航天器多功能结构锂电池系统电源管理单元技术方案

本发明专利技术涉及一种航天器多功能结构锂电池系统电源管理单元，提供锂电池充放电控制和电信号检测调理功能。所述电源管理单元包括：加断电控制与遥测模块、利用卫星一次电源向锂电池组进行充电控制的电池充电调节器模块、利用外部放电负载对锂电池组进行恒流放电控制的电池放电调节器模块、以及主要用于监控充放电过程中电流/电压的检测调理模块。本发明专利技术通过系统级和器件级的可靠性设计保证单机高可靠性；通过屏蔽、滤波和滤波器设计，实现良好的电磁兼容性能；通过温度补偿电路实现良好的温漂控制，提高控制与检测精度。本发明专利技术体积小、功耗低、可靠性强，解决了电源管理设备在充放电控制和检测调理时面临的精度控制要求高、温漂控制困难的问题。

【技术实现步骤摘要】
航天器多功能结构锂电池系统电源管理单元
本专利技术属于航天结构和电源
，具体涉及一种航天器多功能结构锂电池系统电源管理单元。
技术介绍
随着航天技术的发展，高轨道、高价值、长寿命的大型航天器对产品轻量化提出了明确而迫切的需求。多功能结构技术将数据处理、热控、辐射防护、推进、发电和蓄电等功能、分系统或独立单元与航天器结构平台有机融合在一起，可以实现结构、功能与材料一体化成型，消除传统航天器大量冗余重量和体积，实现结构的轻量化。在航天器众多的分系统中，电源分系统(其中蓄电池部分是电源分系统的主要组成部分)和结构分系统是航天器质量和空间占比最大的分系统之一。航天器多功能结构锂电池系统采用国防科学技术大学新研究的多功能结构锂电池技术，结合先进的结构减振技术、复合材料/固态锂离子电池制备技术，将锂离子蓄电池组与结构分系统进行一体化融合设计，实现了结构与电源的高度融合，可以有效减轻航天器平台重量和体积，大大提高航天器的有效载荷比，延长航天器寿命，增加大型航天器的有效空间。为了使航天器多功能结构锂电池系统的电源功能正常实现，需要对其进行充放电控制、主备电源切换控制与检测调理。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种航天器多功能结构锂电池系统电源管理单元，为航天器多功能结构锂电池系统进行充放电控制、主备电源切换控制与电信号检测调理。具体技术方案如下：一种航天器多功能结构锂电池系统电源管理单元(BatteryManagementUnit，简称BMU)，包括加断电控制与遥测模块、电池充电调节器模块(BatteryChargingRegulator，简称BCR)、电池放电调节器模块(BatteryDischargingRegulator，简称BDR)和检测调理模块，所述电池充电调节器模块、电池放电调节器模块和检测调理模块3个功能模块均自带辅助电源(AccessoryPowerSupply，简称APS)，为内部电路供电。所述加断电控制与遥测模块的输入端分别连接卫星一次电源接口和卫星测控接口，输出端分别连接到电池充电调节器模块、电池放电调节器模块、检测调理模块和外部卫星测控接口，以实现电池充电调节器模块、电池放电调节器模块和检测调理模块的加断电控制和加断电状态遥测输出功能；所述电池充电调节器模块的输入端连接到加断电控制与遥测模块，输出端则分别连接到检测调理模块和外部锂电池组，实现卫星一次电源向锂电池组的充电控制；所述电池放电调节器模块的输入端连接外部锂电池组，输出端分别连接到外部放电负载和内部检测调理模块，对锂电池组进行恒流放电控制；所述检测调理模块对充放电过程中的电流和电压进行监控，并输出检测信号到外部信号采集接口。进一步地，所述加断电控制与遥测模块、电池充电调节器模块、电池放电调节器模块和检测调理模块采用备份冗余设计，备份结构与原结构的组成原理及连接方式均相同。进一步地，所述航天器多功能结构锂电池系统电源管理单元在关键电路的电容、电阻元器件在各模块结构中均采用冗余备份设计。进一步地，所述电池充电调节器模块采用双PI环控制电路分别实现恒流充电和恒压充电的控制，并驱动双管隔离驱动电路的主功率MOSFET开关工作。进一步地，所述电池充电调节器模块(BCR)由主功率电路、电流采样电路、充电控制与驱动电路、充电保护电路和APS供电电路组成。主功率电路输入端连接卫星一次电源，并受到充电控制与驱动电路输出的控制信号控制，输出端则连接到电流采样电路；电流采样电路采样经过的充电电流值，并分3路输出：1路送到内部的充电控制与驱动电路，实现电流的反馈控制；1路送到输出过流保护电路，参与过流保护操作；1路送到检测调理模块，用于信号的调理操作。所述充电控制与驱动电路输入的信号包括3路：电流采样电路输出的电流信号、电池总电压参考信号和充电电流参考信号，三种信号一起驱动PWM控制芯片工作，最终控制主功率电路进行充电操作。辅助电源(APS)供电电路输入卫星一次电源，输出的二次电源供电池充电调节器模块(BCR)内部各功能电路使用。进一步地，所述电流采样电路采用电流镜采样电路，在电流镜内部加入了恒流二极管控制电路。进一步地，所述电池充电调节器模块的输出侧设置了两个二极管串联的短路保护电路。进一步地，所述充电保护电路中过流保护值设置为2.8A±0.2A。进一步地，所述充电保护电路中过压保护值设置为92.4V。进一步地，所述电池放电调节器模块(BDR)包含电流采样电路、放电控制电路、放电保护电路和辅助电源(APS)供电电路，其中放电保护电路直接连接外部锂电池组，并依据检测到的电压和放电电流信号控制放电通道的通断，实现过放和过流保护；电流采样电路采样放电电流值，并分3路输出：1路送到放电保护电路中，用作过流保护输入电压；1路送至放电控制电路中，用于恒流放电控制；1路送到检测调理模块中，用于后期调理处理；放电控制电路输入电流采样值，用于控制放电主拓扑，将放电电流输出到外部放电负载加以消耗，实现外部锂电池组恒流放电；APS供电电路输入卫星一次电源，输出的二次电源供BDR内部各功能电路使用。进一步地，所述电池放电调节器模块在输入电流为9A±1A时启动保护，关闭放电输出通道。所述放电保护电路设定保护值为61.6V，当电池端电压低于61.6V时启动保护，关闭放电输出通道。进一步地，所述电池放电调节器模块在放电输出端连接了一个功率二极管组成的保护电路，可实现主份/备份电池放电调节器模块相互电气隔离的条件下共用同一个放电负载。进一步地，所述检测调理模块采用补偿电阻和电阻分压网络设计，减小测量电路对电池电量均衡的影响。进一步地，所述检测调理模块包含电流采样电路、单体电池电压检测电路、总电压检测电路、中值电压检测电路和APS供电电路。电流采样电路直接测量外部锂电池组的充放电电流值；3种电压检测电路的输入端均直接连接外部锂电池组的电压输出端，检测调理后的信号输出到外部的信号采集接口中。APS供电电路输入卫星一次电源，输出的二次电源供检测调理模块内部各功能电路使用。本专利技术中利用外部卫星一次电源为所述航天器多功能结构锂电池系统电源管理单元供电；利用外部卫星测控接口向本专利技术发出充放电控制遥控指令，并接收返回的遥测信号；利用外部信号采集接口采集本专利技术输出的电压/电流参数；利用外部放电负载消耗BDR输出的电能。采用本专利技术获得的有益效果：本专利技术用于航天器多功能结构锂电池系统的锂电池组的充放电控制和主备电源切换控制，并提供电池组状态检测与调理功能。本专利技术为提高产品安全性和可靠性，在电路结构设计和详细设计上均采用了大量物理冗余备份设计，结合模块化设计技术，将电路之间的耦合和串扰减少到最小，同时大大降低产品失效的可能性；本专利技术产品体积小，功耗低，充放电控制和参数检测精度高，可满足航天应用要求。附图说明图1为本专利技术的组成原理示意框图；图2为电池充电调节器模块(BCR)的原理框图；图3为电池放电调节器模块(BDR)的原理框图；图4为检测调理模块电路原理框图；图5为单体电池电压采样电路图；图6为辅助电源APS的PWM控制驱动电路图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细描述。本专利技术所述的航天器多功能结构锂电池系统电源管理单元是航天器多功能结构锂电池系统的重要组成之一，其组成结构示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航天器多功能结构锂电池系统电源管理单元，其特征在于：主要包括加断电控制与遥测模块、电池充电调节器模块、电池放电调节器模块和检测调理模块，具有锂电池组充放电控制功能和电池信号检测调理功能。

【技术特征摘要】
1.一种航天器多功能结构锂电池系统电源管理单元，其特征在于：主要包括加断电控制与遥测模块、电池充电调节器模块、电池放电调节器模块和检测调理模块，具有锂电池组充放电控制功能和电池信号检测调理功能，所述加断电控制与遥测模块的输入端分别连接卫星一次电源接口和卫星测控接口，输出端分别连接到电池充电调节器模块、电池放电调节器模块、检测调理模块和外部卫星测控接口，以实现电池充电调节器模块、电池放电调节器模块和检测调理模块的加断电控制和加断电状态遥测输出功能；所述电池充电调节器模块的输入端连接到加断电控制与遥测模块，输出端则分别连接到检测调理模块和外部锂电池组，实现卫星一次电源向锂电池组的充电控制；所述电池放电调节器模块的输入端连接外部锂电池组，输出端分别连接到外部放电负载和检测调理模块，对锂电池组进行恒流放电控制；所述检测调理模块对充放电过程中的电流和电压进行监控，并输出检测信号到外部信号采集接口。2.根据权利要求1所述的一种航天器多功能结构锂电池系统电源管理单元，其特征在于：所述加断电控制与遥测模块、电池充电调节器模块、电池放电调节器模块、检测调理模块均设计有备份结构，备份结构与原结构的组成及连接方式相同；所述航天器多功能结构锂电池系统电源管理单元在关键电路的电容、电阻元器件在各模块结构中均采用冗余备份设计；在所述电池充电调节器模块、电池放电调节器模块和检测调理模块中分别单独设置辅助电源，为相应模块提供工作电源。3.根据权利要求1所述的一种航天器多功能结构锂电池系统电源管理单元，其特征在于：所述电池充电调节器模块由主功率电路、电流采样电路、充电控制与驱动电路、充电保护电路和辅助电源供电电路组成；所述主功率电路输入端连接卫星一次电源，并受到充电控制与驱动电路输出的控制信号控制，输出端则连接到电流采样电路；电流采样电路采样经过的充电电流值，并分3路输出：1路送到内部的充电控制与驱动电路，实现电流的反馈控制；1路送到输出过流保护电路，参与过流保护操作；1路送到检测调理模块，用于信号的调理操作；所述充电控制与驱动电路输入的信号包括3路：电流采样电路输出的电流信号、电池总电压参考信号和充电电流参考信号，三种信号一起驱动PWM控制芯片工作，最终控制主功率电路进行充电操作；辅助电源...

【专利技术属性】
技术研发人员：李德湛，吴军，刘涛，李东旭，李继才，范才智，张贤涛，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43