星載鋰離子蓄電池組單體電壓測量方法研究

贠磊 張巖 程顯富 鄒恒光 曹延哲 張文芳

（1中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

（2空間電源系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)合實驗室，北京 100094）

（3山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺 264670）

星載鋰離子蓄電池組單體電壓測量方法研究

贠磊1，2張巖1，2程顯富3鄒恒光1曹延哲3張文芳1，2

（1中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

（2空間電源系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)合實驗室，北京 100094）

（3山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺 264670）

采用電阻分壓法和運放差分放大法的鋰離子蓄電池組單體電壓測量系統(tǒng)，電壓測量精度不高，并且蓄電池組對測量電路放電會導(dǎo)致單體一致性變差。為此，文章提出了一種適用于星載鋰離子蓄電池組單體電壓的浮地測量方法，將被測試蓄電池組單體電壓進(jìn)行分組，每組具有獨立的測量電路，測量電路通過光耦與主控電路連接。通過仿真分析與測試驗證，證明了浮地測量方法具有較高的測量精度，即使在高低溫工況下，單體電池電壓測量精度優(yōu)于0.005V。此外，提出了采用分時的改進(jìn)設(shè)想，在不影響測量性能的情況下，能夠大大簡化測量電路，降低研制成本及測量系統(tǒng)質(zhì)量，在高壓鋰離子蓄電池組測量領(lǐng)域具有應(yīng)用價值。

星載鋰離子蓄電池組；高壓；電阻分壓；運放差分放大；浮地測量

1 引言

鋰離子電池具有比能量高、充電效率高、自放電小、無記憶效應(yīng)、可并聯(lián)使用等優(yōu)點，可以提高衛(wèi)星平臺的載荷比，降低發(fā)射成本，正成為繼鎘鎳和氫鎳電池之后第3代航天應(yīng)用的儲能電源［1］。然而，鋰離子蓄電池組相對于鎘鎳和氫鎳電池具有不耐過充或過放的特點。過充或過放可能導(dǎo)致蓄電池組性能迅速衰降，失效甚至爆炸，對衛(wèi)星的可靠性和安全性影響巨大，因此蓄電池組管理技術(shù)是星載鋰離子蓄電池組使用的關(guān)鍵。

鋰離子蓄電池組單體電壓用于衡量蓄電池單體的荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）［23］。由于鋰離子蓄電池過充或過放后存在安全性問題，因此在衛(wèi)星上使用時要對每節(jié)單體電池的電壓進(jìn)行準(zhǔn)確測量。電壓測量的精度越高，意味著對電池SOC的估計越準(zhǔn)確，從而使可用輸出功率越大、管理越可靠、使用壽命越長，電池管理也更可靠［410］。因此，星載鋰離子蓄電池組管理要求對每節(jié)單體電池電壓進(jìn)行測量，測量的準(zhǔn)確性作為電池管理技術(shù)的關(guān)鍵。考慮到不同類型鋰離子蓄電池組單體電壓與SOC之間基本符合0.005～0.008V對應(yīng)1%SOC的規(guī)律，一般要求星載蓄電池組單體電壓測量精度優(yōu)于0.005V。然而，當(dāng)單體串聯(lián)節(jié)數(shù)較多時，部分單體電池的共模電壓將會超過測量器件承受的共模電壓，找不到適合衛(wèi)星上使用的元器件，存在測量不準(zhǔn)確的問題。本文針對目前普遍采用的2種鋰離子蓄電池組單體測量方法（電阻分壓法、運放差分放大法）測量精度不高的情況，提出采用光耦隔離的分組浮地測量方法，并建議采用分時浮地測量的改進(jìn)設(shè)想，可在提高鋰離子蓄電池組單體電壓測量精度的前提下，簡化測量電路。

2 現(xiàn)有測量方法介紹

高功率地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星一般采取高壓全調(diào)節(jié)母線的供電機(jī)制，因此用作儲能的鋰離子電池要采用多個單體串聯(lián)的荷電態(tài)，單體電池電壓工作在2.7～4.3V的范圍內(nèi)，整組電池電壓最大工作電壓可達(dá)百伏。然而，宇航級電路中模數(shù)轉(zhuǎn)換器、多路開關(guān)等器件，能承受的共模電壓一般不超過±15V，這就使得星載鋰離子電池管理中要解決在近百伏共模電壓條件下毫伏級的單體電壓測量精度。

目前，尚無輸入抗共模電壓近百伏、毫伏級電壓測量精度的宇航專用測量芯片，因此必須采用宇航級低壓采集芯片搭建高共模電壓測量電路；同時，電壓測量還受到器件老化、空間環(huán)境輻照、溫度變化等因素的制約，難度較大。在技術(shù)實現(xiàn)上，低共模電壓的鋰離子蓄電池組單體電壓測量，國內(nèi)外多采用電阻分壓法［8］及運放差分放大法［11］。

（1）電阻分壓法，也稱為共模電壓法，其基本思想是使用精密電阻網(wǎng)絡(luò)，對每個電池的正極電壓進(jìn)行分壓，取相鄰差模電壓進(jìn)行模數(shù)采集。這種方法受分壓電阻精度的影響，在降低共模電壓的同時也降低了模數(shù)采樣的分辨率，從而導(dǎo)致測量精度不高。同時，不可避免地引入了3類問題：①各節(jié)電池的分壓電阻阻值不同，分壓電阻上分流電流不一致，導(dǎo)致電池容量差值不斷累積；②高低溫工況（－15～＋50℃）下分壓電阻、運放的漂移誤差不一致，特別是大大降低了模數(shù)采樣的分辨率，造成全溫度范圍內(nèi)測量精度變化；③要對電阻進(jìn)行篩選匹配，同時在調(diào)試時要依靠經(jīng)驗進(jìn)行二次匹配，系統(tǒng)的可重復(fù)性不高。采用電阻分壓法的典型鋰離子蓄電池組單體電壓測量原理見圖1。

圖1 電阻分壓法測量原理Fig.1 Measurement principle of voltage divider with resistor method

（2）運放差分放大法一般采用從電池組給運放供電，以消除電池兩端共模電壓。采用運放差分放大法的典型鋰離子蓄電池組單體電壓測量原理見圖2。單體電壓通過電壓變換電路（由圖2中的電阻R1、R2和運放A組成）輸出電流 （I1＝I2＝Vcell/R2）至低端采樣電阻R3，通過測量低端采樣電壓（Vout＝Vcell/R2·R3）反算出蓄電池組單體電壓（Vcell）。由于運放電源要與運放最大輸入電壓之間留有一定余量，因此運放電源連接至被測最高節(jié)電池上一節(jié)的正極。同時，若被測蓄電池組單體串聯(lián)節(jié)數(shù)超過5節(jié)，就要采用浮地測量方法，將運放的接地端串聯(lián)至電池上。這樣做仍會引入3類問題：①一節(jié)單體對應(yīng)一個運放，電路復(fù)雜；②蓄電池組為運放提供電源，若運放失效，將導(dǎo)致蓄電池組短路，嚴(yán)重影響整星可靠性；③高低溫工況（－15～＋50℃）下運放漂移誤差不一致，造成全溫度范圍內(nèi)測量精度的變化。

圖2 運放差分放大法測量原理Fig.2 Measurement principle of OP Amp differential amplification method

3 浮地測量方法

3.1 測量原理

由于宇航級低壓采集芯片的測量范圍在±15V，因此無法直接測量共模電壓最高達(dá)百伏的蓄電池組單體。針對上述問題，本文采用分組浮地的鋰離子蓄電池組單體電壓測量電路（見圖3），將蓄電池組電壓分成4組，每組內(nèi)部設(shè)置電壓基準(zhǔn)點與測量電路的內(nèi)部地相連，每組內(nèi)的單體共模電壓在［－9V，＋13.5V］范圍內(nèi)，可以通過測量電路直接測量。

圖3 浮地測量方法原理Fig.3 Principle of floating ground measurement method

將單體電池的正負(fù)端通過多路開關(guān)直接引入差分運放的兩端，由運放進(jìn)行調(diào)理后直接送至12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，再經(jīng)并串轉(zhuǎn)換電路送至CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于沒有分壓電阻，測量電路不由蓄電池組提供電流，因此測量電路對蓄電池組的放電極小（小于100μA）。同時，分組測量電路與CPU之間不共地，因此在電路設(shè)計中采用光耦器件，使不共地的兩端通過光電轉(zhuǎn)換進(jìn)行有效的電氣隔離。采用浮地設(shè)計，通過使用多組浮地、光耦隔離的電氣設(shè)計，克服了電阻分壓法和運放差分放大法存在的缺點，在完成對蓄電池組每個單體電壓測量的同時，還能保證電壓測量精度優(yōu)于0.005V。

3.2 仿真分析

以20節(jié)單體串聯(lián)的鋰離子蓄電池組為例，單體電池在衛(wèi)星地影期的SOC電壓為3.0～4.3V，在光照期的SOC電壓為3.6～3.8V，本節(jié)以第16節(jié)單體電池3.600V電壓為分析基準(zhǔn)值，使用MULTSIM軟件對浮地測量電路進(jìn)行建模，仿真分析溫度變化時測量電路的測量精度。在仿真過程中使用1‰精度的電阻。

航天設(shè)備要在高低溫（－15～＋50℃）工況下工作，因此浮地測量方法要保持高精度的電壓測量性能。在高低溫變化時，分壓電阻的阻值會產(chǎn)生溫度漂移，而電阻溫度漂移的不一致性，會導(dǎo)致單體電池電壓經(jīng)電阻分壓后的變化。采用浮地測量方法，由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器對溫度變化不敏感，測量精度較高。以常溫下（27℃）的電壓值為基準(zhǔn)值，將仿真時間設(shè)定為60s，得到浮地測量方法的仿真結(jié)果如表1所示。可以看出：浮地測量方法的測量精度不隨溫度的變化而變化，即使在高共模電壓時，最低測量精度也能達(dá)到0.001V，測量精度高且一致性好。

表1 環(huán)境溫度變化過程的測量精度對比Table 1 Measurement precision comparison with environmental temperature changing V

3.3 測試驗證

浮地測量方法地面驗證系統(tǒng)如圖4所示，驗證系統(tǒng)包括鋰離子蓄電池組、蓄電池組充放電設(shè)備、專用轉(zhuǎn)接箱、電壓高精度地面測量設(shè)備、蓄電池組管理單元（浮地測量系統(tǒng)）及計算機(jī)等。

圖4 浮地測量方法驗證系統(tǒng)原理Fig.4 Principle of verification system for floating ground measurement method

圖4中，電壓高精度地面測量設(shè)備采用NI公司的DMMS－CPCI－0H014板卡，模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片精度為16bit，理論采集精度達(dá)到0.05mV以內(nèi)，可用于判斷衛(wèi)星鋰離子蓄電池組單體電壓的采集精度。

圖5為浮地測量系統(tǒng)地面測試設(shè)備，它由圖4中除蓄電池組管理單元外的其他設(shè)備組成。測試驗證時，鋰離子蓄電池組的電壓由NI公司高精度電壓信號源模擬輸出，使用浮地測量方法及電壓高精度測量設(shè)備，分別對鋰離子蓄電池組單體電壓進(jìn)行測量，并將兩者獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，見表2。可以看出：兩者的誤差為±0.001V，證明浮地測量系統(tǒng)滿足測量精度優(yōu)于0.005V的要求。

圖5 浮地測量系統(tǒng)地面測試設(shè)備Fig.5 Test equipment for floating ground measurement system

表2 浮地測量方法精度Table 2 Precisions of floating ground measurement method V

4 進(jìn)一步的改進(jìn)設(shè)想

浮地測量方法可以獲得較高的精度，但是一組浮地測量系統(tǒng)一般最多可以測量5節(jié)蓄電池組單體。當(dāng)蓄電池組串聯(lián)的節(jié)數(shù)增多時，就要設(shè)置多組浮地測量系統(tǒng)，每組浮地測量系統(tǒng)包含二次電源（DC/DC）、模擬開關(guān)、差分運放、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、并串轉(zhuǎn)換器、數(shù)字光耦及相應(yīng)的DC/DC電源模塊，電路復(fù)雜度大大增加，成本、功耗相應(yīng)增加。

每組浮地測量系統(tǒng)的電路完全相同，只是浮地參考電壓不同，因此本文考慮采用分時測量的方法。原有與蓄電池組接口的分組電源、分組電路保持不變，額外增加一組浮地電源，為差分放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、并串轉(zhuǎn)換器及數(shù)字光耦等供電，初步方案如圖6所示。其中：增加的浮地電源GND－A分時與GND1～GND4接通，使任意時刻的電路與原有分組浮地測量方法保持一致，實現(xiàn)分時測量的目的。

圖6 分時浮地測量方法原理Fig.6 Principle of time division floating ground measurement method

分時浮地測量方法的具體實現(xiàn)過程為：由CPU輸出控制信號至多路開關(guān)，使多路開關(guān)分時輸出四路控制信號TC－ON1、TC－ON2、TC－ON3、TC－ON4，分別控制8對N溝、P溝場效應(yīng)管（以下簡稱NMOS、PMOS）串聯(lián)對導(dǎo)通。當(dāng)TC－ON1控制相應(yīng)的NMOS、PMOS串聯(lián)對導(dǎo)通時，可以實現(xiàn)測量系統(tǒng)地GND－A與測量接口地GND1的連通，以此類推；當(dāng)TC－ON1控制相應(yīng)的NMOS、PMOS串聯(lián)對斷開時，可以實現(xiàn)GND－A與GND1、多路開關(guān)1、2的輸出與差分運放的輸入之間的隔離，以此類推。通過CPU的精確控制，可實現(xiàn)將以模數(shù)轉(zhuǎn)換器為核心的測量電路，從分組浮地測量方式改進(jìn)為分組分時浮地測量方式，大大簡化了測量電路的復(fù)雜度。

由圖6可以看出，通過增加一組二次電源（DC/DC）、八路NMOS、PMOS串聯(lián)對，以及必要的控制電路，在不影響測量性能的前提下，可以減少3套相同的差分運放、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、并串轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字光耦等元器件，大大降低了電路復(fù)雜度、質(zhì)量和成本等。

5 結(jié)論

以鋰離子蓄電池組單體電壓測量為研究對象，通過對不同測量方法進(jìn)行分析，提出了浮地測量方法，并得到如下結(jié)論。

（1）浮地測量方法可以克服電阻分壓法及運放差分放大法的不足，測量精度高、測量一致性好，而且可以提高測量電路的可靠度及可重復(fù)性。

（2）針對浮地測量方法電路復(fù)雜，測量系統(tǒng)質(zhì)量、成本、功耗較大的特點，提出了分組分時浮地測量方法，進(jìn)行了初步的方案設(shè)計。該方法可以減少差分運放、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、并串轉(zhuǎn)換電路及數(shù)字光耦，簡化電路，減小質(zhì)量、成本，進(jìn)一步提高可靠度。

（3）若采用分時浮地測量方法，差分運放、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、并串轉(zhuǎn)換電路及數(shù)字光耦，不隨蓄電池組單體串聯(lián)節(jié)數(shù)的增加而增加，因此可以廣泛應(yīng)用于各類高壓鋰離子蓄電池組測量領(lǐng)域。

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（編輯：夏光）

Voltage Measurement Method for Satellite Lithium－ion Batteries Cell

YUN Lei1，2ZHANG Yan1，2CHENG Xianfu3ZOU Hengguang1CAO Yanzhe3ZHANG Wenfang1，2
（1Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）
（2Joint Laboratory of Technology Innovation for Space Power－Supply System，Beijing 100094，China）
（3Shandong Aerospace Electro－technology Institute，Yantai，Shandong 264670，China）

Voltage divider with resistor method and OP Amp differential amplification method for lithium－ion batteries cell voltage measurement have little measurement accuracy，and the batteries，discharging current into the measurement circuits can lead to cell equalization decreasing.A floating ground measurement method is proposed.This method divides the measured cell voltage into groups.Each group has an individual measurement circuit，connecting to CPU circuits with optical coupler.Modeling analysis and test results show that the measurement accuracy of this method is better than 0.005Veven if the temperature is high or low.An improved floating ground measurement concept，which is proposed by using time division with measurement accuracy guarantee，can reduce the circuit complexity，cost，weight and so on，and can be used for highvoltage batteries cell voltage measurement.

satellite lithium－ion batteries；high voltage；voltage divider with resistor；OP Amp differential amplification；floating ground measurement

V442

A

10.3969/j.issn.1673－8748.2016.05.010

2016－01－07；

2016－08－18

國家重大航天工程

贠磊，男，碩士，工程師，從事空間電源技術(shù)研究工作。Email：yunlei210@163.com。