空间用宽温度范围电池单体电压采集补偿算法_王锴.pdf
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1、2023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计收稿日期:2022-08-17作者简介:王锴(1984),男,湖北省人,高级工程师,主要研究方向为航天电源设计。通信作者:冯利军空间用宽温度范围电池单体电压采集补偿算法王锴,胡斌,刘涛,冯利军,孙宏杰(中国电子科技集团公司 第十八研究所,天津 300384)摘要:针对空间用锂离子蓄电池组高精度的采集需求,提出了一种温度补偿的算法。在硬件滤波架构的基础上,将采样误差解耦为非温度相关的系统偏差和器件温度系数引起的误差两方面,通过软件算法进行线性修正和温度补偿,其中各个采样通道的线性修正算法采用相互独立的修正参数以达到更好的修正效果,温度补偿算法则在
2、不同通道中采用相同的温度修正参数。此方法简单可靠,具有较强的可操作性,所有补偿通过软件实现,适用于任意串联节数的锂离子蓄电池组。经仿真和实验验证,此电路在3570 对电池单体电压的采集误差小于 2 mV,能够满足空间电池管理系统的需求。同时,本温度补偿方法也适用于其他宽温度范围的参量采集领域。关键词:航天器;电压采集;环境循环测试中图分类号:TM 912文献标识码:A文章编号:1002-087 X(2023)03-0312-04DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.03.009Voltage acquisition and compensation method
3、for battery cell inwide temperature range for spacecraftWANG Kai,HU Bin,LIU Tao,FENG Lijun,SUN Hongjie(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)Abstract:A high accuracy acquisition method with temperature compensation algorithm was proposed forspace-use lithium-ion battery packs.On th
4、e basis of the hardware filtering architecture,the sampling errorwas decoupled into two aspects:the non-temperature-related system error and the device temperaturecoefficient caused error.The first one was corrected by linear correction and the second one was compensatedby temperature compensation.I
5、n order to achieve better correction effect,the linear correction algorithm ofeach sampling channel adopted mutually independent correction parameters of each channel.And consideringboth the accuracy and convenience of compensation,the temperature compensation algorithm adopted thesame temperature c
6、orrection parameters in different channels.This method was simple,reliable,and hadstrong operability,since all compensation was realized by software and it was suitable for lithium-ion batterypacks with any number cells series-connected.Through simulation and experimental verification,this methodcan
7、 reduce the sampling error less than 2 mV for each cell in the battery pack of 20 cells within a widetemperature range of 3570 ,which can meet the requirements of the spacecraft battery managementsystem.Furthermore,this temperature compensation method is also suitable for other parameter acquisition
8、fields with a wide temperature range.Key words:spacecraft;voltage acquisition;environmental cycling test国内外商业航天发展如火如荼,航天器在太空环境中运行会遇到高温和低温两种环境1。因为太阳是一个巨大的热源,同时在太空的真空环境中无法进行传导与对流散热,所以在太阳直接照射到航天器时,如果不加防护,其温度可达100 以上;但当航天器进入地球或地外星球阴影区时,温度又会低于100 以下。在航天器的内部,虽然有维持内部电池、电路等正常工作的散热和加热措施,其内部电路的工作温度仍然处于频繁的高低温变
9、化之中2-6。能源系统是空间飞行器中最重要的分系统之一,负责在各阶段向空间飞行器电气负载提供稳定可靠的电能,而锂电池电压采样电路是航天器内必需的电路之一7。通常航天器上电池单体电压采样电路的工作温度:-1550,验收温度:-2560,鉴定温度:-3570。为了保障航天器能够稳定工作,需要对每节单体电池电压进行高精度采样,误差要求在5 mV以内,之所以要求精度这么高,是因为电压采样精度会直接影响后续SOC、SOH的估算精度。而常规电压采样电路会因为其元器件(尤其是电阻)具有一定的温度系数,在宽温度范围内很难保证始终满足如此严格的误差要求8。当前在电池管理系统中,为了更好地进行 SOC 估计,会检
10、测电池自身的温度9,但很少检测电路板自身的温度,因为除空间环境外,其他应用(如电动汽车等)环境的温度变化并不剧烈,由电路温度引发的电池单体采样误差可以忽略。目3122023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计前,电池管理电路中的部分传感器采用了温度补偿的措施,如鲁丽彬设计了一种高精度电流传感器,能够实现在-5085 范围内最大偏差为 16 A10。但截至目前,还没有从文献上看到在单体电压采集电路中应用温度校准或修正的方法。本文针对宽温范围内单体电池采样电路,提出了在已有的抵抗系统误差的线性补偿的基础上,增加温度补偿算法,并且对于多个采样通道可以统筹采用相同的温度补偿参数,论文中给出了详细
11、的补偿步骤。此方法不仅能够在较宽的温度范围内保证采样维持高精度,而且对于软件复杂度的增加很有限。同时,此方法还适用于其他宽温范围内的信号采样的修正,具有广泛的应用领域。1 电池电压采样系统的硬件设计本论文所设计的单体电压采样电路如图 1所示,整体电路分为了AE五个区域,下面分别对每个区域的功能进行分析。(1)区域A为去共模电阻分压网络,其由单体电池模块的根部引出采样线,并通过电阻分压和电容滤波后进入后级电路。(2)区域 B为差分放大电路,选用国内 777厂出产的高精度仪表放大器G7F620,其具有109的高输入阻抗,能有效地抑制信号源与传输网络阻抗不对称引入的误差。(3)区域 C为多路开关电路
12、,选用的是Intersil公司的HIS-0546RH-Q芯片。(4)区域D为跟随放大电路,采用高精度的运算放大器来搭建,其输入阻抗为107,能够起到很好的级间隔离作用。(5)区域 E为模数转换电路,选用的是 ADI公司的AD574芯片,其具有 12 bit 分辨率,选择工作在 10 V 电压量程,故1LSB为 10 V/(212)2.44 mV。单体电池电压一般为4 V,故将其放大 2倍,接近 10 V 的电压测量量程。由此可知,模数转换电路引入的不确定误差约为2.44/2=1.22 mV。2 电压采集的软件补偿电池单体电压采集电路总误差可以分为两部分:第一部分是电路元件自身参数的公差等引入的
13、系统误差;第二部分是因为温度漂移引起的误差。式(1)表达了单体电压采样误差的构成:eTOTAL=VBAT-VSAMP=F(VBAT,t)(1)式中:eTOTAL为单体电压采样总体误差;VBAT为单体的真实电压;VSAMP为采样得到的单体电压值;t为环境温度。由式(1)可以看出,误差是单体电压和环境温度的二维函数,若进行彻底修正,需要将环境循环实验的数据进行二元优化,算法不仅复杂,而且不容易找到最优点。本文提出将两部分误差进行解耦,将采样误差的表达式整理为式(2)所示:eTOTAL=VBAT-VSAMP=E1(VSAMP)+E2(t)(2)式中:E1(VSAMP)为元件公差引起的系统误差;E2(
14、t)为温度漂移引起的温漂误差。若想 eTOTAL为最小(接近 0),需要对采样值进行修正,假设修正后的单体电压采样值为VCALI,其应该满足:VCALI=VSAMP+E1(VSAMP)+E2(t)(3)本文提出的校准步骤分为两步:第一步,收集室温下在不同单体电压下的电压误差数据,通过线性校准的方式进行修正;第二步,进行温度循环实验,并采集不同温度下的电压误差数据,利用线性补偿的算法对温差引起的误差进行补偿。2.1 基于线性补偿算法修正系统误差由于实际电路中元件值存在偏差等原因,采集电路得到的单体电压值与电压真实值间存在系统误差,即某个通道的误差是相对固定的。因为此类系统误差与被采集电压基本呈线
15、性关系,故可以采用线性补偿来进行补偿,表达式如式(4)所示:E1(VSAMP-i)kiVSAMP-i+bi(4)式中:ki和bi为对第i个通道的采样值进行校准的参数。为了得到每个采样通道的修正参数 ki和 bi,需要针对不同的单体电压(y1,y2)分别进行电压采样(假设采样值分别为x1和x2),然后列写如式(5)所示方程:y1=kix1+biy2=kix2+bi(5)由式(5)方程求得:|ki=y1-y2x1-x2bi=x1y2-x2y1x1-x2(6)求得的ki和bi能够在室温下对电压采集值进行较好的修正。2.2 宽温范围下的误差分析及补偿算法2.2.1因器件温度系数引起误差的分析采集电路共
16、分为5区域(图1中AE),每部分电路都可能存在因器件温度系数而引入误差,下面就这 5区域的电路结构讨论一下引入误差的量级。(1)区域A:电阻分压网络此部分电路内会引起输出电压随温度变化的因素是电阻的温度系数。但因为用两套分压电路分别对电池单体的正、负极电压进行了分压处理,如果分压电阻的温度系数一致,则通过分压电阻后输出电压只存在共模误差,而不存在差模误差,由于后级采用差模放大,对总体输出的影响较小。若分压电阻的温度系数不完全一致,会引入一定量的差模误差,影响最终输出电压的精度。假设两个分压电阻的温度系数分别为110-6和210-6,则引入的总输出误差为:eA=(R1+R2)(1+1t)R1(1
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