一种高轨卫星用独立式蓄电池管理装置的制作方法

1.本发明属于空间电源技术领域，尤其是涉及一种高轨卫星用独立式蓄电池管理装置。


背景技术：

2.锂离子蓄电池组作为高轨卫星重要的储能单元，保证着卫星平台和载荷连续、稳定供电，起着不可替代的作用。高轨卫星用锂离子蓄电池组工作寿命一般为12年，要求蓄电池组最大放电深度80％，放电次数近600次。因此，为了保证高轨蓄电池组长寿命、深放电、高安全的使用要求，蓄电池组在轨管理是重点，是保证蓄电池组可靠性、安全性的核心所在。
3.高轨卫星长期处于光照期，地影期每年90天，最长地影时间1.16小时。锂离子蓄电池组在轨长期使用中，工作模式主要包括光照期蓄电池组搁置、地影期为平台和载荷供电。随着锂离子蓄电池充放电循环次数增加，电池容量会逐渐衰降，单体电池离散性逐渐增强，降低了蓄电池组的工作性能，减短了工作寿命。为了确保蓄电池组正常工作时间满足寿命要求，蓄电池管理装置需对锂离子蓄电池组进行实时动态管理。


技术实现要素：

4.针对以上的技术缺陷，本发明提供了一种高轨卫星用独立式蓄电池管理装置，需对锂离子蓄电池组中的每只单体电池的电压实时监测，当在充电过程中有单体电池电压达到均衡控制点时对其进行均衡控制，使单体电池电压偏差保持在预期的范围内，从而保证每节单体电池在卫星寿命期间性能的一致性，使其满足卫星在轨长寿命的使用要求。当某节单体电压异常时，还需对其进行旁路操作，避免影响其它单体电池工作。蓄电池管理装置对保障锂离子电池的安全性、可靠性起着关键的作用。
5.为实现上述技术目的，本发明通过以下技术方案实现：
6.一种高轨卫星用独立式蓄电池管理装置，包括二次电源模块、bypass模块、采样模块、数字模块和分流模块；其中：
7.所述bypass模块包括相互连接的bypass驱动功率电路和bypass矩阵指令电路；所述bypass模块通过bypass驱动母线与与每节单体电池bypass组件连接；
8.所述二次电源模块包括主份单元和备份单元；所述主份单元包括相互连接的主份dc/dc和主份加电电路；所述备份单元包括相互连接的备份dc/dc和备份加电电路；
9.所述数字模块包括数字主份模块和数字备份模块；所述数字主份模块包括主份接口编译码电路、主份继电器驱动电路、主份接口电路和主份状态检测电路；所述数字备份模块包括备份接口编译码电路、备份继电器驱动电路、备份接口电路和备份状态检测电路；
10.所述采样模块包括主份电池电压检测电路和备份电池电压检测电路；主份电池电压检测电路又包含主份单体电池电压采样电路、组合电池电压采样电路、整组电池电压采样电路；所述采样备份模块包括备份电池电压检测电路，备份电池电压检测电路又包含备
份单体电池电压采样电路、组合电池电压采样电路、整组电池电压采样电路；
11.所述分流模块包括主份分流电路、备份分流电路和分流电阻；其中：
12.主份电池电压检测电路、主份接口编译码电路均与主份状态检测电路连接，主份dc/dc分别与主份电池电压检测电路、主份接口编译码电路、主份继电器驱动电路、主份状态检测电路连接；所述主份接口编译码电路和主份接口电路连接；所述主份状态检测电路与主份分流电路、bypass矩阵指令电路连接；所述主份继电器驱动电路和主份分流电路连接；所述备份电池电压检测电路、备份接口编译码电路与备份状态检测电路连接，备份dc/dc分别与备份电池电压检测电路、备份接口编译码电路、备份继电器驱动电路、备份状态检测电路连接；所述备份接口编译码电路和备份接口电路连接；所述备份状态检测电路与备份分流电路、bypass矩阵指令电路连接；所述备份继电器驱动电路和备份分流电路连接；所述主份分流电路、备份分流电路与分流电阻连接；所述主份继电器驱动电路、备份继电器驱动电路与bypass矩阵指令电路连接。
13.优选地：所述主份电池电压检测电路包括主份单体电池电压采样电路、组合电池电压采样电路、整组电池电压采样电路；所述备份电池电压检测电路包括备份单体电池电压采样电路、组合电池电压采样电路、整组电池电压采样电路；
14.优选地：两个电池电压检测电路对单体电池、组合电池及整组蓄电池组电压进行检测；两个接口编译码电路均包括编码电路和译码电路；其中：所述编码电路完成电池电压、均衡开关及bypass开关工作状态的数据编码，以总线数据格式发送到服务舱综合电子，根据上传的数据，服务舱综合电子通过总线发出均衡指令或bypass指令给接口电路；译码电路对指令进行译码，控制分流电路进行均衡或bypass开关操作，当服务舱综合电子再次通过总线发出的数据使能时序时，状态信号回传到编码电路，实现均衡/bypass操作和均衡/bypass状态回读。
15.优选地：所述bypass模块在锂离子电池组寿命末期或单体电池出现异常时，通过bypass驱动电路将与锂离子电池组并联的bypass装置接入，使异常单体锂离子电池被旁路掉。
16.优选地：所述主份dc/dc和备份dc/dc的输入为100v卫星平台母线，输出为 28v电路、 12v、-12v和 5v。
17.优选地：所述bypass驱动电路采用矩阵式指令驱动电路，用7乘7矩阵形式的输出接口实现49路的指令输出；每条指令均有横7个通道之一和纵7个通道之一，双同时接通时才能执行。
18.优选地：所述数字模块将电压数字量、均衡、bypass状态量进行组帧上传到服务舱综合电子，同时对服务舱综合电子发送的均衡指令和bypass驱动指令进行接收译码，驱动相应的矩阵指令线进行指令执行。
19.优选地：所述主份分流电路和备份分流电路采用矩阵形式的7乘7的输出接口实现49路的指令输出；每条指令均有横7个通道之一和纵7个通道之一，双同时接通时才能执行。
20.本发明具有的优点和技术效果是：
21.1、本发明通用性强。单机为独立式单机，灵活便捷，便于整星任意位置选位安装。整个单机由5种标准化功能电路模块构成，包括二次电源模块、采样模块、均衡模块、bypass模块、遥测遥控模块；
22.2、本发明适用性广。满足一般高轨卫星蓄电池组的串联单体的使用要求，管控单体串联数为20节～22节，覆盖了其他卫星平台蓄电池组(7节、9节)的使用要求；
23.3、本发明可维修性高。采用标准化模块设计，根据用户需求灵活配置功能电路数量，维修方便，整模块可随时、及时更换；
24.4、本发明可靠性高。整机采用冷备份工作模式，所有功能模块电路(二次电源模块、采样模块、均衡模块、bypass模块、遥测遥控模块)均采用了主备份设计；在采样模块电路中，分为三部分：单体电压采样、小组合采样、蓄电池组总压采样，多维度测试结果对比、佐证，保证蓄电池组采样的有效性；在均衡和旁路模块采用矩阵式驱动电路设计，满足功能前提下高效利用资源，行列指令在同时接通情况下均衡及bypass指令才可执行。
附图说明
25.图1是本发明优选实施例的模块构成图；
26.图2是本发明优选实施例的接线图；
27.图3是本发明优选实施例中二次电源主备份设计原理图；
28.图4是本发明优选实施例中的tmtc基本拓扑图，描述数字模块中数字部分的功能组成；
29.图5是本发明优选实施例中单个电池模块分流电路驱动电路示意图；
30.图6是本发明优选实施例中bypass驱动电路继电器矩阵指令示意图，分为行指令ri-n和列指令ci-n。
具体实施方式
31.为了使本发明的上述目的、设计的控制系及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
32.请参阅图1至图6，一种高轨卫星用独立式蓄电池管理装置，包括二次电源模块、bypass模块、采样模块、数字模块和分流模块；其中：
33.所述bypass模块包括bypass驱动电路；所述bypass驱动电路通过bypass驱动母线与与每节单体电池bypass组件连接；
34.所述二次电源模块包括主份单元和备份单元；所述主份单元包括相互连接的主份dc/dc和主份加电电路；所述备份单元包括相互连接的备份dc/dc和备份加电电路；
35.所述数字模块包括数字主份模块和数字备份模块；所述数字主份模块包括主份接口编译码电路、主份继电器驱动电路、主份接口电路和主份状态检测电路；所述数字备份模块包括备份接口编译码电路；备份继电器驱动电路、备份接口电路和备份状态检测电路；
36.所述采样模块包括采样主份模块和采样备份模块；所述主份采样模块包括主份电池电压检测电路，主份电池电压检测电路又包含主份单体电池电压采样电路、组合电池电压采样电路、整组电池电压采样电路；所述采样备份模块包括备份电池电压检测电路，备份电池电压检测电路又包含备份单体电池电压采样电路、组合电池电压采样电路、整组电池电压采样电路；
37.所述分流模块包括主份分流模块和备份分流模块；所述主份分流模块包括相互连
接的主份分流电路和主份分流电阻，所述备份分流模块包括相互连接的备份分流电路和备份分流电阻；
38.所述分流模块包括主份分流模块和备份分流模块；所述主份分流模块包括相互连接的主份分流电路，所述备份分流模块包括相互连接的备份分流电路，主份分流模块和备份分流模块共用20～22只分流电阻；
39.所述bypass模块包括bypass驱动功率电路和bypass矩阵指令电路。
40.所述的均衡管理单元内部电路连接关系，主份电池电压检测电路与状态检测电路与主份接口编译码电路连接，主份dc/dc变换为主份
±
12v、 5v，与主份电池电压检测电路、主份接口编译码电路、主份继电器驱动电路、主份状态检测电路连接；所述主份接口编译码电路和主份接口电路连接；所述的主份状态检测电路与主份分流电路、bypass矩阵指令电路连接；所述主份继电器驱动电路和主份分流电路连接；所述备份电池电压检测电路与状态检测电路与备份接口编译码电路连接，备份dc/dc变换为备份
±
12v、 5v，与备份电池电压检测电路、备份接口编译码电路、备份继电器驱动电路、备份状态检测电路连接；所述备份接口编译码电路和备份接口电路连接；所述的备份状态检测电路与备份分流电路、bypass矩阵指令电路连接；所述备份继电器驱动电路和备份分流电路连接；所述的主份分流电路与备份分流电路与20～22只分流电阻连接；所述的主份继电器驱动电路与备份继电器驱动电路与bypass矩阵指令电路连接，所述的bypass矩阵指令电路与bypass驱动功率电路连接。
41.所述均衡管理单元外部电路连接关系，主份dcdc、备份dcdc与平台配电单元连接；主份加电电路、主份接口电路、备份加电电路、备份接口电路与服务舱综合电子连接；所述主份电池电压检测电路、主份分流电路、备份电池电压检测电路、备份分流电路、bypass电路与蓄电池组a、蓄电池组b相连。
42.在本优选实施例中：
43.两个电池电压检测电路对单体电池、组合电池及蓄电池组电压进行检测；两个isd接口编译码电路均包括编码电路和译码电路，所述编码电路完成电池电压、均衡开关及bypass开关工作状态的数据编码，以sdi总线数据格式发送到服务舱综合电子，根据上传的数据，服务舱综合电子通过osd通信接口电路发出均衡指令或bypass指令；译码电路对指令进行译码，控制分流电路进行均衡或bypass开关操作，当服务舱综合电子再次通过sdi总线发出的数据使能时序时，状态信号回传到编码电路，实现均衡分流和均衡状态回读。
44.所述bypass模块在锂离子电池组寿命末期或单体电池出现异常时，通过bypass驱动电路将与锂离子电池组并联的bypass装置接入，使异常单体锂离子电池被旁路掉。
45.所述主份dc/dc和备份dc/dc的输入为100v卫星平台母线，输出为 28v电路、 12v、-12v和 5v。
46.所述bypass驱动电路采用矩阵式指令驱动电路，用7乘7矩阵形式的输出接口实现49路的指令输出；每条指令均有横7个通道之一和纵7个通道之一，双同时接通时才能执行。
47.所述数字模块将电压数字量和均衡bypass状态量进行组帧上传到服务舱综合电子，同时对服务舱综合电子发送的均衡指令和bypass驱动指令进行接收译码，驱动相应的矩阵指令线进行指令执行。
48.所述主份分流电路和备份分流电路采用矩阵形式的7乘7的输出接口实现49路的
指令输出；每条指令均有横7个通道之一和纵7个通道之一，双同时接通时才能执行。
49.所述bypass模块包括bypass驱动电路和bypass状态采集电路；所述bypass驱动电路通过bypass驱动母线与与每节单体电池连接；所述bypass模块是为防止某节单体电压超出了电池单体正常电压范围时，对其它电池的功能造成影响。当出现此情况时，将该单体电池执行bypass动作，置于蓄电池组外，不参与整星电源供给。本优选实施例采用矩阵式指令驱动电路，用7乘7的矩阵形式输出接口实现49路的指令输出，有效节省了指令通道资源；且每条指令均有行指令ri-n和列指令ci-n两个指令，当两个指令同时接通时才能执行，保证了指令执行的可靠性。
50.所述二次电源模块包括主份单元和备份单元；所述主份单元包括相互连接的主份dc/dc和主份继电器；所述备份单元包括相互连接的备份dc/dc和备份继电器；本优选实施例中，所述二次电源模块的输入为100v卫星平台母线，主份单元和备份单元各包括两部分电路，一部分为100v转28v电路，另一部分为100v转 12v、-12v、 5v电路。
51.所述数字模块包括数字主份模块和数字备份模块；所述数字主份模块包括主份接口编译码电路、主份继电器驱动电路、主份接口电路和主份状态检测电路；所述数字备份模块包括备份isd接口编译码电路；备份继电器驱动电路、备份接口电路和备份状态检测电路；所述数字主份模块和采样备份模块的功能完全相同。各自均实现了总线通讯、遥测数据编码、遥测模数转化、遥控指令译码、矩阵指令驱动，如附图3所示。数字模块功能主要包括电池电压的模数转化，将电压数字量和均衡bypass状态量进行组帧上传到综合电子，同时对综合电子发送的均衡指令和bypass驱动指令进行接收译码，驱动相应的矩阵指令线进行指令执行。
52.所述分流模块包括主份分流模块和备份分流模块；所述主份分流模块包括相互连接的主份分流电路和主份分流电阻，所述备份分流模块包括相互连接的备份分流电路和备份分流电阻、均衡状态采集电路、均衡驱动电路；所述数字模块接收服务舱综合电子发送的均衡指令，实现分流执行功能。硬件包括分流驱动电路和分流功率电阻。分流驱动电路采用7乘7矩阵形式的输出接口实现49路的指令输出，有效节省了指令通道资源；且每条指令均有横纵两个通道(某一行和某一列)同时接通才能执行，保证了指令执行的可靠性。驱动开关采用小功率继电器实现；
53.在上述优选实施例中，接口电路、编译码电路、模数转化电路、遥测数据编码电路、总控电路、遥控指令译码电路、矩阵指令驱动电路组成数字模块(遥控遥测模块)，如图4所示；
54.所述主份电池电压检测电路与状态检测电路与主份接口编译码电路连接，主份dc/dc变换为主份
±
12v、 5v，与主份电池电压检测电路、主份接口编译码电路、主份继电器驱动电路、主份状态检测电路连接；所述主份接口编译码电路和主份接口电路连接；所述的主份状态检测电路与主份分流电路、bypass矩阵指令电路连接；所述主份继电器驱动电路和主份分流电路连接；所述备份电池电压检测电路与状态检测电路与备份接口编译码电路连接，备份dc/dc变换为备份
±
12v、 5v，与备份电池电压检测电路、备份接口编译码电路、备份继电器驱动电路、备份状态检测电路连接；所述备份接口编译码电路和备份接口电路连接；所述的备份状态检测电路与备份分流电路、bypass矩阵指令电路连接；所述备份继电器驱动电路和备份分流电路连接；所述的主份分流电路与备份分流电路与20～22只分流电
阻连接；所述的主份继电器驱动电路与备份继电器驱动电路与bypass矩阵指令电路连接，所述的bypass矩阵指令电路与bypass驱动功率电路连接。
55.本发明的工作原理为：
56.蓄电池管理装置收服务舱综合电子通过总线发出的数据使能时序，电压检测电路(主份电池电压检测电路和备份电池电压检测电路)完成单体、组合及整组电池电压的检测；状态检测电路(主份状态检测电路和备份状态检测电路)完成对单体电池均衡开关状态的检测；编码电路完成电池电压、均衡开关及bypass开关工作状态的数据编码，以总线数据格式发送到服务舱综合电子，根据上传的数据，服务舱综合电子通过通信接口电路发出均衡指令或bypass指令，译码电路对指令进行译码来控制分流电路进行均衡或bypass开关操作，当服务舱综合电子再次通过总线发出的数据使能时序时，状态信号回传到编码电路，实现均衡分流和均衡状态回读，完成基本的一个工作循环。
57.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。