3+)) /R9 X (R9+R10)=(BAT2+) - (BAT3+);对于 U6A, 3 脚电压 V3 = ((BATI+) - (BAT2+)) X R16/ (R16+R15) + (BAT2+)=((ΒΑΤ1+) + (ΒΑΤ2+))/2，2 脚电压也为 V2 = ((BAT1+) + (BAT2+))/2，I 脚电压即为 Vl =(V2-(BAT2+))/R13X (R13+R14) = (BAT1+)-(BAT2+)。此外后端连接的电阻及对地电容R19、C1，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，正输入端3脚，负输入端2脚，输出端I脚。采用单体检测的方式，三路比较器分别对应3路单体电池，三路比较器的输出分别对应三极管Q15、Q16、Q17的驱动电路。三路比较器各 自比较三个锂离子蓄电池单体电压与钝化截至电压，当某一锂离子蓄电池单体电压低于设定的钝化截止电压时，比较器输出低电平，断开钝化主电路中对应的三极管，该路锂离子蓄电池单体钝化结束。如果3脚电压比2脚电压大(即某一锂离子蓄电池单体电压高于设定的钝化截止电压时)，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，驱动钝化主电路中对应的三极管导通。若禁止钝化解禁指令接通时，2脚接钝化截止电压，可通过电阻R3及电阻R4分压形式产生钝化截止电压，3脚接锂离子蓄电池单体检测电压。开始工作时，3脚电压高于2脚电压，LM193的I脚输出为高电平，接着三极管Q15、Q16、Q17的基极瞬间有电流ib通过，发射极电流通过放大β (β为三极管的放大参数，一般为50，甚至几百)倍为β ib，促使三极管Q15、Q16、Q17工作在放大饱和区，三极管发射极和集电极直通,蓄电池单体通过电阻放电钝化。电阻R20、R21、R22为上拉电阻。其中三极管驱动电路可选用成熟电路产品。保护电路防止钝化处理发生误动作。当发送锂电钝化允许指令时，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；当发送锂电钝化禁止指令时，继电器J3的9脚和10脚之间通过电流，3脚与5脚连接，6脚与8脚连接，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、J9、J10的9、10脚线包得电，断开钝化开关。图中D1、D2、D5、D6为继电器J3消反电动势二极管，R1、R2为继电器J3线包限流电阻。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
1.一种锂离子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，包括与蓄电池组中的电池单体个数相同的控制通道，每个控制通道由串联的一个磁保持继电器、一个开关三极管和一个消能电阻组成并串接在对应的一个电池单体的正极和负极之间，当需要进行蓄电池钝化处理时，向各控制通道中磁保持继电器的第一组线包通入电流或者发送锂电钝化开遥控指令，使得各磁保持继电器均处于开通状态，同时发送锂电钝化允许指令使得各控制通道中的开关三极管导通，通过消能电阻对各电池单体进行放电；当在钝化过程中需要停止蓄电池钝化处理时，向磁保持继电器的第二组线包通入电流或者发送锂电钝化关遥控指令，使得磁保持继电器处于关断状态，断开消能电阻与蓄电池单体的连接； 电压检测电路包括与蓄电池组中的电池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，对于每一个检测通道，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，每一个比较通道均包括一个运算放大器，对于每一个比较通道，运算放大器的反向输入端接至预设的钝化截止电压，运算放大器的正向输入端接与其对应的检测通道中运算放大器的输出，运算放大器的输出端经过驱动放大后接至钝化主电路中对应控制通道的开关三极管的基极，控制该控制通道中开关三极管的导通或者截止。
2.根据权利要求I所述的一种锂离子蓄电池钝化处理控制单元电路，其特征在于还包括接在比较和驱动电路中各比较通道的运算放大器的反向输入端与钝化主电路中磁保持继电器的第二组线包之间的保护电路，所述的保护电路包括一个保护磁保持继电器和一个驱动三极管，保护磁保持继电器的一组线包接锂电钝化禁止遥控指令，保护磁保持继电器的另一组线包接锂电钝化允许遥控指令；当接收到锂电钝化禁止遥控指令时，保护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钝化截止电压，当接收到锂电钝化允许遥控指令时，保护磁保持继电器的开关处于第二接触位置，使得锂电钝化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各控制通道磁保持继电器的第二组线包。
全文摘要
一种锂离子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。钝化主电路包括与蓄电池组中的单体个数相同的控制通道，每个控制通道由串联的一个磁保持继电器、一个开关三极管和一个消能电阻组成，对蓄电池单体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，当任意一个蓄电池单体的检测电压低于钝化截止电压时，产生驱动信号送至对应控制通道的开关三极管进行关断控制。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G05B19/04GK102637911SQ20121008432
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