傅江太，廖 瑛,2

(1.湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院，湖南湘潭411100；2.國(guó)防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410073)

編程邏輯控制的空間蓄電池組均衡充電系統(tǒng)

傅江太1，廖 瑛1,2

(1.湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院，湖南湘潭411100；2.國(guó)防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410073)

串聯(lián)空間蓄電池組中各單體能量維持均衡是安全使用并充分發(fā)揮蓄電池組性能的重要保證。通過對(duì)幾種主要均衡充電方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析比較，設(shè)計(jì)了一種雙電源結(jié)構(gòu)，采用可編程邏輯控制的順序開關(guān)均衡充電系統(tǒng)，并使用Matlab對(duì)該方法進(jìn)行了仿真，對(duì)其均衡效果進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：該均衡充電系統(tǒng)具有均衡速度快，可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

空間蓄電池組；均衡充電；順序開關(guān)；編程邏輯

電池串聯(lián)成組使用時(shí)，其許多指標(biāo)都不能達(dá)到標(biāo)稱值，如電壓、容量、充電效率、放電能力等。這種電池間的不均衡性是影響電池組使用性能和安全的一個(gè)不利因素，這就需要對(duì)電池組進(jìn)行均衡控制?？臻g蓄電池的均衡充電研究一直是空間電源的熱門研究方向，普通蓄電池均衡充電方案也很多，但基于空間蓄電池的特殊性，要求設(shè)計(jì)的充電電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能量損耗少，且時(shí)效性好，所以對(duì)空間蓄電池組均衡充電技術(shù)的深入研究是有必要的。

常用的空間蓄電池組均衡充電方法中，電阻分流均衡法最為簡(jiǎn)單，但是效果不佳，而且峰值熱功耗相當(dāng)大；電容電感能量傳輸均衡法最大優(yōu)點(diǎn)是能源浪費(fèi)極低，缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，參數(shù)選取比較困難，而且研制周期過長(zhǎng)[1-3]；降壓型變換器均衡法具有反應(yīng)速度快，充電電壓、電流基本一致等優(yōu)點(diǎn)，但是電感繞組的一致性非常難于控制[4]；平均電池電壓均衡法被認(rèn)為是效果非常好的方案，但是其電路相當(dāng)復(fù)雜[5]。本文在總結(jié)各種蓄電池均衡充電和超級(jí)電容器均衡充電方法的基礎(chǔ)上[6-7]，結(jié)合空間蓄電池組充放電特點(diǎn)和航天器電源設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一種可靠性高、均衡效果好、相對(duì)功耗較低的編程邏輯控制的雙電源結(jié)構(gòu)均衡充電系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)由恒流充電主電路和均衡充電電路兩部分組成。恒流充電主電路對(duì)整個(gè)串聯(lián)蓄電池組進(jìn)行恒流充電。DC/DC變換器對(duì)太陽電池陣輸出的電流進(jìn)行整流變換，得到可調(diào)節(jié)的恒定直流電源。均衡電路對(duì)蓄電池組中的單體電池進(jìn)行均衡充電，由DC/DC變換器對(duì)太陽電池陣進(jìn)行整流后得到一個(gè)可調(diào)節(jié)的均衡電源，通過編程邏輯控制開關(guān)切換網(wǎng)絡(luò)對(duì)需要均衡充電的蓄電池單體進(jìn)行均衡充電。均衡電源和恒定直流電源原理相同，但電流值較小。其總體框圖如圖1所示。

圖1 均衡充電系統(tǒng)總體框圖

1.1 恒流充電主電路

恒流充電采用的是可調(diào)節(jié)PWM控制的整流電路[8-10]，其電路設(shè)計(jì)原理如圖2所示，根據(jù)已測(cè)得的蓄電池電流與參考電流ref進(jìn)行比較，其差值送誤差放大器進(jìn)行放大，在誤差放大器中進(jìn)行自適應(yīng)PI調(diào)節(jié)后，經(jīng)過PWM驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的脈沖波形，從而控制開關(guān)的通斷時(shí)間，即調(diào)節(jié)開關(guān)的占空比，最后使輸出電流穩(wěn)定在設(shè)置的恒定電流附近。流過蓄電池的電流可通過式(1)得到。

圖2 恒流充電電路圖

1.2 均衡充電電路

均衡充電原理圖及其電路工作流程圖分別如圖3、圖4所示。在該電路中，所有蓄電池和開關(guān)都標(biāo)有相應(yīng)的序號(hào)。電路充電開始后，主電路進(jìn)行恒流充電，同時(shí)，電壓檢測(cè)器對(duì)所有蓄電池電壓依次進(jìn)行檢測(cè)提取，并將所有電壓數(shù)據(jù)送編程邏輯控制器進(jìn)行處理。當(dāng)某個(gè)蓄電池單體電壓達(dá)到充電終止電壓時(shí)，則編程邏輯控制器發(fā)出充電終止信號(hào)，系統(tǒng)斷開所有開關(guān)，停止充電，否則由編程邏輯控制器求出最小值電壓蓄電池序號(hào)。如果電壓最小值蓄電池是前一次檢測(cè)時(shí)的蓄電池，則開關(guān)驅(qū)動(dòng)器保持原狀態(tài)，經(jīng)過一個(gè)延時(shí)進(jìn)行下一次電壓檢測(cè)；否則根據(jù)編程控制器輸出的新驅(qū)動(dòng)信號(hào)切換開關(guān)通斷的序號(hào)，直到蓄電池的電壓中有達(dá)到充電終止電壓。

圖3 均衡電路原理圖

圖4 均衡電路工作流程圖

圖5為開關(guān)切換電流圖，圖a和圖b分別為檢測(cè)到V1和V2為最小電壓蓄電池單體時(shí)的電流流向圖。圖a中，開關(guān)Q1，Q3閉合，其余開關(guān)斷開，均衡電源V ，Q1，V1，Q3組成閉合回路對(duì)蓄電池V1進(jìn)行均衡充電。圖b中開關(guān)Q2，Q5閉合，其余開關(guān)斷開，均衡電源V ，Q2，V2，Q5組成閉合回路對(duì)蓄電池V2進(jìn)行均衡充電。電流為主電路直流，電流為均衡電路電流。則流過最小電壓蓄電池單體的電流為：

圖5 開關(guān)切換電流圖

2 系統(tǒng)仿真電路

系統(tǒng)仿真電路圖如圖6所示，太陽電池陣產(chǎn)生的電流經(jīng)過恒流變換器CC1后產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的恒定直流給蓄電池組充電。在本設(shè)計(jì)中航空蓄電池模型采用某航空設(shè)計(jì)院根據(jù)實(shí)體蓄電池特性設(shè)計(jì)的仿真模型，它能很好地仿真航空蓄電池的充放電特性。對(duì)5節(jié)空間蓄電池設(shè)置不同特性參數(shù)和初始狀態(tài)。蓄電池充放電特性曲線經(jīng)過輸出B-F傳輸?shù)斤@示器。蓄電池電壓經(jīng)過電壓檢測(cè)器VM測(cè)量，電壓數(shù)據(jù)依次傳輸?shù)骄幊踢壿嬁刂破鬟M(jìn)行比較運(yùn)算。產(chǎn)生控制信號(hào)G-P，控制信號(hào)經(jīng)過延時(shí)處理后，通過控制蓄電池上串聯(lián)的開關(guān)Mosfet0-9控制均衡充電的蓄電池。當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到終止電壓時(shí)，開關(guān)Mosfet10關(guān)斷，充電結(jié)束。

圖6 系統(tǒng)仿真電路圖

圖7 仿真結(jié)果圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖7所示為5節(jié)蓄電池的充電電壓變化圖，從圖中可看出，在充電過程開始時(shí)，蓄電池5的充電曲線斜率最大，充電速度最快，在0.7 ks時(shí)，蓄電池5和蓄電池4的電壓達(dá)到一致，兩個(gè)電池以高于其他3節(jié)蓄電池等同的速率繼續(xù)充電，然后依次追趕上蓄電池3～1的電壓。最后5節(jié)蓄電池單體的電壓差均保持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)繼續(xù)充電。蓄電池組中各單體充電電壓隨充電時(shí)間的延長(zhǎng)電壓差越來越小，說明均衡電路起到了良好的均衡作用。由此可見，該蓄電池組充電均衡電路功能完善、均衡效果良好。

4 均衡充電電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

由于航空蓄電池的溫度或者氣壓對(duì)電池的充放電影響很大，所以對(duì)蓄電池的充電電流需要嚴(yán)格控制，并且充電終止電壓也需要根據(jù)實(shí)際環(huán)境實(shí)時(shí)控制。

均衡充電后期的蓄電池電壓已基本相等，且變化范圍較小，為了使充電更為安全，可以將均衡電流適當(dāng)減小。

考慮到開關(guān)的運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生的異常和損壞，一般對(duì)開關(guān)做冗余處理。

5 結(jié)論

蓄電池組均衡充電系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該均衡充電系統(tǒng)具有可靠的均衡功能，它利用編程控制的順序開關(guān)可以快速對(duì)電壓低的蓄電池單體進(jìn)行均衡充電，使其電壓慢慢接近電壓高的蓄電池，逐漸減小電壓差，其終止電壓控制可以很好地防止蓄電池組過充電。該均衡充電系統(tǒng)能量損耗極低，并且使用的元器件少，效果良好，比較適宜用于航天蓄電池組均衡充電使用。

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Charge equalization system for space battery controlled by logistic program

To maximize performance and reliability,the individual space battery energy in a series connected pack must be fairly uniform.Based on the analysis and compare of several equalization circuits,a charge equalization system was proposed and simulated by Matlab.This system was consisted of double power supplies and sequential switches controlled by logistic program.The result indicates that the whole system achieves speedy and extendibility.

space battery;charging equalization;sequential switches;logistic program

TM 912

A

1002-087 X(2015)10-2198-03

2015-03-10

傅江太(1989—)，男，湖南省人，碩士生，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制與仿真。導(dǎo)師：廖瑛(1961—)，女，湖南省人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)轱w行器系統(tǒng)建模、控制與仿真，飛行器系統(tǒng)測(cè)試與故障診斷。