星载锂离子蓄电池组单体电压测量方法研究

贠磊 张岩 程显富 邹恒光 曹延哲 张文芳

（1中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094）

（2空间电源系统技术创新联合实验室，北京 100094）

（3山东航天电子技术研究所，山东烟台 264670）

星载锂离子蓄电池组单体电压测量方法研究

贠磊1，2张岩1，2程显富3邹恒光1曹延哲3张文芳1，2

（1中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094）

（2空间电源系统技术创新联合实验室，北京 100094）

（3山东航天电子技术研究所，山东烟台 264670）

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。

星载锂离子蓄电池组；高压；电阻分压；运放差分放大；浮地测量

1 引言

锂离子电池具有比能量高、充电效率高、自放电小、无记忆效应、可并联使用等优点，可以提高卫星平台的载荷比，降低发射成本，正成为继镉镍和氢镍电池之后第3代航天应用的储能电源［1］。然而，锂离子蓄电池组相对于镉镍和氢镍电池具有不耐过充或过放的特点。过充或过放可能导致蓄电池组性能迅速衰降，失效甚至爆炸，对卫星的可靠性和安全性影响巨大，因此蓄电池组管理技术是星载锂离子蓄电池组使用的关键。

锂离子蓄电池组单体电压用于衡量蓄电池单体的荷电状态（State of Charge，SOC）［23］。由于锂离子蓄电池过充或过放后存在安全性问题，因此在卫星上使用时要对每节单体电池的电压进行准确测量。电压测量的精度越高，意味着对电池SOC的估计越准确，从而使可用输出功率越大、管理越可靠、使用寿命越长，电池管理也更可靠［410］。因此，星载锂离子蓄电池组管理要求对每节单体电池电压进行测量，测量的准确性作为电池管理技术的关键。考虑到不同类型锂离子蓄电池组单体电压与SOC之间基本符合0.005～0.008V对应1%SOC的规律，一般要求星载蓄电池组单体电压测量精度优于0.005V。然而，当单体串联节数较多时，部分单体电池的共模电压将会超过测量器件承受的共模电压，找不到适合卫星上使用的元器件，存在测量不准确的问题。本文针对目前普遍采用的2种锂离子蓄电池组单体测量方法（电阻分压法、运放差分放大法）测量精度不高的情况，提出采用光耦隔离的分组浮地测量方法，并建议采用分时浮地测量的改进设想，可在提高锂离子蓄电池组单体电压测量精度的前提下，简化测量电路。

2 现有测量方法介绍

高功率地球静止轨道（GEO）卫星一般采取高压全调节母线的供电机制，因此用作储能的锂离子电池要采用多个单体串联的荷电态，单体电池电压工作在2.7～4.3V的范围内，整组电池电压最大工作电压可达百伏。然而，宇航级电路中模数转换器、多路开关等器件，能承受的共模电压一般不超过±15V，这就使得星载锂离子电池管理中要解决在近百伏共模电压条件下毫伏级的单体电压测量精度。

目前，尚无输入抗共模电压近百伏、毫伏级电压测量精度的宇航专用测量芯片，因此必须采用宇航级低压采集芯片搭建高共模电压测量电路；同时，电压测量还受到器件老化、空间环境辐照、温度变化等因素的制约，难度较大。在技术实现上，低共模电压的锂离子蓄电池组单体电压测量，国内外多采用电阻分压法［8］及运放差分放大法［11］。

（1）电阻分压法，也称为共模电压法，其基本思想是使用精密电阻网络，对每个电池的正极电压进行分压，取相邻差模电压进行模数采集。这种方法受分压电阻精度的影响，在降低共模电压的同时也降低了模数采样的分辨率，从而导致测量精度不高。同时，不可避免地引入了3类问题：①各节电池的分压电阻阻值不同，分压电阻上分流电流不一致，导致电池容量差值不断累积；②高低温工况（－15～＋50℃）下分压电阻、运放的漂移误差不一致，特别是大大降低了模数采样的分辨率，造成全温度范围内测量精度变化；③要对电阻进行筛选匹配，同时在调试时要依靠经验进行二次匹配，系统的可重复性不高。采用电阻分压法的典型锂离子蓄电池组单体电压测量原理见图1。

图1 电阻分压法测量原理Fig.1 Measurement principle of voltage divider with resistor method

（2）运放差分放大法一般采用从电池组给运放供电，以消除电池两端共模电压。采用运放差分放大法的典型锂离子蓄电池组单体电压测量原理见图2。单体电压通过电压变换电路（由图2中的电阻R1、R2和运放A组成）输出电流 （I1＝I2＝Vcell/R2）至低端采样电阻R3，通过测量低端采样电压（Vout＝Vcell/R2·R3）反算出蓄电池组单体电压（Vcell）。由于运放电源要与运放最大输入电压之间留有一定余量，因此运放电源连接至被测最高节电池上一节的正极。同时，若被测蓄电池组单体串联节数超过5节，就要采用浮地测量方法，将运放的接地端串联至电池上。这样做仍会引入3类问题：①一节单体对应一个运放，电路复杂；②蓄电池组为运放提供电源，若运放失效，将导致蓄电池组短路，严重影响整星可靠性；③高低温工况（－15～＋50℃）下运放漂移误差不一致，造成全温度范围内测量精度的变化。

图2 运放差分放大法测量原理Fig.2 Measurement principle of OP Amp differential amplification method

3 浮地测量方法

3.1 测量原理

由于宇航级低压采集芯片的测量范围在±15V，因此无法直接测量共模电压最高达百伏的蓄电池组单体。针对上述问题，本文采用分组浮地的锂离子蓄电池组单体电压测量电路（见图3），将蓄电池组电压分成4组，每组内部设置电压基准点与测量电路的内部地相连，每组内的单体共模电压在［－9V，＋13.5V］范围内，可以通过测量电路直接测量。

图3 浮地测量方法原理Fig.3 Principle of floating ground measurement method

将单体电池的正负端通过多路开关直接引入差分运放的两端，由运放进行调理后直接送至12位模数转换器，再经并串转换电路送至CPU进行数据处理。由于没有分压电阻，测量电路不由蓄电池组提供电流，因此测量电路对蓄电池组的放电极小（小于100μA）。同时，分组测量电路与CPU之间不共地，因此在电路设计中采用光耦器件，使不共地的两端通过光电转换进行有效的电气隔离。采用浮地设计，通过使用多组浮地、光耦隔离的电气设计，克服了电阻分压法和运放差分放大法存在的缺点，在完成对蓄电池组每个单体电压测量的同时，还能保证电压测量精度优于0.005V。

3.2 仿真分析

以20节单体串联的锂离子蓄电池组为例，单体电池在卫星地影期的SOC电压为3.0～4.3V，在光照期的SOC电压为3.6～3.8V，本节以第16节单体电池3.600V电压为分析基准值，使用MULTSIM软件对浮地测量电路进行建模，仿真分析温度变化时测量电路的测量精度。在仿真过程中使用1‰精度的电阻。

航天设备要在高低温（－15～＋50℃）工况下工作，因此浮地测量方法要保持高精度的电压测量性能。在高低温变化时，分压电阻的阻值会产生温度漂移，而电阻温度漂移的不一致性，会导致单体电池电压经电阻分压后的变化。采用浮地测量方法，由于模数转换器对温度变化不敏感，测量精度较高。以常温下（27℃）的电压值为基准值，将仿真时间设定为60s，得到浮地测量方法的仿真结果如表1所示。可以看出：浮地测量方法的测量精度不随温度的变化而变化，即使在高共模电压时，最低测量精度也能达到0.001V，测量精度高且一致性好。

表1 环境温度变化过程的测量精度对比Table 1 Measurement precision comparison with environmental temperature changing V

3.3 测试验证

浮地测量方法地面验证系统如图4所示，验证系统包括锂离子蓄电池组、蓄电池组充放电设备、专用转接箱、电压高精度地面测量设备、蓄电池组管理单元（浮地测量系统）及计算机等。

图4 浮地测量方法验证系统原理Fig.4 Principle of verification system for floating ground measurement method

图4中，电压高精度地面测量设备采用NI公司的DMMS－CPCI－0H014板卡，模数转换器芯片精度为16bit，理论采集精度达到0.05mV以内，可用于判断卫星锂离子蓄电池组单体电压的采集精度。

图5为浮地测量系统地面测试设备，它由图4中除蓄电池组管理单元外的其他设备组成。测试验证时，锂离子蓄电池组的电压由NI公司高精度电压信号源模拟输出，使用浮地测量方法及电压高精度测量设备，分别对锂离子蓄电池组单体电压进行测量，并将两者获得的数据进行比对，见表2。可以看出：两者的误差为±0.001V，证明浮地测量系统满足测量精度优于0.005V的要求。

图5 浮地测量系统地面测试设备Fig.5 Test equipment for floating ground measurement system

表2 浮地测量方法精度Table 2 Precisions of floating ground measurement method V

4 进一步的改进设想

浮地测量方法可以获得较高的精度，但是一组浮地测量系统一般最多可以测量5节蓄电池组单体。当蓄电池组串联的节数增多时，就要设置多组浮地测量系统，每组浮地测量系统包含二次电源（DC/DC）、模拟开关、差分运放、模数转换器、并串转换器、数字光耦及相应的DC/DC电源模块，电路复杂度大大增加，成本、功耗相应增加。

每组浮地测量系统的电路完全相同，只是浮地参考电压不同，因此本文考虑采用分时测量的方法。原有与蓄电池组接口的分组电源、分组电路保持不变，额外增加一组浮地电源，为差分放大器、模数转换器、并串转换器及数字光耦等供电，初步方案如图6所示。其中：增加的浮地电源GND－A分时与GND1～GND4接通，使任意时刻的电路与原有分组浮地测量方法保持一致，实现分时测量的目的。

图6 分时浮地测量方法原理Fig.6 Principle of time division floating ground measurement method

分时浮地测量方法的具体实现过程为：由CPU输出控制信号至多路开关，使多路开关分时输出四路控制信号TC－ON1、TC－ON2、TC－ON3、TC－ON4，分别控制8对N沟、P沟场效应管（以下简称NMOS、PMOS）串联对导通。当TC－ON1控制相应的NMOS、PMOS串联对导通时，可以实现测量系统地GND－A与测量接口地GND1的连通，以此类推；当TC－ON1控制相应的NMOS、PMOS串联对断开时，可以实现GND－A与GND1、多路开关1、2的输出与差分运放的输入之间的隔离，以此类推。通过CPU的精确控制，可实现将以模数转换器为核心的测量电路，从分组浮地测量方式改进为分组分时浮地测量方式，大大简化了测量电路的复杂度。

由图6可以看出，通过增加一组二次电源（DC/DC）、八路NMOS、PMOS串联对，以及必要的控制电路，在不影响测量性能的前提下，可以减少3套相同的差分运放、模数转换器、并串转换电路、数字光耦等元器件，大大降低了电路复杂度、质量和成本等。

5 结论

以锂离子蓄电池组单体电压测量为研究对象，通过对不同测量方法进行分析，提出了浮地测量方法，并得到如下结论。

（1）浮地测量方法可以克服电阻分压法及运放差分放大法的不足，测量精度高、测量一致性好，而且可以提高测量电路的可靠度及可重复性。

（2）针对浮地测量方法电路复杂，测量系统质量、成本、功耗较大的特点，提出了分组分时浮地测量方法，进行了初步的方案设计。该方法可以减少差分运放、模数转换器、并串转换电路及数字光耦，简化电路，减小质量、成本，进一步提高可靠度。

（3）若采用分时浮地测量方法，差分运放、模数转换器、并串转换电路及数字光耦，不随蓄电池组单体串联节数的增加而增加，因此可以广泛应用于各类高压锂离子蓄电池组测量领域。

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（编辑：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

国家重大航天工程

贠磊，男，硕士，工程师，从事空间电源技术研究工作。Email：yunlei210@163.com。