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航天锂离子电池均衡充电技术综述

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锂离子电池代表了航天器储能设备的发展方向，是航天器的第三代储能器。它具有轻重量、体积小、无记忆效应、适应温度广等优点，是目前主流应用的镉镍、氢镍电池的替代产品。航天用锂离子电池的能重比为90～110Wh/kg，相对于氢镍电池45～60Wh/kg的指标，优势明显。但锂离子电池的电化学特性要求充电过程必须严格控制，因此，要设计专门的充电管理电路来控制航天器锂离子电池的充电过程。

锂离子电池充电关键技术

用锂离子电池替代镉镍、氢镍电池不能套用简单的"即插即用"方式，这是因为锂离子电池与镉镍、氢镍电池有一个最大的不同点：锂离子电池严禁过充电。因此，必须结合锂离子电池特性设计新的充电管理电路。锂离子电池充电管理电路的关键点（与镉镍、氢镍电池充电管理电路主要不同点）主要包括两方面：充电方式和均衡充电。

在工程应用中，锂离子电池单体或由单电池并联组成的电池模块必然要串联成电池组，故必须考虑充电过程中各电池单体或电池模块的失衡现象，而且随着时间的推移，这种失衡现象会愈加严重，严重影响电池寿命和可靠性，因此均衡充电也是锂离子充电的关键技术。

1 恒流-恒压（TAPER）型充电控制

在采用镉镍、氢镍电池的卫星电源系统中，基本上都采用恒流充电方式，当达到V-T曲线、电子电量、压力、第三电极等控制方式的控制点时停止充电，完成一个充电过程。锂离子电池不适合采用这些充电控制方式，因为这些充电方式不能保证锂离子电池的充电终压始终限定在规定的范围内，即使充电终压有保证，往往是到达充电终压后立即停止充电，而锂离子电池在到达充电终压后仍然需要补充30%左右的电量。从锂离子电池多年发展来看，恒流-恒压充电控制是最普遍、最适合采用的充电控制方式。在此方式下，充电器首先对锂离子电池进行恒定电流充电，这时电池电压逐渐抬高，当电池电压达到设定值时进行恒定电压充电，这时充电电流近似指数规律减小，所以这种充电方式也称为TAPER型充电控制。

图1 旁路式锂离子电池充电控制电路

2 均衡充电技术

航天用锂离子电池必须采用均衡充电技术，这种观点在国内外已经得到完全认同。均衡充电技术主要解决锂离子电池单体长期充电过程中的电化学特性偏差现象，因此均衡充电方式的优劣需要一定的时间、资金、人力投入才能得到有效验证。

锂离子电池均衡充电在民用产品中还没有得到广泛重视和应用，因为多节单电池串联的应用较少，可靠性、寿命要求不高。在电动车锂离子电池系统中，单电池串联的节数较多，已经采用均衡充电技术，一般是采用单片机系统控制并在单电池上的分流电阻上实行通断，从而控制单电池的充电量。这种方法控制复杂、效率低、热耗大、均衡时间长，在早期的航天产品方案中移植了这种方法，现在国内外的技术人员正在探讨更加理想方案。

均衡充电的意义就是使锂离子电池单体电压偏差保持在预期的范围内，从而保证每个单电池在卫星寿命期间不受到过应力冲击而发生损坏。若不进行均衡充电控制，随着充放电循环的增加，各单电池电压逐渐分化。

一般情况下，充电时锂离子电池单体电压的偏差在50mV之内是完全可以接受的。我们可以认为造成偏差的主要原因是单电池充电效率、自放电率存在差异。另一方面，单电池中的测量电路电流消耗的影响也必须认真考虑，有时测量电路消耗的电流已经达到电池自放电电流的量级。在做锂离子电池寿命实验时，有的技术人员反映串联电池组的第一只或最后一只常常最先损坏，这往往是由于测量电路消耗造成的。

充电控制电路

1 旁路式充电控制

如图1所示，光照期太阳电池充电阵通过二极管直接给锂离子蓄电池组充电，蓄电池组的每只电池都设置了充电旁路电路。当某一单电池的电压到达设定值时，充电旁路电路中的功率三极管开始导通，分流掉部分充电电流，保持该单电池电压恒定在很窄的一个范围内。蓄电池的特性决定了充电电流逐渐减小（近似指数规律），直至光照期结束。这种充电方法能够保证每只单电池均衡充电，但旁路电路功耗较大，充电电流很难测量。

2 分流式充电控制

单电池循检电路分别采样各个电池电压，经过或门电路取出单电池电压最大值，在信号变换电路中与基准信号进行比较产生误差信号，误差信号送入分流调节器电路，控制锂离子蓄电池组中的单体电压。任一只电池电压到达设定值时，蓄电池组的平均充电电流逐渐减小。若采用开关型分流调节器，则在单体恒压充电时，充电电流是脉动的，所以采用这种充电控制方法需要锂离子蓄电池组能够适应脉动充电电流。

主误差放大器（MEA）采样母线电压信号，产生误差信号后送到分流调节器。也就是说，分流调节器同时受母线电压和蓄电池单电池电压控制。分流式锂离子电池充电控制电路如图2所示。

图2 分流式锂离子电池充电控制电路

3 分段式充电控制

单电池循检比较电路采样单电池电压，任何一只单电池电压超过设定值，或门电路就会产生个一过压信号，通过锁定电路断开一路充电阵，使得充电电流减小1/3，当再次产生一个过压信号时关掉第二个充电阵，直至关掉最后一个充电阵。当脉冲负载来临或者进入地影期时，解锁电路产生解锁信号，使得充电控制电路能够进行下一个充电过程。很显然，当恒压充电时，充电电流不是近似指数规律，而是阶梯型逐级递减。分段式锂离子电池充电控制电路见图3。

图3 分段式锂离子电池充电控制电路

4 单电池峰值电压限制型线性充电控制

单电池循检电路分别采样各个单电池电压，经过或门电路取出单电池电压最大值，经过信号变换电路送入限压控制电路，限压控制电路通过动态调整功率管的阻抗控制锂离子蓄电池组中的单电池电压。当任一只单电池电压都未到达设定值时，太阳电池阵以相对稳定的电流通过限压控制电路中的功率管对锂离子蓄电池组充电，功率管的阻抗接近于零；当任一只单电池电压到达设定值时，功率管的阻抗逐渐增大，蓄电池组的充电电流逐渐减小，充电电流减小的规律由锂离子蓄电池组的特性决定（近似指数规律）。这种电路的优点是充电恒压阶段充电电流连续减小，基本上是指数规律，较适应锂离子蓄电池的充电习惯，充电电路的功耗也不大。单电池峰值电压限制型线性充电控制电路如图4所示。