一种应用于立方星锂电池组的均衡电路的制作方法

1.本发明属于立方星技术领域，具体涉及一种应用于立方星锂电池组的均衡电路。


背景技术：

2.太阳能电池阵
‑
蓄电池组的电源系统是目前应用最为广泛的航天器电源系统，太阳能电池阵
‑
蓄电池组的电源系统主要是由太阳能电池阵、蓄电池组和电源控制装置组成。目前，多数立方星采用锂电池作为其蓄电池的组成单元。
3.锂电池组作为立方星重要的组成部件，其主要功能是为立方星在地面和在轨期间，存储电能，并在无外部供电时，维持立方星的电能供给。锂离子电池由于单体不一致性，随着锂电组充放电次数增加，会出现电池组容量降低，寿命缩短的现象。
4.为解决这个问题，需要对锂电池组中电池进行均衡，从而使得锂电池组中各单体电池保持一致性。现有卫星多数采用被动均衡的方式，部分卫星采用主动均衡的方式。
5.被动均衡通过在每个单体锂电池上并联一个电阻和一个可控开关进行电池的均衡，在均衡过程中，能量高的电池中在电阻上消耗多余能量；被动均衡电路结构和控制都比较简单，但是，均衡过程损失宝贵的电能，而且电阻上产生了大量的热，导致卫星的热控管理更加困难。
6.主动均衡一般利用电容或电感等储能元件，使用多个开关将能量从能量高的单体电池转移给能量低的单体电池，从而实现电池单体的能量转移；主动均衡能量转移效率高，但是，现有的主动均衡方式所需电感、电容和开关管等器件数量较多，控制策略和电路结构均复杂，可靠性低，且需要开关管以高频率的开通和关断转移电池电能，会引起电磁干扰的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种安全可靠、体积小、控制简单应用于立方星锂电池组的均衡电路。
8.实现本发明目的的技术解决方案为：一种应用于立方星锂电池组的均衡电路，包括电池充电电路、使能电路，一个以上的高侧均衡子模块和一个低侧均衡子模块，高侧均衡子模块数量等于锂电池串联数减1；
9.电池充电电路前端vin和mp_gnd分别接立方星太阳能电池阵正端和负端，前端的ntc 和ntc
‑
接热敏电阻两端，后端输出b 和b
‑
；
10.使能电路的前端enable、d1、c1和c2与立方星电源下位机连接，使能电路的后端使能端分别接多个均衡子模块的使能端en；
11.高侧均衡子模块和低侧均衡子模块前端接b 和b
‑
，高侧均衡子模块和低侧均衡子模块后端d 接锂电池正级，d
‑
接锂电池负级，使能端en接使能电路的后端使能端。
12.进一步的，锂电池组为三串结构，高侧均衡子模块为两个和低侧均衡子模块为一个；使能电路能提供三个使能端，三个使能端分别对应三个均衡子模块。
13.进一步的，每个高侧均衡子模块包括两个高侧可控开关，其中一个高侧可控开关前端in接b ，后端out接d ，另外一个高侧可控开关前端in接b
‑
，后端out接d
‑
，两个高侧可控开关的使能脚en连接在一起作为高侧均衡子模块的使能脚en；
14.低侧均衡子模块包括一个低侧可控开关和一个高侧可控开关，其中高侧可控开关前端in接b ，后端out接d ，低侧可控开关前端in接b
‑
，后端out接d
‑
，低侧可控开关和高侧可控开关的使能脚en连接在一起作为低侧均衡子模块的使能脚en。
15.进一步的，所述电池充电电路包括第一集成芯片u1、第一nmos管q1、第一肖特基二极管d1、第二二极管d2、第一电感l1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第一发光二极管led1、第二发光二极管led2、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第五电容c5、第六电容c6、第七电容c7、第八电容c8、第九电容c9；
16.所述第一集成芯片u1的0号引脚与mp_gnd相连，1号引脚分别与第三电阻r3的输出端和第四电容c4的输入端相连，2号引脚分别与第五电阻r5的输出端和第八电阻r8的输入端相连，3号引脚与第一发光二极管led1的负端相连，4号引脚分别与第六电阻r6的输出端和r9的输入端相连，5号引脚与第二发光二极管led1的负端相连，6号引脚分别与7号引脚、第六电容c6的输入端、第六电阻r6的输入端相连，8号引脚分别与第十一电阻r11的输出端、第十三电阻r13的输入端和第八电阻c8的输出端相连，9号引脚分别与第九电容c9的输出端、第七电容c7的输入端、第八电容c8的输入端、第十一电阻r11的输入端、第七电阻r7的输入端和输出端b 相连，10号引脚分别与与第九电容c9的输入端、第一电感l1的输出端和第七电阻r7的输入端相连，11号引脚分别与第一nmos管q1的3号引脚和mp_gnd相连，12号引脚分别与第二电容c2输入端和第二二极管d2的正端的相连，13号引脚与第一nmos管q1的4号引脚相连，14号引脚分别与第一nmos管q1的1号和6号引脚、第五电容c5的输出端和第一电感l1的输入端相连，15号引脚与第一nmos管q1的2号引脚相连，16号引脚分别与第二二极管d2的负端和第五电容c5的输入端相连；
17.所述太阳能电池阵正极vin分别与第一电阻r1的输入端、第二电阻r2的输入端、第四电阻r4的输入端、第十电阻r10的输入端，第十二电阻r12的输入端、第一二极管d1的正端和ntc 端相连，太阳能电池阵负极与mp_gnd相连，前端ntc
‑
分别与第四电阻r4的输出端和第五电阻r5的输入端相连；第一电阻r1的输出端分别与第二电阻r2的输出端和第一电容c1的输入端相连；所述第一电容c1的输出端、第二电容c2的输出端、第三电容c3的输出端、第四电容c4的输出端、第六电容c6的输出端、第七电容c7的是输出端、第八电阻r8的输出端、第九电阻r9的输出端、第十三电阻r13的输出端均分别与mp_gnd相连；所述mp_gnd与输出端b
‑
相连。
18.进一步的，所述的使能电路包括第二集成芯片u2、第一接插件p1，第十四电阻r14、第十五电阻r15、第十六电阻r16、第十七电阻r17第十电容c10、第十一电容c11、第三发光二极管led3；
19.所述第二集成芯片u2的1号引脚分别与第十六电阻r16的输出端和第一接插件p1的2号引脚连接，2号引脚分别与第十五电阻r15的输入端和第一接插件p1的3号引脚连接，3号引脚与输出使能端en3相连，4号引脚与输出使能端en2相连，5号引脚与输出使能端en1相
连，6号引脚与第十七电阻r17的输入端相连，7号引脚与第一接插件p1的4号引脚相连，8号引脚与gnd相连，14号引脚分别与第十四电阻r14的输入端和第一接插件p1的1号引脚相连，16号引脚分别与第十电容c10的输入端、第十一电容c11的输入端、第十六电阻r16的输入端、第一接插件p1的6号引脚和电源3v3相连；
20.所述地gnd分别与第十五电阻r14的输出端、第十五电阻r15的输出端、第十电容c10的输出端、第十一电容c11的输出端、第三发光二极管led3灯的负端和第一接插件p1的5号引脚相连；所述第十七电阻r17的输出端与第三发光二极管led3的正端相连。
21.进一步的，低侧可控开关包括第二nmos管q2、第三nmos管q3、第十四电阻r14、第十五电阻r15和第十六电阻r16；
22.所述第二nmos管的d极与输入端in相连，第二nmos管的g极分别与第十九电阻r19的输出端和第二十电阻r20的输入端相连，第二nmos管的s极分别与第二十电阻r20的输出端和第三nmos管的s极相连；所述第三nmos管的g极与第十八电阻r18的输出端相连，第三nmos管的d极与输出端out相连；所述第十八电阻r18的输入端分别与第十九电阻r19的输入端和使能端en相连。
23.进一步的，高侧可控开关包括第四pmos管q4、第五pmos管q4、第六nmos管、第七nmos管、第二十一电阻r21、第二十二电阻r22、第二十三电阻r23、第二十四电阻r24、第二十五电阻r25、第二十六电阻r26；
24.所述第四pmos管q4的s极分别与输入端in和第二十一电阻r21的输入端相连，第四pmos管q4的g极分别与第二十一电阻r21的输出端和第六nmos管q6的d极相连，第四pmos管q4的d极与第五pmos管的d极相连；所述第五pmos管q5的g极分别与第二十二电阻r22的输出端和第七nmos管q7的d极相连，第五pmos管q5的s极分别与输出端out和第二十二电阻r22的输入端相连；所述第六nmos管的g极分别与第二十三电阻r23的输出端和第二十五电阻r25的输入端相连，第六nmos管的s极分别与第二十五电阻r25的输出端和gnd相连；所述第七nmos管的g极分别与第二十四电阻r24的输出端和第二十六电阻r26的输入端相连，第七nmos管的s极分别与第二十六电阻r26的输出端和gnd相连。
25.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
26.(1)本发明提供的立方星锂电池组的均衡电路，其均衡方法为：在卫星运行到光照区后，判断锂电池组中各个电池电压差值是否大于设定阈值；若大于设定阈值，则找到电池组中电压最低的单体锂电池，并通过使能电路控制电压最低的单体锂电池所连接均衡子电路处于导通状态；此时，太阳能电池阵产生的电能将通过电池充电电路补充给所述单体电池，延时一段时间后，再重复上述过程，直到电池组中的单体电池间差值小于设定阈值；从而实现了对锂电池组的均衡。本发明采用的均衡方法，相比于现有的卫星的被动均衡方法，能量损耗小，发热小；相比于其他主动均衡方法，使用电容、电感或开关管数量少，电路结构和控制简单，开关管开关频率低，开关损耗小。
27.(2)本发明采用的电池充电电路选取了具有输入电压调节实现最大功率点跟踪(mppt)功能的充电控制芯片；它提供了输入电压调节功能，在输入电压低于编程电压时可降低充电电流；当输入端使用太阳能电池板供电时，输入调节环路会降低充电电流，使太阳能电池阵提供最大的功率输出。太阳能电池阵的最大功率点电压随温度变化而变化，因此，所述电池充电电路在输入环路上增加了热敏电阻，根据热敏电阻的阻值随温度变化的原
理，使得编程电压可以跟随太阳能电池阵的最大功率点电压变化。本发明所采用的电池充电电路在光照强度和温度变化情况下，均可以使得太阳能电池阵提供最大的功率输出，提高了太阳光的利用效率，增大了电池均衡时的电流，进而缩短均衡时长。
28.(3)本发明均衡子电路采用mos管作为可控开关，所用mos管的导通电阻rdson都在26mohms以下，比使用继电器或场效应晶体管作为可控开关时，能量传输损耗更小。
29.(4)本发明采用模拟开关器件为主器件的使能电路，在不需对电池均衡时，使能电路的各个输出使能端均为高阻态；需要均衡时，电源下位机控制四个输入端处于规定电平状态下，来使得需要某个使能端的电压为高，同时保持其他使能端为高阻态；且无论四个输入端状态如何，都最多有一个使能输出端为高电平，避免了操作失误，使得多个使能端使同时使能，进而导致某单体电池短路的问题。因此本使能电路保证了输出使能信号的可靠性和互斥性，进而保证了均衡电路的可靠性。
附图说明
30.图1是本发明应用于立方星锂电池组的均衡电路框架原理图。
31.图2是本发明高侧均衡子模块的原理图。
32.图3是本发明低侧均衡子模块的原理图。
33.图4是本发明电池充电电路图。
34.图5是本发明使能电路图。
35.图6是本发明低侧可控开关电路图。
36.图7是本发明高侧可控开关电路图。
具体实施方式
37.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
38.结合图1，一种应用于立方星锂电池组的均衡电路，包括电池充电电路、使能电路和均衡子模块。所述电池充电控制电路前端vin和mp_gnd分别接立方星太阳能电池阵正端和负端，前端的ntc 和ntc
‑
接热敏电阻两端，后端输出b 和b
‑
。所述使能电路的前端enable、d1、c1和c2与立方星电源下位机连接，所述使能电路的后端使能端en1、en2和en3分别接三个均衡子模块的使能端en。所述均衡子模块分为高侧均衡子模块和低侧均衡子模块，所述高侧均衡子模块和低侧均衡子模块前端接b 和b
‑
，所述高侧均衡子模块和低侧均衡子模块后端d 接锂电池正级，d
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接锂电池负级，使能端en接所述使能电路的后端使能端。
39.结合图2，所述高侧均衡子模块包括两个高侧可控开关，其中一个高侧可控开关前端in接b ，后端out接d ，另外一个高侧可控开关前端in接b
‑
，后端out接d
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，这两个高侧可控开关的使能脚en连接在一起作为高侧均衡子模块的使能脚en。
40.进一步地，所述均衡子电路，包含一个以上的高侧均衡子模块和一个低侧均衡子模块，高侧均衡子模块数量等于锂电池串联数减1；本发明实施例中，锂电池组为三串结构，因此有两个高侧均衡子模块和一个低侧均衡子模块。
41.进一步地，所述使能电路能提供三个使能端，可根据需求增加使能电路数量；本发明实施例中，一个使能电路的三个使能端分别对应三个均衡子模块。
42.结合图3，所述低侧均衡子模块包括一个低侧可控开关和一个高侧可控开关，其中
高侧可控开关前端in接b ，后端out接d ，低侧可控开关前端in接b
‑
，后端out接d
‑
，低侧可控开关和高侧可控开关的使能脚en连接在一起作为低侧均衡子模块的使能脚en。
43.优选地，结合图4，所述电池充电电路，包括第一集成芯片u1(bq24650rvar)、第一nmos管q1(si7288dp)、第一肖特基二极管d1(b340lb)、第二二极管d2(zlls350ta)、第一电感l1(10uh)、第一电阻r1(3.9r)、第二电阻r2(3.9r)、第三电阻r3(10r)、第四电阻r4(475k)、第五电阻r5(100k)、第六电阻r6(5.23k)、第七电阻r7(0.02r)、第八电阻r8(8.35k)、第九电阻r9(10k)、第十电阻r10(10k)、第十一电阻r11(100k)、第十二电阻r12(10k)、第十三电阻r13(100k)、第一发光二极管led1、第二发光二极管led2、第一电容c1(2.2uf)、第二电容c2(1uf)、第三电容c3(10uf)、第四电容c4(1uf)、第五电容c5(0.1uf)、第六电容c6(1uf)、第七电容c7(20uf)、第八电容c8(22pf)、第九电容c9(0.1uf)；
44.所述第一集成芯片u1的0号引脚与mp_gnd相连，1号引脚分别与第三电阻r3的输出端和第四电容c4的输入端相连，2号引脚分别与第五电阻r5的输出端和第八电阻r8的输入端相连，3号引脚与第一发光二极管led1的负端相连，4号引脚分别与第六电阻r6的输出端和r9的输入端相连，5号引脚与第二发光二极管led1的负端相连，6号引脚分别与7号引脚、第六电容c6的输入端、第六电阻r6的输入端相连，8号引脚分别与第十一电阻r11的输出端、第十三电阻r13的输入端和第八电阻c8的输出端相连，9号引脚分别与第九电容c9的输出端、第七电容c7的输入端、第八电容c8的输入端、第十一电阻r11的输入端、第七电阻r7的输入端和输出端b 相连，10号引脚分别与与第九电容c9的输入端、第一电感l1的输出端和第七电阻r7的输入端相连,11号引脚分别与第一nmos管q1的3号引脚和mp_gnd相连，12号引脚分别与第二电容c2输入端和第二二极管d2的正端的相连，13号引脚与第一nmos管q1的4号引脚相连，14号引脚分别与第一nmos管q1的1号和6号引脚、第五电容c5的输出端和第一电感l1的输入端相连，15号引脚与第一nmos管q1的2号引脚相连，16号引脚分别与第二二极管d2的负端和第五电容c5的输入端相连；
45.所述太阳能电池阵正极vin分别与第一电阻r1的输入端、第二电阻r2的输入端、第四电阻r4的输入端、第十电阻r10的输入端，第十二电阻r12的输入端、第一二极管d1的正端和ntc 端相连，太阳能电池阵负极与mp_gnd相连，前端ntc
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分别与第四电阻r4的输出端和第五电阻r5的输入端相连；第一电阻r1的输出端分别与第二电阻r2的输出端和第一电容c1的输入端相连。
46.所述第一电容c1的输出端、第二电容c2的输出端、第三电容c3的输出端、第四电容c4的输出端、第六电容c6的输出端、第七电容c7的是输出端、第八电阻r8的输出端、第九电阻r9的输出端、第十三电阻r13的输出端均分别与mp_gnd相连；
47.所述mp_gnd与输出端b
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相连。
48.优选地，结合图5，所述的使能电路包括第二集成芯片u2(ts3a5017)、第一接插件p1，第十四电阻r14(4.7k)、第十五电阻r15(4.7k)、第十六电阻r16(4.7k)、第十七电阻r17(510k)第十电容c10(0.1uf)、第十一电容c11(1uf)、第三发光二极管led3；
49.所述第二集成芯片u2(ts3a5017)的1号引脚分别与第十六电阻r16的输出端和第一接插件p1的2号引脚连接，第二集成芯片u2(ts3a5017)的2号引脚分别与第十五电阻r15的输入端和第一接插件p1的3号引脚连接，第二集成芯片u2(ts3a5017)的3号引脚与输出使能端en3相连，第二集成芯片u2(ts3a5017)的4号引脚与输出使能端en2相连，第二集成芯片
u2(ts3a5017)的5号引脚与输出使能端en1相连，第二集成芯片u2(ts3a5017)的6号引脚与第十七电阻r17的输入端相连，第二集成芯片u2(ts3a5017)的7号引脚与第一接插件p1的4号引脚相连，第二集成芯片u2(ts3a5017)的8号引脚与gnd相连，第二集成芯片u2(ts3a5017)的14号引脚分别与第十四电阻r14的输入端和第一接插件p1的1号引脚相连，第二集成芯片u2(ts3a5017)的16号引脚分别与第十电容c10的输入端、第十一电容c11的输入端、第十六电阻r16的输入端、第一接插件p1的6号引脚和电源3v3相连，第二集成芯片u2(ts3a5017)的其他引脚未使用；
50.所述地gnd分别与第十五电阻r14的输出端、第十五电阻r15的输出端、第十电容c10的输出端、第十一电容c11的输出端、第三发光二极管led3灯的负端和第一接插件p1的5号引脚相连；
51.所述第十七电阻r17的输出端与第三发光二极管led3的正端相连。
52.优选地，结合图6，所述低侧可控开关，包括第二nmos管q2(si3464dv)、第三nmos管q3(si3464dv)、第十四电阻r14(1k)、第十五电阻r15(1k)和第十六电阻r16(10k)；
53.所述第二nmos管的d极与输入端in相连，第二nmos管的g极分别与第十九电阻r19的输出端和第二十电阻r20的输入端相连，第二nmos管的s极分别与第二十电阻r20的输出端和第三nmos管的s极相连；
54.所述第三nmos管的g极与第十八电阻r18的输出端相连，第三nmos管的d极与输出端out相连；
55.所述第十八电阻r18的输入端分别与第十九电阻r19的输入端和使能端en相连。
56.优选地，结合图7，所述高侧可控开关，包括第四pmos管q4(si3493bdv)、第五pmos管q4(si3493bdv)、第六nmos管(si2302cds)、第七nmos管(si2302cds)、第二十一电阻r21(100k)、第二十二电阻r22(100k)、第二十三电阻r23(1k)、第二十四电阻r24(1k)、第二十五电阻r25(10k)、第二十六电阻r26(10k)；
57.所述第四pmos管q4的s极分别与输入端in和第二十一电阻r21的输入端相连，第四pmos管q4的g极分别与第二十一电阻r21的输出端和第六nmos管q6的d极相连，第四pmos管q4的d极与第五pmos管的d极相连；
58.所述第五pmos管q5的g极分别与第二十二电阻r22的输出端和第七nmos管q7的d极相连，第五pmos管q5的s极分别与输出端out和第二十二电阻r22的输入端相连；
59.所述第六nmos管的g极分别与第二十三电阻r23的输出端和第二十五电阻r25的输入端相连，第六nmos管的s极分别与第二十五电阻r25的输出端和gnd相连；
60.所述第七nmos管的g极分别与第二十四电阻r24的输出端和第二十六电阻r26的输入端相连，第七nmos管的s极分别与第二十六电阻r26的输出端和gnd相连；
61.所述使能端en分别与第二十三电阻r23的输入端和第二十三电阻r23的输入端相连。
62.本发明应用于立方星锂电池组的均衡电路的均衡过程为：
63.第一步，测量单体电池电压，若在n节电池中，当bati电池电压最低(假设n>＝i>＝1)，且与其他单体电压差值大于设定阈值，电源下位机通过输入使能电路的电平高低控制使能电路eni输出高电平，使得bati所并联的均衡子模块中的两个可控开关闭合，此时电池充电电路的输出端与bati并联。
64.第二步，将太阳能电池板产生的能量，经过电池充电电路给bati充电一定时间，使bati电压上升。
65.反复重复上述步骤，达到电池均衡的效果。
66.所述使能电路在电源下位机的控制下，本发明使能电路的工作过程为：
67.如表1所示，在不需对电池均衡时，所述使能电路的前端enable电平为高，无论c1和c2电平高低，此时所述使能电路单个输出使能端均为高阻态。需要进行均衡时，在前端enable保持电平为低，d1保持高电平条件下，c2保持低电平，c1保持高电平，d1和en1连通，此时d1＝s2＝en1，en1为高电平，其余输出端为高阻态；c2保持高电平，c1保持低电平，d1和en2连通，此时d1＝s3＝en2，en2为高电平，其余输出端为高阻态；c2保持高电平，c1保持高电平，d1和en3连通，此时d1＝s4＝en3，en3为高电平，其余输出端为高阻态。
68.表1
69.enablec2c1d1与sllld1＝s1llhd1＝s2＝en1lhld1＝s3＝en2lhhd1＝s4＝en3hxxoff
70.本发明通过将太阳能电池阵产生的电能补充给电池组能量较低的电池，以实现电池组的均衡；通过采用最大功率点跟踪功能降压电池充电电路，保证了太阳能电池阵产生的功率最大，从而实现给锂电池均衡电流更大，均衡时间更短。采用mos管作为可控开关，使得能量传输损耗小。采用以单刀四掷(4:1)的模拟开关使能电路，保证了输出使能信号的可靠性和互斥性。
71.由此看出，本发明更加安全可靠，且均衡效率高、可扩展性强。