編程邏輯控制的空間蓄電池組均衡充電系統(tǒng)

傅江太，廖 瑛,2

(1.湘潭大學信息工程學院，湖南湘潭411100；2.國防科技大學航天科學與工程學院，湖南長沙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.湘潭大學信息工程學院，湖南湘潭411100；2.國防科技大學航天科學與工程學院，湖南長沙410073)

串聯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。通過對幾種主要均衡充電方法的優(yōu)缺點進行分析比較，設計了一種雙電源結構，采用可編程邏輯控制的順序開關均衡充電系統(tǒng)，并使用Matlab對該方法進行了仿真，對其均衡效果進行了分析。研究結果表明：該均衡充電系統(tǒng)具有均衡速度快，可擴展性強的優(yōu)點。

空間蓄電池組；均衡充電；順序開關；編程邏輯

電池串聯成組使用時，其許多指標都不能達到標稱值，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不利因素，這就需要對電池組進行均衡控制?？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，要求設計的充電電路結構簡單，能量損耗少，且時效性好，所以對空間蓄電池組均衡充電技術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單，但是效果不佳，而且峰值熱功耗相當大；電容電感能量傳輸均衡法最大優(yōu)點是能源浪費極低，缺點是電路復雜，參數選取比較困難，而且研制周期過長[1-3]；降壓型變換器均衡法具有反應速度快，充電電壓、電流基本一致等優(yōu)點，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為是效果非常好的方案，但是其電路相當復雜[5]。本文在總結各種蓄電池均衡充電和超級電容器均衡充電方法的基礎上[6-7]，結合空間蓄電池組充放電特點和航天器電源設計要求，設計了一種可靠性高、均衡效果好、相對功耗較低的編程邏輯控制的雙電源結構均衡充電系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設計方案

該系統(tǒng)由恒流充電主電路和均衡充電電路兩部分組成。恒流充電主電路對整個串聯蓄電池組進行恒流充電。DC/DC變換器對太陽電池陣輸出的電流進行整流變換，得到可調節(jié)的恒定直流電源。均衡電路對蓄電池組中的單體電池進行均衡充電，由DC/DC變換器對太陽電池陣進行整流后得到一個可調節(jié)的均衡電源，通過編程邏輯控制開關切換網絡對需要均衡充電的蓄電池單體進行均衡充電。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節(jié)PWM控制的整流電路[8-10]，其電路設計原理如圖2所示，根據已測得的蓄電池電流與參考電流ref進行比較，其差值送誤差放大器進行放大，在誤差放大器中進行自適應PI調節(jié)后，經過PWM驅動電路調節(jié)產生可調節(jié)的脈沖波形，從而控制開關的通斷時間，即調節(jié)開關的占空比，最后使輸出電流穩(wěn)定在設置的恒定電流附近。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，所有蓄電池和開關都標有相應的序號。電路充電開始后，主電路進行恒流充電，同時，電壓檢測器對所有蓄電池電壓依次進行檢測提取，并將所有電壓數據送編程邏輯控制器進行處理。當某個蓄電池單體電壓達到充電終止電壓時，則編程邏輯控制器發(fā)出充電終止信號，系統(tǒng)斷開所有開關，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。如果電壓最小值蓄電池是前一次檢測時的蓄電池，則開關驅動器保持原狀態(tài)，經過一個延時進行下一次電壓檢測；否則根據編程控制器輸出的新驅動信號切換開關通斷的序號，直到蓄電池的電壓中有達到充電終止電壓。

圖3 均衡電路原理圖

圖4 均衡電路工作流程圖

圖5為開關切換電流圖，圖a和圖b分別為檢測到V1和V2為最小電壓蓄電池單體時的電流流向圖。圖a中，開關Q1，Q3閉合，其余開關斷開，均衡電源V ，Q1，V1，Q3組成閉合回路對蓄電池V1進行均衡充電。圖b中開關Q2，Q5閉合，其余開關斷開，均衡電源V ，Q2，V2，Q5組成閉合回路對蓄電池V2進行均衡充電。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，太陽電池陣產生的電流經過恒流變換器CC1后產生可調節(jié)的恒定直流給蓄電池組充電。在本設計中航空蓄電池模型采用某航空設計院根據實體蓄電池特性設計的仿真模型，它能很好地仿真航空蓄電池的充放電特性。對5節(jié)空間蓄電池設置不同特性參數和初始狀態(tài)。蓄電池充放電特性曲線經過輸出B-F傳輸到顯示器。蓄電池電壓經過電壓檢測器VM測量，電壓數據依次傳輸到編程邏輯控制器進行比較運算。產生控制信號G-P，控制信號經過延時處理后，通過控制蓄電池上串聯的開關Mosfet0-9控制均衡充電的蓄電池。當蓄電池電壓達到終止電壓時，開關Mosfet10關斷，充電結束。

圖6 系統(tǒng)仿真電路圖

圖7 仿真結果圖

3 實驗結果分析

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，蓄電池5的充電曲線斜率最大，充電速度最快，在0.7 ks時，蓄電池5和蓄電池4的電壓達到一致，兩個電池以高于其他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較小的范圍內繼續(xù)充電。蓄電池組中各單體充電電壓隨充電時間的延長電壓差越來越小，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 均衡充電電路設計注意事項

由于航空蓄電池的溫度或者氣壓對電池的充放電影響很大，所以對蓄電池的充電電流需要嚴格控制，并且充電終止電壓也需要根據實際環(huán)境實時控制。

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減小。

考慮到開關的運行過程中可能產生的異常和損壞，一般對開關做冗余處理。

5 結論

蓄電池組均衡充電系統(tǒng)仿真實驗驗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可以快速對電壓低的蓄電池單體進行均衡充電，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，主要研究方向為計算機控制與仿真。導師：廖瑛(1961—)，女，湖南省人，教授，博士生導師，主要研究方向為飛行器系統(tǒng)建模、控制與仿真，飛行器系統(tǒng)測試與故障診斷。