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航天锂电池电源管理设计

随着人类科技的发展，航天已经成为当今世界最具挑战性的高科

技领域之一。当前，电子器件产品的更新换代仍然跟随摩尔定律高速

发展，飞行器的功能、性能不断多样化的同时，向航天电源产品提出

了更高的要求，其中包括更大的能源储备、更强的瞬时功率输出、更

长的使用时间。目前，第一代储能电池以镉镍蓄电池及镍氢电池作为

航天电源中储能产品，而随着飞行器用电需求的增加，放电深度的不

断增加，严重影响了电池产品的使用寿命。因此，我们开始寻求新的

储能电池，在此大环境中，第二代电池产品锂电池开始进入航天电源

产品，逐渐替代第一代电池产品作为航天器的电源储能产品，解决了

航天电源中的能源短板，使得飞行器能具有更多的发展空间。

1.1航天电池

由于航天器需求的高速发展，要求储能电源具有很高的性能，即

具有高能量密度、高功率密度、长寿命、宽工作温度范围、高安全性

与可靠性等特征，现有的第一代电池很难在性能上取得更多的突破，

而新一代储能电源锂离子电池相较于第一代储能电池相比，锂离子电

池具有如下特点：

（1）单体电池工作电压高达3.7V，是镉镍电池的3倍，镍氢电

池的3倍；

（2）比能量大，最高可达150Wh/Kg，镍氢电池的2倍。

（3）体积小，能量密度高，可达到400Wh/L。

（4）循环寿命长，循环次数可达1000次以上，在均衡充放电的

情况下，使用年限可达5～10年，寿命约为镉镍电池的2倍。

（5）自放电率低。

（6）无记忆效应，可以随时随地的进行充电，并且电池充放电

深度对电池的寿命影响不大，可以全充全放。

2.航天器锂电池管理控制系统

2.1航天电池管理需求

根据卫星用电需求、轨道环境等要求对锂电池的串并联数进行设

计，因此对多个串并联组合的锂电池均衡管理成为一个设计难题。电

池管理系统主要负责控制电池组的充放电电流，电池组系统的基本功

能主要有：

（1）电池数据采集；

（2）电池状态监控；

（3）电池安全管理；

（4）电池均衡管理；

（5）通信功能；

因此，通过硬件对蓄电池数据进行采集后，由软件实现逻辑管理

的方法在设计上能使得产品设计更为简化和可靠。

2.2航天电池均衡管理软件设计

2.2.1电池管理软件介绍

数据采集与均衡控制任务是电池管理系统中优先级最高的任务，

也是系统中运行频率最高的任务，正确的数据采集是电池管理系统正

常运行的前提和基础。由于电压、电流和温度的数据采样频率都不同，

為了同时进行电压、电流和温度的采集，程序中设计了一个全局的计

数器，每采样一次电流值该计数器的值加1，当计数值达到电压采样

周期时进行一次电压采样，达到温度采样周期时进行一次温度采样。

这里所指的达到采样周期指的是计数值满足采样周期的整数倍，例如

对于周期为50us的电流采样和周期就为lms的电压采样，计数值取

20的整数倍。通过采集所得单体电压、单体电流及电池块温度数据，

对各单体SOC值进行计算，获得各单体SOC值，然后通过各单体

SOC值进行比较处理，送出相应的控制信号控制均衡执行电路对各单

体电池进行SOC均衡。

由于航天产品中对产品可靠性的要求，因此在管理系统中需要设

置安全保护电路，通过对安全数据参数的判断，控制单体充放电回路，

从而避免电池过充或过放，起到保护电池单体延长电池使用寿命的作

用。

2.2.2采样数据管理设计

作为锂电池均衡管理，控制系统的很多控制命令都依赖于电池的

SOC情况，因此，我们需要对各单体的SOC值进行估算。根据锂电

池的单体特性，可采用两种手段相结合的方法对单体的SOC值进行

估算，即电压查表法与电流积分法。首先，通过对单体电池的静态电

压进行采集，将采集的数据与数据库中的电压-电量关系获得各单体

的SOC初始值，然后通过使用过程中的电流积分算法进行计算，从

而获得当前各电池单体的SOC值。为确保数据的有效性，可设置锂

电池的正常工作电压范围以及充电/放电工作工况作为基准范围，若

采集所得数据超出范围，默认数据采集错误，重新进行数据采集。

2.2.3均衡逻辑判断管理设计

经过采样数据管理后获得锂电池组中各单体电池的SOC值，将