航天锂离子电池均衡充电技能总述
锂离子电池代表了航天器储能设备的开展方向，是航天器的第三代储能器。它具有轻分量、体积小、无回忆效应、习气温度广等长处，是现在干流运用的镉镍、氢镍电池的代替产品。航天用锂离子电池的能重比为90～110Wh/kg，相关于氢镍电池45～60Wh/kg的目标，优势显着。但锂离子电池的电化学特性要求充电进程有必要严格操控，因而，要规划专门的充电办理电路来操控航天器锂离子电池的充电进程。
锂离子电池充电要害技能
用锂离子电池代替镉镍、氢镍电池不能套用简略的“即插即用”办法，这是因为锂离子电池与镉镍、氢镍电池有一个最大的不同点：锂离子电池制止过充电。因而，有必要结合锂离子电池特性规划新的充电办理电路。锂离子电池充电办理电路的要害点（与镉镍、氢镍电池充电办理电路首要不同点）首要包含两方面：充电办法和均衡充电。
在工程运用中，锂离子电池单体或由单电池并联组成的电池模块必定要串联成电池组，故有必要考虑充电进程中各电池单体或电池模块的失衡现象，并且跟着时刻的推移，这种失衡现象会愈加严峻，严峻影响电池寿数和可靠性，因而均衡充电也是锂离子充电的要害技能。
1 恒流-恒压（TAPER）型充电操控
在选用镉镍、氢镍电池的卫星电源体系中，基本上都选用恒流充电办法，当抵达V-T曲线、电子电量、压力、第三电极等操控办法的操控点时中止充电，完结一个充电进程。锂离子电池不适合选用这些充电操控办法，因为这些充电办法不能确保锂离子电池的充电终压一直限定在规则的范围内，即便充电终压有确保，往往是抵达充电终压后当即中止充电，而锂离子电池在抵达充电终压后依然需求弥补30%左右的电量。从锂离子电池多年开展来看，恒流-恒压充电操控是最遍及、最适合选用的充电操控办法。在此办法下，充电器首要对锂离子电池进行安稳电流充电，这时电池电压逐步举高，当电池电压抵达设定值时进行安稳电压充电，这时充电电流近似指数规则减小，所以这种充电办法也称为TAPER型充电操控。
图1 旁路式锂离子电池充电操控电路
2 均衡充电技能
航天用锂离子电池有必要选用均衡充电技能，这种观念在国内外现已得到彻底认同。均衡充电技能首要处理锂离子电池单体长时刻充电进程中的电化学特性差错现象，因而均衡充电办法的好坏需求必定的时刻、资金、人力投入才干得到有用验证。
锂离子电池均衡充电在民用产品中还没有得到广泛注重和运用，因为多节单电池串联的运用较少，可靠性、寿数要求不高。在电动车锂离子电池体系中，单电池串联的节数较多，现已选用均衡充电技能，一般是选用单片机体系操控并在单电池上的分流电阻上实施通断，然后操控单电池的充电量。这种办法操控杂乱、功率低、热耗大、均衡时刻长，在前期的航天产品计划中移植了这种办法，现在国内外的技能人员正在评论愈加抱负计划。
均衡充电的含义便是使锂离子电池单体电压差错坚持在预期的范围内，然后确保每个单电池在卫星寿数期间不受到过应力冲击而发作损坏。若不进行均衡充电操控，跟着充放电循环的添加，各单电池电压逐步分解。
一般状况下，充电时锂离子电池单体电压的差错在50mV之内是彻底能够承受的。咱们能够以为形成差错的首要原因是单电池充电功率、自放电率存在差异。另一方面，单电池中的丈量电路电流耗费的影响也有必要仔细考虑，有时丈量电路耗费的电流现已抵达电池自放电电流的量级。在做锂离子电池寿数试验时，有的技能人员反映串联电池组的榜首只或最终一只常常最早损坏，这往往是因为丈量电路耗费形成的。
充电操控电路
1 旁路式充电操控
如图1所示，光照期太阳电池充电阵经过二极管直接给锂离子蓄电池组充电，蓄电池组的每只电池都设置了充电旁路电路。当某一单电池的电压抵达设定值时，充电旁路电路中的功率三极管开端导通，分流掉部分充电电流，坚持该单电池电压安稳在很窄的一个范围内。蓄电池的特性决议了充电电流逐步减小（近似指数规则），直至光照期完毕。这种充电办法能够确保每只单电池均衡充电，但旁路电路功耗较大，充电电流很难丈量。
2 分流式充电操控
单电池循检电路别离采样各个电池电压，经过或门电路取出单电池电压最大值，在信号改换电路中与基准信号进行比较发作差错信号，差错信号送入分流调节器电路，操控锂离子蓄电池组中的单体电压。任一只电池电压抵达设定值时，蓄电池组的均匀充电电流逐步减小。若选用开关型分流调节器，则在单体恒压充电时，充电电流是脉动的，所以选用这种充电操控办法需求锂离子蓄电池组能够习气脉动充电电流。
主差错放大器（MEA）采样母线电压信号，发作差错信号后送到分流调节器。也便是说，分流调节器一起受母线电压和蓄电池单电池电压操控。分流式锂离子电池充电操控电路如图2所示。
图2 分流式锂离子电池充电操控电路
3 分段式充电操控
单电池循检比较电路采样单电池电压，任何一只单电池电压超越设定值，或门电路就会发作个一过压信号，经过确认电路断开一路充电阵，使得充电电流减小1/3，当再次发作一个过压信号时关掉第二个充电阵，直至关掉最终一个充电阵。当脉冲负载降临或许进入地影期时，解锁电路发作解锁信号，使得充电操控电路能够进行下一个充电进程。很明显，当恒压充电时，充电电流不是近似指数规则，而是阶梯型逐级递减。分段式锂离子电池充电操控电路见图3。
图3 分段式锂离子电池充电操控电路
4 单电池峰值电压约束型线性充电操控
单电池循检电路别离采样各个单电池电压，经过或门电路取出单电池电压最大值，经过信号改换电路送入限压操控电路，限压操控电路经过动态调整功率管的阻抗操控锂离子蓄电池组中的单电池电压。当任一只单电池电压都未抵达设定值时，太阳电池阵以相对安稳的电流经过限压操控电路中的功率管对锂离子蓄电池组充电，功率管的阻抗接近于零；当任一只单电池电压抵达设定值时，功率管的阻抗逐步增大，蓄电池组的充电电流逐步减小，充电电流减小的规则由锂离子蓄电池组的特性决议（近似指数规则）。这种电路的长处是充电恒压阶段充电电流接连减小，基本上是指数规则，较习气锂离子蓄电池的充电习气，充电电路的功耗也不大。单电池峰值电压约束型线性充电操控电路如图4所示。
图4 单电池峰值电压约束型线性充电操控电路
几种均衡充电技能
1 安稳分流电阻均衡充电
电阻分流均衡充电原理如图5所示。
图5 安稳分流电阻均衡充电原理
每个锂离子电池单体上都并联一个分流电阻。从电路中能够看出，电阻上的分流电流有必要远大于电池的自放电电流，才干抵达均衡充电的作用。一般锂离子电池的自放电电流为C/20000左右，所以流过分流电阻上的电流取C/200是比较适宜的。
别的，每个分流电阻的差错也是影响均衡作用的重要因素。经过必定次数的充放电循环后，单电池的差错能够用下面的公式确认：
V电池电压差错=R分流×I自放电＋2×V单电池×K电阻差错
若分流电阻取20Ω±0.05%，则电池电压差错能够操控在50mV范围内。每个电阻的均匀功率为0.72W，可是不管电池充电进程仍是电池放电进程，分流电阻一直耗费功率。
2 通断分流电阻均衡充电
通断分流电阻均衡充电原理如图6所示。
图6通断分流电阻均衡充电原理
通断分流电阻均衡充电与电阻分流均衡充电的差异便是添加了一个通断开关，这个开关的操控能够由单片机体系软件来完成，也能够经过简略的逻辑电路来完成。选用这种操控办法的均衡电路只在TAPER充电的恒压充电段作业，其他时刻通断开关一直断开，这样需求电池组放电时，分流电阻不耗费名贵的能量。在光照期，太阳电池发电功率是有充裕的，这时均衡电路耗费必定的能量关于电源体系来说具有必定的合理性。在LEO轨迹，这种均衡电路的作业时刻只占10%左右，所以要抵达上面论说的均衡作用，电阻值需减小10倍，可见峰值热功耗是相当大的，这是这种电路的首要缺陷。别的，通断开关的实效是丧命毛病，所以有必要选用冗余手法。
3 开关电容均衡充电
图7 开关电容均衡充电原理
开关电容均衡充电原理如图7所示，从图中能够看出，次序开关驱动电路首要由时钟电路构成，它驱动多路开关次序闭合，次序把锂离子电池单体接入传送电容器，经过传送单电池之间的不平衡能量，抵达均衡充电的意图。一起，经过丈量传送电容器上的电压来监测各个单电池的电压。若某个单电池发作短路毛病，低电压比较器输出开关制止信号，制止短路的单电池接入传送电容器，避免影响其他单电池的正常作业，一起给恒流恒压改换器送入电池低电压报警信号，使恒流恒压改换器依据单电池短路的状况确认正确的安稳电压。这种均衡电路的最大长处是动力糟蹋极低，缺陷是电路杂乱，多路开关的通态电阻、高共模约束都会影响均衡充电的完成。另一方面，参数选取比较困难，针对不同的电源体系配置，电路参数需具体的规划与验证，这对研发周期是晦气的。
4 降压型改换器均衡充电
图8 降压型改换器均衡充电原理
降压型改换器均衡充电原理如图8所示。
降压型改换器均衡充电计划也是一种低耗费的均衡计划。它的思路很明晰，主回路是规范的降压式调节器，在储能电感上添加多组相同的次绕组，用于电池单体的辅佐充电。明显，电压低的单电池会从次绕组上得到更多的能量，电压高的得到能量少，这样就抵达了均衡充电的意图。为了得到杰出的均衡作用，次绕组的一致性需求严格操控。但电感绕组的一致性是十分难于操控的，因而这是这种操控办法的一个最大缺陷。这种充电办法的研讨刚刚起步，充电功率、均衡作用、可靠性分析等需求进一步的深入研讨。
5 均匀电池电压均衡充电
均匀电池电压均衡充电原理如图9所示，图中只给出了一只单电池的均衡电路，其他各单电池也装备相同的均衡电路，其间，放大器由单电池供电。
这种均衡充电操控电路的思路是：单电池电压与均匀单电池电压相比较，操控功率开关将电池电压高于均匀电压的单电池分流。因而，一切单电池电压在均衡电路的作用下趋向均匀电池电压。
此电路初看起来是开环操控，实际上因为电池内阻的作用，均衡电路作业在具有负反馈特性的闭环状况。为了避免均衡电路在电池组放电时作业，能够在功率开关下端串联稳压二极管，这样在电池放电时，电池电压较低而失掉分流回路。
均匀电池电压均衡充电电路形式现已深入研讨，被以为是作用十分好的计划。这种电路被列入LEO轨迹锂离子电池运用的首选计划，现已申请了法国和欧洲的专利。
结语
以上评论了锂离子电池充电办理电路的要害技能：恒流-恒压（TAPER）充电办法和均衡充电技能。经过比较，咱们以为，“单电池峰值电压约束型线性”充电操控计划比较习气小卫星的运用，可避开“旁路式”操控巨大热耗、“分流式”操控巨大脉动充电电流、“分段式”恒压充电阶段充电电流减小不接连的缺陷；均匀电池电压均衡充电电路习气性强，各方面目标均比较抱负。
作者：上海电器科学研讨所（集团）有限公司
