基于立方星的電池管理模塊設計

徐拓奇，劉義，賀樂和

（長沙天儀空間科技研究院有限公司，長沙 410000）

立方星是國際上廣泛用于大學開展航天科學研究與教育的一種小衛(wèi)星。最早是由美國國防先進研究計劃局（DARPA）及多所美國大學負責研制并制定相應標準。立方星，顧名思義，是如同一個立方體一樣的衛(wèi)星，它是以10 cm×10 cm×10 cm為最小的單位1 U，常見的立方星有2 U（10 cm×10 cm×20 cm）、3 U（10 cm×10 cm×30 cm）和 6 U（20 cm×10 cm×30 cm）。一般來說，具有一定功能的立方星多為6 U立方星[1-2]。

立方星相比于傳統(tǒng)大型衛(wèi)星，具有成本低、功能密度大、研制周期短、入軌快的特點，通過多顆衛(wèi)星組網(wǎng)形成星座，可實現(xiàn)對海洋、大氣環(huán)境、船舶、航空飛行器等的監(jiān)測[3-4]。也可應用于空間成像、通信、大氣研究、生物學研究、新技術試驗平臺等方面[5-6]，具體實物圖如圖1所示。

圖1 6 U立方星實物圖

立方星的設計理念與傳統(tǒng)長壽命大型衛(wèi)星略有不同[7-9]。首先，立方星的各個電路單板都要限制在10 cm×10 cm的格子內，對設備的體積和重量要求更加苛刻；其次，立方星為了節(jié)約成本和降低質量與體積，簡化了冗余備份設計；第三，由于立方星設計壽命與傳統(tǒng)大衛(wèi)星相比相對較短，所以一般使用經過篩選的工業(yè)級器件。因此立方星的單機設計既要保證設備的可靠性，同時還不能過度使用冗余備份技術。

衛(wèi)星電源系統(tǒng)是衛(wèi)星平臺最核心的系統(tǒng)之一，衛(wèi)星電源系統(tǒng)就如同衛(wèi)星的心臟，每時每刻都在為星上各個設備提供能源供給[10]。傳統(tǒng)的衛(wèi)星電源系統(tǒng)由太陽能電池陣、蓄電池組和電源控制器三部分組成，各個部分獨立工作。

衛(wèi)星在光照區(qū)內，太陽電池陣通過光電效應產生電能為系統(tǒng)供電，同時為蓄電池充電。當衛(wèi)星進入陰影區(qū)內時，蓄電池組放電為整星供電。目前衛(wèi)星大多使用能量密度更高的鋰離子蓄電池作為儲能元件。鋰離子蓄電池在工作過程中需要監(jiān)視各個單體的電壓變化情況，防止出現(xiàn)單節(jié)電池的過充、過放、電池充電不均衡等現(xiàn)象，造成鋰離子蓄電池組失效現(xiàn)象。

立方星大多作為搭載衛(wèi)星被安裝在火箭上，立方星都是利用運載火箭運送完主星后所剩余的有限的空間和有限的搭載質量進行搭載運輸，因而立方星受限于體積和重量限制。為了降低體積和重力，立方星將蓄電池組和與其相關的控制與保護電路合二為一，組合電池管理模塊，實現(xiàn)對蓄電池組狀態(tài)信息的采集、電池均衡控制和電池的故障隔離、主動熱控等功能。

1 電池管理模塊的總體設計

1.1 電池管理模塊設計要求

為了保證電池管理模塊的性能要求滿足總體要求，需要在電池管理模塊設計前對其進行定義，具體主要包括以下幾個方面：

（1）小衛(wèi)星采用12～16.4 V不調節(jié)母線結構；

（2）鋰離子電池初始容量不小于8 Ah；

（3）電池采用熱備份方式，兩組蓄電池可獨立工作；

（4）上位機可以通過總線檢測各節(jié)電池的電壓狀態(tài)，并可根據(jù)狀態(tài)進行電池均衡；

（5）蓄電池組內部可實現(xiàn)溫度采集和主動熱控功能；

（6）每組電池電壓均方差不大于0.1。

電池管理模塊主要包括鋰離子蓄電池組、均衡控制電路、蓄電池加熱帶幾個部分。由于CUBESAT衛(wèi)星采用12 V不調節(jié)母線，考慮采用4節(jié)鋰離子電池組串聯(lián)使用。此外，為了提高系統(tǒng)的可靠性，采用2組完全獨立的電池供電。

1.2 電池管理系統(tǒng)總體框架

電池管理系統(tǒng)總體框架如圖2所示，整個系統(tǒng)包括兩組完全獨立的鋰離子蓄電池組、兩組完全獨立的均衡控制電路、兩組完全獨立的信號采集電路、兩組完全獨立的放電開關電路、加熱帶及其驅動電路和外圍接口電路。

圖2 電池管理系統(tǒng)總體框圖

接口電路與上位機電腦相連，上位機通過I2C總線讀取兩組電池的信息，通過總線控制電流均衡電路工作，通過I/O口控制加熱帶工作。當上位機檢測到某節(jié)電池已經不能正常工作時，關閉放電開關電路，此時該組鋰離子蓄電池組將不能工作。

1.3 鋰離子電池單體

CUBESAT小衛(wèi)星大多采購貨架電池，貨架電池的優(yōu)點是成本低廉，缺點是產品并非為航天設計，所以沒有相應的測試和防護，上天后容易出現(xiàn)故障。為了防止在天上出現(xiàn)意外故障，需要對鋰離子電池進行相應的篩選和測試。經過篩選后將電池分組配對最后組成鋰離子電池組。

傳統(tǒng)CUBEST衛(wèi)星的鋰離子電池組大多采用18650電池作為單體電池，但是受限于衛(wèi)星電池的體積和重量限制，傳統(tǒng)18650電池無法滿足容量和尺寸的要求。

電池管理模塊采用NCR20700B系列鋰離子電池實現(xiàn)電能的存儲，該電池的優(yōu)點是相對電池容量更大，可達到4 000 mA，最大放電電流可達到15 Ah。20700系列電池相比于18650系列電池，體積比容量更大，更利于空間環(huán)境使用，具體如表1所示。

表1 常見電池單體主要參數(shù)比較表

2 電池控制與保護電路設計

電池控制與保護電路是整個設計的核心，它提供電池均衡功能、I2C總線通信功能、模擬信號采集功能、電池放電開關控制功能和加熱帶控制等功能。下面分別介紹各部分功能。

2.1 電池均衡控制電路

電池均衡控制電路采用bq76925電池管理芯片作為核心控制芯片。

它作為主機控制器模擬前端，可以提供3至6節(jié)鋰離子電池的均衡和保護。它可以方便地監(jiān)視單個電池的電壓、組電壓和溫度。這些信息可以被主機用來確定當前電池組是否處于過壓、欠壓過熱和電池不均衡，從而確認當前單體電池工作是否正常。

電池輸入電壓經過電平的轉移后，可以通過復用通道輸出到主機，通過主機的A/D轉化器完成對充放電電流的測試。該芯片內部可以設置兩種不同的增益，以匹配相應的電流，來確保測量數(shù)據(jù)的準確性。

為了使主機能夠進行溫度測量，芯片提供了分開的引腳用于偏置外部電熱調節(jié)器網(wǎng)絡。此輸出的開關由主機控制以消耗最小的能量。

該芯片內部包含一個含動態(tài)可選閾值的比較器以監(jiān)視電流值。當測試的參數(shù)超過閾值時，該芯片將喚醒主機，并將此結果向主機報警，等待主機的進一步處理。

該芯片集成了由主機完全控制的電池平衡FET開關。最高50 mA的均衡電流可通過外部電阻器設定，因此可以最大限度地簡化硬件設計。

主機通過一個I2C總線接口與該芯片通信，實現(xiàn)相關控制，并獲得相關參數(shù)等。

bq76925芯片內部內置有校準參數(shù)設置，通過合理的參數(shù)設置，可以將精度提升至5 mV以內，能夠有效提高系統(tǒng)的控制精度。

bq76925芯片配合電流監(jiān)測電阻，可以實現(xiàn)20 mA以內的充放電電流精度測量。配合故障切換開關可以實現(xiàn)過流檢測與自動故障排除。

本項目使用本芯片主要考慮商業(yè)航天資源有限，使用此款設計可以最大程度地減少體積重量。

在實際設計過程中，通過將VC3、VC4、VC5短路，使該芯片可實現(xiàn)4節(jié)電池均衡控制，這樣可以滿足系統(tǒng)對母線電壓的需求。

因整個系統(tǒng)采用的都是3.3 V供電，因此芯片的外置開關管開關電壓也設置為3.3 V。芯片所提供的VREF為bq76925本身ADC校準用，需要與VCOUT信號（電池電壓讀取）和VIOUT信號（電流讀?。┙拥酵獠康腁DC芯片LTC2991I，由主機主動讀取。具體連接如圖3所示。

圖3 電池均衡控制電路示意圖

2.2 I2C總線控制電路

因設備采用兩組bq76925芯片作為鋰離子電池均衡控制器，兩個芯片默認I2C地址一致。為了實現(xiàn)對兩個bq76925進行訪問，需要對I2C總線進行擴展。設備采用TCA9543芯片進行擴展。

TCA9543是一個雙通道雙向I2C總線控制芯片，該芯片內部有兩個I2C總線通道，用戶可以通過對芯片進行編程，選擇某一個I2C總線作為傳輸?shù)耐ǖ?，從而實現(xiàn)對兩路同一地址的I2C總線分別進行管理。該芯片內部兩個I2C通道各有一個中斷，只要其中一個中斷有效，就將中斷輸出，以保證設備正常工作。

芯片采用低電平復位，當下游任意一個I2C總線失效后，都可以通過低電平復位實現(xiàn)解除當前I2C總線的鎖死狀態(tài)，從而實現(xiàn)該總線的恢復。將芯片引腳RESET拉為低電平或者采用內部上電復位，可以復位I2C狀態(tài)機，并取消選擇兩通道。

芯片采用開關門方式限制VCC端的電壓，從而實現(xiàn)1.8 V、2.5 V和3.3 V芯片與5 V部件進行通信而無需進行額外的保護。外部的上拉電阻將總線上拉到每個通道所需的電壓電平，所有I/O引腳均可以承受5.5 V的電壓。

本系統(tǒng)中，上位機通過I2C接口配置TCA9543（默認地址0×70）的寄存器選通不同的bq76925。同時，電池過流的信息通過外部中斷的方式主動告知主機。具體電路示意圖如圖4所示。

圖4 I2C總線控制電路部分電路示意圖

2.3 模擬量采集控制電路

設備采用LTC2991作為電壓電流量采集芯片。LTC2991是一款用于監(jiān)測溫度、電壓和電流的芯片。通過I2C串行總線傳輸信息。芯片內部可檢測8路電壓，也可以通過差分檢測電壓電流的變化。芯片內部內置一個溫度傳感器，可以檢測到當前環(huán)境溫度的變化情況。

LTC2991是一款高精度溫度傳感器和雙電源監(jiān)控器。它將外部二極管傳感器的溫度或其自身的芯片溫度轉換為模擬輸出電壓，同時消除了由于噪聲和串聯(lián)電阻引起的誤差。將兩個電源電壓和測得的溫度與電阻分壓器設置的上限和下限進行比較。如果超過閾值，則設備會通過拉低相應的漏極開路邏輯輸出來傳達警報。

LTC2991通常在現(xiàn)代數(shù)字設備中內置的NPN或PNP晶體管或溫度二極管提供了±1℃的準確溫度結果。電壓以1.5%的精度進行監(jiān)控。另外，芯片采用1.8 V的參考輸出簡化了閾值編程，并可用作ADC參考輸入。

LTC2991采用緊湊的3 mm×3 mm QFN封裝，為溫度和電壓監(jiān)控提供了一種準確的低功耗解決方案。

主機通過I2C接口讀取LTC2991 ADC芯片的寄存器，可以實現(xiàn)對溫度、蓄電池各節(jié)電壓及電流信息的檢測。

2.4 電池故障切換機制

系統(tǒng)中兩組鋰離子電池采用熱備份的方式工作，為了保證系統(tǒng)的可靠性，當一組鋰離子蓄電池在軌工作過程會出現(xiàn)故障后，需要將存在問題的一組鋰離子蓄電池進行切除。

考慮到鋰離子蓄電池在充電和放電過程中均可能存在失效，但是在充電過程中出現(xiàn)失效后，造成的后果會更嚴重。另外從系統(tǒng)的可實現(xiàn)可靠性和合理性角度考慮，鋰離子電池采用充電切除方式，即如果某鋰離子失效，系統(tǒng)通過控制器切換將不再為該節(jié)鋰離子電池充電。

為了保證系統(tǒng)的可靠性，主機采用兩個位置較遠的GPIO產生一組電池的控制信號。

正常上電后，需要發(fā)指令允許蓄電池充電，控制信號BPX_SWITCH1此時為高電平，此時驅動三極管Q6導通，此時Q4和Q6的控制端為低電平。Q4和Q6為PMOS管，低電平導通，此時如果外部電壓高于蓄電池電壓，蓄電池將被充電。放電方向因本體二極管的作用，是始終導通的，具體如圖5所示。

圖5 電池故障切換部分電路圖

因此，主機需要采用記憶邏輯，每次啟動后都要先打開正常的電池組充電開關。

3 電池篩選設計

為了保證鋰離子蓄電池組上天后能正常工作，需要對電池單體的性能進行篩選。鋰離子電池單體按照1∶5的比例進行采購，采購回來后進行篩選，并將篩選后的電池作為實驗電池使用。

電池的篩選設計在整個設計過程中非常重要，篩選設計需要考慮以下三個方面：

（1）批次篩選。

批次篩選是指在同一批次的電池中隨機抽取5只電池，對各個電池進行多次（50次）0.5C充放電循環(huán)測試，如果發(fā)現(xiàn)5只電池中有至少1只電池容量與平均電池容量比下降了10%以上，則說明該批次電池穩(wěn)定性不好，則不能使用該批次電池進行篩選。

（2）瑕疵剔除。

瑕疵剔除是指剔除在電池單體生產過程中出現(xiàn)的微小瑕疵。這些微小的瑕疵在地面上使用不會產生任何負面影響，但是如果在航天上使用則會影響電池組的正常使用。這些微小瑕疵主要包括外觀瑕疵（如表面有輕微劃傷，表面有多余物等）、機械尺寸瑕疵（電池尺寸不滿足要求）、重量瑕疵（電池重量不能滿足要求）、內阻瑕疵（直流內阻對于每一個電池單體的直流內阻應該小于35 mΩ）、28天荷電保持率（測試電池在充滿后28天，對該單體進行測試，測試該單體電壓保持應達到93%以上）、充放電效率瑕疵（對單體電容進行3次1 C的充電和放電測試，測試后計算充放電效率，效率均應大于98%，則無瑕疵）。

（3）一致性優(yōu)選。

一致性優(yōu)選設計，主要是針對合格電池進行優(yōu)中選優(yōu)。在完成上述測試后的電池進行一致性優(yōu)選。

采用0.2 C充放電倍率對鋰離子電池進行4次充放電測試，取后3次充電容量結果求平均值。然后對各節(jié)電池計算的充電容量平均值排序，取中間測試結果作為可以使用的電池。在確定組合時，盡量選用容量臨近的電池進行組合。

經過篩選和測試后對電池管理系統(tǒng)進行組裝，組裝后具體如圖6所示。

圖6 組裝完成后電池管理系統(tǒng)

4 衛(wèi)星在軌測試數(shù)據(jù)及分析

2019年12月7日16時52分，搭載了小衛(wèi)星電池管理系統(tǒng)的長沙天儀研究院TY18衛(wèi)星使用快舟一號甲運載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。截止到2020年12月8日，衛(wèi)星在軌運行整整一年的時間。通過一年來衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)進行收集整理，篩選衛(wèi)星工作狀態(tài)一致的條件下蓄電池的狀態(tài)，通過這些數(shù)據(jù)可以了解電池工作及運行情況。具體數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

表2 一號組衛(wèi)星電池在軌測試數(shù)據(jù)表

表3 二號組衛(wèi)星電池在軌測試數(shù)據(jù)表

根據(jù)表2和表3所提供的數(shù)據(jù)，可以計算出每組電池中各節(jié)電池的標準差，具體根據(jù)公式（3）計算均值，根據(jù)公式（4）計算組內各個電池電壓的標準差：

計算結果如表4、表5所示。

表4 一號組電池在軌工作標準差表

表5 二號組電池在軌工作標準差表

根據(jù)表2、表3和表4、表5所示，電池在軌測試數(shù)據(jù)可以得到如下結論：

（1）從表4表5中可以看出，從2019年12月9日衛(wèi)星發(fā)射入軌到2020年12月8日，兩組鋰離子電池電壓均值均在4.07 V左右，說明衛(wèi)星電源系統(tǒng)工作良好，能夠為整星提供足夠的能源；

（2）鋰離子電池在衛(wèi)星在軌工作過程中，若出現(xiàn)單組電池故障，系統(tǒng)將切除故障電池以保證安全，而該組電池將永久性失效。從表2至表5的測試數(shù)據(jù)上看，兩組電池均工作正常，因此電池管理模塊在軌工作期間未發(fā)生失效情況，說明電池管理模塊整體上可靠性較高；

（3）從表4和表5的數(shù)據(jù)中可以看到，鋰離子電池組1和電池組2工作一年后，各組電池的均方差均小于0.1，說明各節(jié)電池在電池管理模塊的管理下能夠穩(wěn)定工作，采用電池管理模塊后，電池由于不均衡造成的電壓差，得到了有效抑制，整個電池管理模塊能夠滿足系統(tǒng)設計要求；

（4）根據(jù)表4和表5中電池電壓均方差值變化可以看出，數(shù)值從最初的接近0.006上升到最后的接近0.008。因此可知，隨著衛(wèi)星在軌時間的延長，電池的不均衡性總體趨勢是越來越大的，采用了電池均衡技術可以有效對電池的不均衡進行抑制。

5 結論

本文設計了一套基于立方星的電池管理模塊，可實現(xiàn)CUBESAT小衛(wèi)星采用的12 V不調節(jié)母線結構，上位機可以通過總線檢測各節(jié)電池的電壓狀態(tài)，并可根據(jù)狀態(tài)進行電池均衡。電池組采用熱備份方式，兩組蓄電池可獨立工作，蓄電池組內部可實現(xiàn)溫度采集和主動熱控功能，每組電池電壓均方差不大于0.1 V。通過衛(wèi)星在軌試驗表明，研制的電池管理模塊能夠滿足衛(wèi)星在軌工作的要求，在軌工作狀態(tài)良好。