一种用于锂离子蓄电池组的主动均衡电路设计

针对大容量锂离子蓄电池组的均衡管理要求,文章提出一种基于多绕组变压器的主动均衡拓扑电路,采用固定占空比控制,通过多绕组变压器将串联蓄电池组中电压较高单体的能量传输到电池组中,从而实现单体之间的电压均衡。采用Simulink软件进行了仿真验证,结果表明:多绕组变压器均衡电路电池组可以实现大电流快速均衡。该方法可为卫星上大容量电池均衡设计提供参考。     

航天器锂离子蓄电池组均衡电路研究

锂离子电池在长期充放电过程中,蓄电池组内各单体电压的离散性会逐渐变大,致使整组电池寿命下降甚至失效,为此航天应用长寿命锂离子电池组必须采用均衡电路。文章对几种常用的锂离子蓄电池组均衡电路作了分析与比较,包括能量耗散型均衡电路和能量非耗散型均衡电路,介绍了其均衡工作原理;从轨道特性的角度总结了航天器电源系统对均衡电路的需求特点,据此分析了恒定分流电阻均衡电路、开关控制分流电阻均衡电路、平均电池电压均衡电路、开关电容均衡电路、DC-DC变换器均衡电路等应用于航天器电源系统的适用性,并给出了各均衡电路的应用分析结论。     

星载锂离子蓄电池组单体电压测量方法研究

采用电阻分压法和运放差分放大法的锂离子蓄电池组单体电压测量系统,电压测量精度不高,并且蓄电池组对测量电路放电会导致单体一致性变差。为此,文章提出了一种适用于星载锂离子蓄电池组单体电压的浮地测量方法,将被测试蓄电池组单体电压进行分组,每组具有独立的测量电路,测量电路通过光耦与主控电路连接。通过仿真分析与测试验证,证明了浮地测量方法具有较高的测量精度,即使在高低温工况下,单体电池电压测量精度优于0.005V。此外,提出了采用分时的改进设想,在不影响测量性能的情况下,能够大大简化测量电路,降低研制成本及测量系统质量,在高压锂离子蓄电池组测量领域具有应用价值。     

磁悬浮姿控储能两用飞轮能量转换系统PI协同控制

针对磁悬浮姿控储能两用飞轮能量转换系统负载变化引起的输出电压波动问题,提出一种用于并联DC\|DC Buck变换器拓扑结构的PI协同控制方法,该方法的电感电流内环采用协同控制器,其电流参考值来源于电压控制器输出均值。输出电压外环采用PI控制器,克服了基本协同控制方法对负载变化适应性和鲁棒性差的不足。仿真和试验结果表明,在负载突变和大范围变化的情况下,系统输出电压稳定、纹波小、鲁棒性好。
     

东方红四号卫星平台锂离子蓄电池在轨应用分析

在东方红四号卫星平台上应用锂离子电池替代传统氢镍电池,能显著减小供配电分系统的质量和体积,提高卫星平台能力。锂离子电池工作特性与氢镍电池差异较大,针对锂离子电池在东方红四号平台某卫星上首次应用,为降低应用风险,满足在轨使用要求,文章对电池热控设计、电源在轨充放电管理和均衡策略进行分析,利用SLIM(SAFT Li-ion Model)软件对锂离子电池在轨电压输出特性进行仿真,提出适应锂离子电池应用的热控措施、充放电管理方式和线性均衡管理策略,并利用某卫星在轨数据进行验证,满足了在轨使用要求,证明该锂离子电池应用方案可以在后续东方红四号卫星平台推广应用。     

小型SAR卫星用双高特性锂离子电池技术

小型合成孔径雷达(SAR)卫星对储能电池系统提出了轻量化、大功率的要求,现有的SAR卫星用电池难以满足需求,急需开发高能量高功率的锂离子电池。采用兼具容量和功率性能的镍钴铝酸锂(LiNixCoyMnzO2, NCA)作为正极活性材料,高容量中间相炭微球(MCMB)作为负极活性材料,显著提升了电池体系的容量和比能量。通过设计极片的活性物质载量和电解液用量,保证了电池功率性能(≥10 C)的发挥;通过加大电极片面积和极柱尺寸,控制了大倍率放电时电池温升。研制了兼顾高比能和高功率的锂离子电池单体,额定容量20 Ah,1 C放电比能量达到180 Wh.kg^-1,且10 C放电容量相较1 C保持率96.24%,15 C下持续放电比功率超过2 000 W.kg^-1,可以满足下一代轻小型SAR卫星能源供电需求。     

航天器DC/DC变换器启动特性建模分析研究

介绍和分析了单管正激型DC/DC变换器的工作原理,指出变换器内置输入滤波器决定了其启动瞬间阻抗特性;提出变换器内置滤波器构成了二阶欠阻尼系统,当有阶跃电压输入时,滤波电容充电电流会产生衰减振荡,即为浪涌电流产生的根本原因。在此基础上,文章运用＂拉普拉斯变换＂对浪涌电流的计算公式进行了推导,并推导出浪涌电流的时域公式。提出了单管正激型DC/DC变换器启动特性仿真模型的建立方法,并通过试验验证了仿真模型建立的有效性。     

MOSFET单粒子烧毁引起的DC/DC电源变换器功能失效试验研究

文章利用回旋加速器产生的Kr离子,对双路输出的DC/DC电源变换器开展了单粒子效应试验研究,分析了在空载和加载两种偏置条件下的试验结果,指出内部功率MOSFETs器件的漏-源端电压在单粒子辐照条件下超出了器件的击穿电压是导致DC/DC电源变换器单粒子功能失效的直接原因,最后给出了航天器电源系统抗辐射设计和功率MOSFETs器件选用建议。     

基于多尺度的空间锂离子蓄电池单体电-热耦合模型

针对高比能兼顾高功率的锂离子电池,高电极载量、高压实、低电导等特性会显著增加电池大倍率放电的产热和内部温差,传统的热试验方法无法获取电池内部温度分布。将传统热试验与仿真相结合,以能量功率兼顾型空间锂离子蓄电池单体为研究对象,建立了一维电化学与三维热双向耦合模型,获取了电池在绝热环境下不同倍率放电的电压、温度和发热功率变化,仿真结果与实验值吻合度高,分析得到单体电池大倍率放电的本征热安全区间为0～75%放电深度(DOD)。同时,计算发现随着放电倍率的增加,放电结束时电池温度最高区域由电芯内部中心位置逐渐变成正极极柱,最大温差逐渐增大,3 C时达到0.82℃。假设增加底面恒温散热,3 C放电结束的最大温差高达11.18℃。本文建立的模型不仅适用于空间锂离子蓄电池单体的研发,还适用于电池组的热仿真设计。     

航天器ISOP直流变换器控制策略研究

分析了电压型控制和电流型控制的输入串联-输出并联(ISOP)航天器直流变换器的输入均压、输出均流特性,指出了电压型控制可以实现其输入电压自动均压、输出电流自动均流;电流型控制时其输入端电压等分是不稳定平衡,不能实现其输入端自动均压、输出自动均流。在电流控制模式下提出新的输入均压控制策略。通过1kW样机的仿真和试验结果,验证了文章分析的正确性和控制方法的有效性。     

用于商业航天中的无源被动式电池管理电路（英文）

Recently for lithium-ion batteries in satellites and spaceships, the Battery Management System(BMS) has become essential to enhance life and guarantee safety. However, most of the balance management circuits need complicated cell sensing and duty control modules. Such circuits are too costly to commercialize. In order to reduce the cost, weight, volume and energy consumption of BMS, this paper proposes a new battery management circuit. The designed circuit is passive and small in size. The charge voltage is regulated by increasing the bypass current through an adjustable reference chip. Experimental results show that the bypass current increases linearly if the charging voltage is in the range of 4.05 V to 4.2 V. Also after several charge-discharge cycles, the differences between batteries visibly decrease. The proposed circuit is small in size, low in power consumption and economical, making it ideal for commercial space.     

航天器用氢镍蓄电池钝化技术研究

为了减缓蓄电池组爆炸产生的空间碎片,文章对常在航天器上应用的氢镍蓄电池的钝化技术进行了研究。首先分析了氢镍蓄电池的爆炸机理,然后针对氢镍蓄电池组提出了安全性设计方法;进行了过充电、过放电等蓄电池爆炸试验;研制了一台氢镍蓄电池钝化装置,进行了蓄电池钝化消能试验。     

小型风电系统蓄电池智能充电器的设计

在深入分析了小型风力发电系统对蓄电池的充电要求和蓄电池常规充电方式的基础上,设计了基于ATmega16和SG3525A的四段式智能充电器,其主电路采用推挽隔离变换结构,充电策略采用激活、恒流、恒压、涓流的四段式充电方法,实现了蓄电池在不同阶段下的充电要求。实验结果表明,该充电器能够适应风机宽范围的充电要求,而且可实现充电状态的实时监控和状态显示,并具有过压、过流保护功能。     

CPL技术在FY—1C卫星中的应用

为使FY 1C卫星上的镉镍电池可向空间散热 ,以降低工作温度 ,采用了毛细泵回路 (CPL)技术。介绍CPL的工作原理、主要组成以及在卫星上控制星载设备温度应用的设计技术 ,给出了在地面进行的各项热性能试验情况。卫星在轨运行测试验证表明 ,卫星温度处于最佳状态 ,镉镍电池组的温度控制在 (4～ 9)℃的范围内 ,6台镉镍电池之间温差小于 3℃ ,满足镉镍电池的特殊温度要求     

质子交换膜燃料电池用增强型复合膜性能研究

用流延法制备增强型NaIion／PTFE复合膜，用电子扫描显微镜（SEM）观察膜，测试了膜的溶胀率、机械强度及质子传导率测试和单体电池性能，并与市售Nafion0膜进行比较。研究表明：流延法制备的Nafion／PTFE复合膜致密性好，（23±2）℃和（i00±2）℃恒温水浴条件下，Nafion／PTFE复合膜体积溶胀率分别仅为Nafion0212膜的30％，70％，Nafion／PTFE复合膜的最大拉伸强度较Nation212膜高52％，H2渗透率较Nafion0212膜高14％～25％；Nafion／PTFE复合膜的放电电压高于Nation0211膜，当电流密度为1000mA／cm。时，Nafion／F’T—FE复合膜单池放电电压为0．714V，较Nafion0212膜高8％，能满足质子交换膜燃料电池（PEMFC）使用要求。     

嫦娥四号中继星供配电系统设计与应用（英文）

A 28 V-half-regulated power bus topology and an integrated PCDU(Power Conditioning and Distribution Unit) were adopted to meet the energy demand for the Chang'e 4 relay satellite. This paper first introduces the mission features and composition of the PSDS(Power Supply and Distribution System) for the Chang'e 4 relay satellite. Due to this satellite's unusual orbit, operational mode and project restrictions, special analysis and design was conducted on the PSDS from the perspective of weight-reduction, power management, and reliability and so on. Extreme low temperature storage of SA(Solar Array) was considered and how the antenna affects the SA was analyzed. A new kind of high-specific-energy 45 Ah(Ampere-hour) battery cell was used for the first time. To make sure that the satellite would successfully pass the long shadow zones, a 100% DOD(Depth of Discharge) experiment was carried out on the battery. Since the sunlight is almost always available and there are very few times for the battery to charge or discharge, battery care to extend its lifetime is also discussed. PCDU is a device that integrates power conditioning and power distribution in one unit. The PCDU on Chang'e 4 relay satellite can output more power with less weight because of the adoption of a 28 V-half-regulated power bus topology which was also used for the first time and used lighter material for its mechanical framework. Experiment under low temperature on PCDU was conducted as well and a hot backup equalizing charge technique which is beneficial to keep performance of the battery is illustrated. The power distribution module, which is a module of PCDU, enhances the power utilization security by utilizing a static impedance measurement and build-in-test to avoid possible short circuits. As for EED(Electrical Explosive Device) module, a protection plug was specially designed and three switches with different functions were connected in series to prevent the EED from exploding by error. In addition, the allowable minimum EED bus voltage for each EED was evaluated in case of low battery voltage caused by the possible postponement of the launching time. Complete verification experiments on the ground were conducted to confirm the correctness of the design and on-orbit test data conformed to the expected results and theoretical calculation. The power supply and distribution system has been working normally since the day the Chang'e 4 relay satellite was launched into space.     

霍尔推力器羽流离子能量实验研究

霍尔推力器羽流中的离子能量分布情况对于评估推力器羽流影响,优化推力器在航天器上的布局具有重要意义。本文使用阻滞势分析器对霍尔推力器羽流的离子能量分布进行了实验研究,获得了推力器在不同工况下羽流场中关注位置的离子能量分布状况。实验结果表明:霍尔推力器羽流离子主要由电荷交换碰撞产生的低能量离子和高能量源离子组成;高能量源离子的分布在推力器轴线达到最大值,低能量离子的分布随着与推力器轴线夹角的减小呈先增后减态势;随着霍尔推力器放电电压的提高,羽流源离子能量分布会相应向高能量方向偏移。     

空间电源功率调节技术综述

介绍了空间电源功率调节装置(PCU)的分流调节器(SR),蓄电池的充电控制器(BCR)、放电控制器(BDR)和主误差放大器(MEA)的原理和技术现状。阐述了顺序开关分流调节(S3R)、混合型调节和顺序开关分流串联调节(S4R)三种基本拓扑的工作原理,并对三者进行了性能比较,认为S4R是目前最先进的调节技术。讨论了功率调节装置模块化、智能化和小型化的发展趋势并分析了大功率的功率调节装置研制难点。     

锂离子电池单离子导体聚合物电解质研究进展

锂离子电池在3C电子产品和动力汽车电池行业广泛应用,在航天电源领域也展现出一定的前景。单离子导体是基本仅由参与电化学反应的锂离子迁移的电解质体系,解决传统锂离子电池液态电解质存在的副反应和阴离子的浓差极化等问题,改善电池的库伦效率和循环寿命。研究者们发展了多种类型的单离子导体电解质。本文总结了近5年来不同阴离子类型的单离子导体聚合物电解质合成策略以及分子动力学模拟计算的最新进展。     

某上面级银锌电池热控设计

对某上面级供电系统采用的5块单体数量、放电电流均存在差异的银锌电池进行热控设计,以保证其工作参数稳定。首先用真空绝热量热法获得了1块典型电池的热容量及其不同放电电流下的热功耗变化规律;然后,测量过程中采取有效的漏热控制措施并精确测量系统的实际漏热量,以确定系统漏热对测量精度的影响;最终在测量分析的基础上,采用不同红外发射率的热控涂层进行组合的方式实现了上面级电池的热控设计。遥测数据表明上述热控设计下各电池温度处于常温温区,热控效果均满足要求。