航天鋰離子電池均衡充電技術(shù)綜述

　　鋰離子電池代表了航天器儲能設(shè)備的發(fā)展方向，是航天器的第三代儲能器。它具有輕重量、體積小、無記憶效應(yīng)、適應(yīng)溫度廣等優(yōu)點，是目前主流應(yīng)用的鎘鎳、氫鎳電池的替代產(chǎn)品。航天用鋰離子電池的能重比為90～110Wh/kg，相對于氫鎳電池45～60Wh/kg的指標(biāo)，優(yōu)勢明顯。但鋰離子電池的電化學(xué)特性要求充電過程必須嚴(yán)格控制，因此，要設(shè)計專門的充電管理電路來控制航天器鋰離子電池的充電過程。

　　鋰離子電池充電關(guān)鍵技術(shù)

　　用鋰離子電池替代鎘鎳、氫鎳電池不能套用簡單的“即插即用”方式，這是因為鋰離子電池與鎘鎳、氫鎳電池有一個最大的不同點：鋰離子電池嚴(yán)禁過充電。因此，必須結(jié)合鋰離子電池特性設(shè)計新的充電管理電路。鋰離子電池充電管理電路的關(guān)鍵點（與鎘鎳、氫鎳電池充電管理電路主要不同點）主要包括兩方面：充電方式和均衡充電。

　　在工程應(yīng)用中，鋰離子電池單體或由單電池并聯(lián)組成的電池模塊必然要串聯(lián)成電池組，故必須考慮充電過程中各電池單體或電池模塊的失衡現(xiàn)象，而且隨著時間的推移，這種失衡現(xiàn)象會愈加嚴(yán)重，嚴(yán)重影響電池壽命和可靠性，因此均衡充電也是鋰離子充電的關(guān)鍵技術(shù)。

　　1 恒流-恒壓（TAPER）型充電控制

　　在采用鎘鎳、氫鎳電池的衛(wèi)星電源系統(tǒng)中，基本上都采用恒流充電方式，當(dāng)達(dá)到V-T曲線、電子電量、壓力、第三電極等控制方式的控制點時停止充電，完成一個充電過程。鋰離子電池不適合采用這些充電控制方式，因為這些充電方式不能保證鋰離子電池的充電終壓始終限定在規(guī)定的范圍內(nèi)，即使充電終壓有保證，往往是到達(dá)充電終壓后立即停止充電，而鋰離子電池在到達(dá)充電終壓后仍然需要補充30%左右的電量。從鋰離子電池多年發(fā)展來看，恒流-恒壓充電控制是最普遍、最適合采用的充電控制方式。在此方式下，充電器首先對鋰離子電池進(jìn)行恒定電流充電，這時電池電壓逐漸抬高，當(dāng)電池電壓達(dá)到設(shè)定值時進(jìn)行恒定電壓充電，這時充電電流近似指數(shù)規(guī)律減小，所以這種充電方式也稱為TAPER型充電控制。

　　圖1 旁路式鋰離子電池充電控制電路

　　2 均衡充電技術(shù)

　　航天用鋰離子電池必須采用均衡充電技術(shù)，這種觀點在國內(nèi)外已經(jīng)得到完全認(rèn)同。均衡充電技術(shù)主要解決鋰離子電池單體長期充電過程中的電化學(xué)特性偏差現(xiàn)象，因此均衡充電方式的優(yōu)劣需要一定的時間、資金、人力投入才能得到有效驗證。

　　鋰離子電池均衡充電在民用產(chǎn)品中還沒有得到廣泛重視和應(yīng)用，因為多節(jié)單電池串聯(lián)的應(yīng)用較少，可靠性、壽命要求不高。在電動車鋰離子電池系統(tǒng)中，單電池串聯(lián)的節(jié)數(shù)較多，已經(jīng)采用均衡充電技術(shù)，一般是采用單片機(jī)系統(tǒng)控制并在單電池上的分流電阻上實行通斷，從而控制單電池的充電量。這種方法控制復(fù)雜、效率低、熱耗大、均衡時間長，在早期的航天產(chǎn)品方案中移植了這種方法，現(xiàn)在國內(nèi)外的技術(shù)人員正在探討更加理想方案。

　　均衡充電的意義就是使鋰離子電池單體電壓偏差保持在預(yù)期的范圍內(nèi)，從而保證每個單電池在衛(wèi)星壽命期間不受到過應(yīng)力沖擊而發(fā)生損壞。若不進(jìn)行均衡充電控制，隨著充放電循環(huán)的增加，各單電池電壓逐漸分化。

　　一般情況下，充電時鋰離子電池單體電壓的偏差在50mV之內(nèi)是完全可以接受的。我們可以認(rèn)為造成偏差的主要原因是單電池充電效率、自放電率存在差異。另一方面，單電池中的測量電路電流消耗的影響也必須認(rèn)真考慮，有時測量電路消耗的電流已經(jīng)達(dá)到電池自放電電流的量級。在做鋰離子電池壽命實驗時，有的技術(shù)人員反映串聯(lián)電池組的第一只或最后一只常常最先損壞，這往往是由于測量電路消耗造成的。

　　充電控制電路

　　1 旁路式充電控制

　　如圖1所示，光照期太陽電池充電陣通過二極管直接給鋰離子蓄電池組充電，蓄電池組的每只電池都設(shè)置了充電旁路電路。當(dāng)某一單電池的電壓到達(dá)設(shè)定值時，充電旁路電路中的功率三極管開始導(dǎo)通，分流掉部分充電電流，保持該單電池電壓恒定在很窄的一個范圍內(nèi)。蓄電池的特性決定了充電電流逐漸減?。ń浦笖?shù)規(guī)律），直至光照期結(jié)束。這種充電方法能夠保證每只單電池均衡充電，但旁路電路功耗較大，充電電流很難測量。

　　2 分流式充電控制

　　單電池循檢電路分別采樣各個電池電壓，經(jīng)過或門電路取出單電池電壓最大值，在信號變換電路中與基準(zhǔn)信號進(jìn)行比較產(chǎn)生誤差信號，誤差信號送入分流調(diào)節(jié)器電路，控制鋰離子蓄電池組中的單體電壓。任一只電池電壓到達(dá)設(shè)定值時，蓄電池組的平均充電電流逐漸減小。若采用開關(guān)型分流調(diào)節(jié)器，則在單體恒壓充電時，充電電流是脈動的，所以采用這種充電控制方法需要鋰離子蓄電池組能夠適應(yīng)脈動充電電流。

　　主誤差放大器（MEA）采樣母線電壓信號，產(chǎn)生誤差信號后送到分流調(diào)節(jié)器。也就是說，分流調(diào)節(jié)器同時受母線電壓和蓄電池單電池電壓控制。分流式鋰離子電池充電控制電路如圖2所示。

　　圖2 分流式鋰離子電池充電控制電路

　　3 分段式充電控制

　　單電池循檢比較電路采樣單電池電壓，任何一只單電池電壓超過設(shè)定值，或門電路就會產(chǎn)生個一過壓信號，通過鎖定電路斷開一路充電陣，使得充電電流減小1/3，當(dāng)再次產(chǎn)生一個過壓信號時關(guān)掉第二個充電陣，直至關(guān)掉最后一個充電陣。當(dāng)脈沖負(fù)載來臨或者進(jìn)入地影期時，解鎖電路產(chǎn)生解鎖信號，使得充電控制電路能夠進(jìn)行下一個充電過程。很顯然，當(dāng)恒壓充電時，充電電流不是近似指數(shù)規(guī)律，而是階梯型逐級遞減。分段式鋰離子電池充電控制電路見圖3。

　　圖3 分段式鋰離子電池充電控制電路

　　4 單電池峰值電壓限制型線性充電控制

　　單電池循檢電路分別采樣各個單電池電壓，經(jīng)過或門電路取出單電池電壓最大值，經(jīng)過信號變換電路送入限壓控制電路，限壓控制電路通過動態(tài)調(diào)整功率管的阻抗控制鋰離子蓄電池組中的單電池電壓。當(dāng)任一只單電池電壓都未到達(dá)設(shè)定值時，太陽電池陣以相對穩(wěn)定的電流通過限壓控制電路中的功率管對鋰離子蓄電池組充電，功率管的阻抗接近于零；當(dāng)任一只單電池電壓到達(dá)設(shè)定值時，功率管的阻抗逐漸增大，蓄電池組的充電電流逐漸減小，充電電流減小的規(guī)律由鋰離子蓄電池組的特性決定（近似指數(shù)規(guī)律）。這種電路的優(yōu)點是充電恒壓階段充電電流連續(xù)減小，基本上是指數(shù)規(guī)律，較適應(yīng)鋰離子蓄電池的充電習(xí)慣，充電電路的功耗也不大。單電池峰值電壓限制型線性充電控制電路如圖4所示。

　　圖4 單電池峰值電壓限制型線性充電控制電路

　　幾種均衡充電技術(shù)

　　1 恒定分流電阻均衡充電

　　電阻分流均衡充電原理如圖5所示。

　　圖5 恒定分流電阻均衡充電原理

　　每個鋰離子電池單體上都并聯(lián)一個分流電阻。從電路中可以看出，電阻上的分流電流必須遠(yuǎn)大于電池的自放電電流，才能達(dá)到均衡充電的效果。一般鋰離子電池的自放電電流為C/20000左右，所以流過分流電阻上的電流取C/200是比較合適的。

　　另外，每個分流電阻的偏差也是影響均衡效果的重要因素。經(jīng)過一定次數(shù)的充放電循環(huán)后，單電池的偏差可以用下面的公式確定：

　　V電池電壓偏差=R分流×I自放電＋2×V單電池×K電阻偏差

　　若分流電阻取20Ω±0.05%，則電池電壓偏差能夠控制在50mV范圍內(nèi)。每個電阻的平均功率為0.72W，但是無論電池充電過程還是電池放電過程，分流電阻始終消耗功率。

　　2 通斷分流電阻均衡充電

　　通斷分流電阻均衡充電原理如圖6所示。

　　圖6通斷分流電阻均衡充電原理

　　通斷分流電阻均衡充電與電阻分流均衡充電的區(qū)別就是增加了一個通斷開關(guān)，這個開關(guān)的控制可以由單片機(jī)系統(tǒng)軟件來實現(xiàn)，也可以通過簡單的邏輯電路來實現(xiàn)。采用這種控制方式的均衡電路只在TAPER充電的恒壓充電段工作，其他時間通斷開關(guān)始終斷開，這樣需要電池組放電時，分流電阻不消耗寶貴的能量。在光照期，太陽電池發(fā)電功率是有富余的，這時均衡電路消耗一定的能量對于電源系統(tǒng)來說具有一定的合理性。在LEO軌道，這種均衡電路的工作時間只占10%左右，所以要達(dá)到上面論述的均衡效果，電阻值需減小10倍，可見峰值熱功耗是相當(dāng)大的，這是這種電路的主要缺點。另外，通斷開關(guān)的實效是致命故障，所以必須采用冗余手段。

　　3 開關(guān)電容均衡充電

　　圖7 開關(guān)電容均衡充電原理

　　開關(guān)電容均衡充電原理如圖7所示，從圖中可以看出，順序開關(guān)驅(qū)動電路主要由時鐘電路構(gòu)成，它驅(qū)動多路開關(guān)順序閉合，順序把鋰離子電池單體接入傳送電容器，通過傳送單電池之間的不平衡能量，達(dá)到均衡充電的目的。同時，通過測量傳送電容器上的電壓來監(jiān)測各個單電池的電壓。若某個單電池發(fā)生短路故障，低電壓比較器輸出開關(guān)禁止信號，禁止短路的單電池接入傳送電容器，防止影響其他單電池的正常工作，同時給恒流恒壓變換器送入電池低電壓報警信號，使恒流恒壓變換器根據(jù)。