汪 灝，沈川杰，周恒保，王雨果，高 飛，徐 昕,4

(1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201100; 2.上海空間電源研究所，上海 201100;3.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201100; 4.南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院，南京 210016)

0 引言

隨著航天科技的發(fā)展，鋰離子電池正在取代傳統(tǒng)鋅銀電池應(yīng)用于運(yùn)載火箭領(lǐng)域。與傳統(tǒng)鋅銀電池對(duì)比，鋰電池具有高能儲(chǔ)存密度、使用壽命長(zhǎng)、充放電循環(huán)次數(shù)多、自放電率低、濕態(tài)貯存時(shí)間長(zhǎng)、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。伴隨航天高可靠的要求，鋰電池在應(yīng)用過程中的可靠性、安全性成為必須關(guān)注的問題。

鋰離子電池是能量的高密度載體，本質(zhì)上就存在不安全因素。不同的電化學(xué)體系、不同的容量、工藝參數(shù)、使用環(huán)境、使用程度等都對(duì)鋰離子電池的安全性有較大的影響。關(guān)于鋰離子電池在應(yīng)用中的可靠性、安全性主要體現(xiàn)在[1-3]：1)鋰離子電池由高活性的正極材料和有機(jī)電解液組成，在能量釋放過程中，當(dāng)電池?zé)崃砍霈F(xiàn)和累積速度大于散熱速度時(shí)，電池內(nèi)部溫度就會(huì)持續(xù)升高，導(dǎo)致熱失控，引起燃燒、爆炸等劇烈的能量釋放現(xiàn)象;2)鋰電池在使用過程中的過充電、過放電會(huì)給電池帶來危害。鋰電池過充會(huì)導(dǎo)致正極材料結(jié)構(gòu)變化，造成不可逆的容量損失，其分解放氧與電解液會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，最壞的結(jié)果會(huì)發(fā)生爆炸；過放電會(huì)使鋰電池內(nèi)壓升高，正負(fù)極活性物質(zhì)可逆性受到破壞，充電只能部分恢復(fù)，容量會(huì)明顯衰減，同時(shí)過放電還會(huì)使電池內(nèi)部的鋰離子金屬化，引起短路甚至爆炸;3)由于電池單體的差異性，電池在電壓、內(nèi)阻、容量等方面的參數(shù)值往往不一致，隨著電池在使用過程中連續(xù)的充放電循環(huán)，導(dǎo)致單體電池的不一致度在使用過程中逐步加大，從而使某些單體電池性能加速衰減，并最終引發(fā)電池組過早失效。

在運(yùn)載火箭領(lǐng)域，一般給箭上控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和電磁閥火工品負(fù)載分別提供電池供電，每個(gè)系統(tǒng)只采用一塊電池供電，無冗余。針對(duì)電池單體而言，鋰電池常見故障主要[4-6]有電池過充、過放、高低溫等因素誘發(fā)的單體電池短路、斷路和電性能衰減等，電池的故障會(huì)導(dǎo)致電氣系統(tǒng)工作異常，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致任務(wù)失敗等災(zāi)難性的后果，因此對(duì)鋰電池的故障識(shí)別顯得尤為重要。

這些單體電池故障一般通過單體電池特征參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。在現(xiàn)有工業(yè)條件下，能夠測(cè)量到的單體電池外部特征參數(shù)有電池電壓、電流、溫度3種。針對(duì)這3種參數(shù)直接設(shè)定閾值，只能識(shí)別諸如過壓、過流、超溫等顯著故障。但電池是個(gè)非線性系統(tǒng)，很多故障具有隱蔽性和演化性，這就需要一個(gè)能表征電池運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)。荷電狀態(tài)(SOC,state of change)就是這么一個(gè)參數(shù)，也是支撐鋰離子電池故障診斷的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。SOC含義[7-8]是電池剩余可用電量占總?cè)萘康陌俜直龋潜碚麟姵貜?fù)雜電化學(xué)過程的綜合變量，可作為電池工作是否正常的判斷依據(jù)。

航天及工業(yè)領(lǐng)域用鋰離子電池一般是由多個(gè)單體電池組成的電池組，SOC也是就單體鋰電池而言的。電池SOC無法直接測(cè)量，只能基于電池外特性參數(shù)(如電壓、電流、溫度等)通過數(shù)學(xué)變換間接估算，對(duì)此，我國(guó)學(xué)者在電池SOC預(yù)測(cè)、估算等[9-10]方面進(jìn)行了深入研究。林偉欽等基于鋰電池充電過程中的實(shí)際數(shù)據(jù)，建立多元線性回歸模型，預(yù)測(cè)研究了鋰電池開始充電到結(jié)束充電過程中SOC值。文獻(xiàn)[10]以混合的電化學(xué)模型為基礎(chǔ)，對(duì)按時(shí)積分法進(jìn)行修正，降低了充放點(diǎn)倍率、溫度等因素的影響，以參數(shù)修正過的按時(shí)積分法的方程為狀態(tài)方程，利用改進(jìn)過的EKF進(jìn)行SOC估算，提高了SOC估算效果。由于電池自身的強(qiáng)非線性特征和使用工況的復(fù)雜性，SOC估算精度[11]會(huì)受到其自身極化特性、運(yùn)行溫度、充放電倍率、循環(huán)壽命、自放電、實(shí)際工況等諸多因素影響；由于電池運(yùn)行工況的電壓、電流、溫度等傳感器測(cè)量精度有限，增加了SOC準(zhǔn)確估算的難度。如何在現(xiàn)有傳感器精度水平下，通過充分挖掘電池特性和使用工況的數(shù)學(xué)規(guī)律，借助新理論、新方法設(shè)計(jì)出高精度、快響應(yīng)和適用廣泛的SOC估算算法，是擺在電池管理系統(tǒng)研發(fā)人員面前的急待解決的問題。

國(guó)內(nèi)外在航空、汽車等領(lǐng)域有大量關(guān)于通過箭上采集鋰電池電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)估算鋰電池SOC[12](state of change，荷電狀態(tài))，分析當(dāng)前電池的工作狀態(tài)，完成電池能源管理的研究。對(duì)于SOC估算，國(guó)內(nèi)外主要有安時(shí)計(jì)量法、開路電壓法、內(nèi)阻測(cè)量法、模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等幾種方法。

通過SOC估算完成鋰離子單體電池故障識(shí)別，在診斷單體電池故障后對(duì)鋰離子電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[13-14]采用重構(gòu)方式，隔離故障單體，完成冗余控制。

本文首次提出基于鋰離子單體電池SOC估算的運(yùn)載火箭供電能源冗余管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可準(zhǔn)確判斷通過電池組拓?fù)渲貥?gòu)切換隔離故障電池單體，解決了運(yùn)載火箭供電能源冗余管理問題，提高了運(yùn)載火箭領(lǐng)域電池電源的可靠性、安全性與容錯(cuò)能力。

1 鋰電池故障與識(shí)別

在運(yùn)載火箭領(lǐng)域電池供電無冗余，因此當(dāng)電池出現(xiàn)故障時(shí)，電氣系統(tǒng)工作會(huì)受到致命的影響，正確識(shí)別電池的故障模式對(duì)完成電池故障診斷與冗余管理至關(guān)重要。本文的故障識(shí)別主要就單體電池而言。

以某運(yùn)載火箭型號(hào)8串單體的20 Ah鋰離子電池組為例，對(duì)鋰離子電池組故障模式進(jìn)行識(shí)別。得出電池組的故障模式[15-16]主要有電池短路、開路和電性能異常衰減等3種。電池內(nèi)部傳輸線路的短路和開路故障主要由電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)冗余設(shè)計(jì)保證，電池組中串聯(lián)的單體電池不冗余。

圖1 鋰電池故障模式

單體電池的電池短路、開路和電性能異常衰減3種故障可根據(jù)電池電壓、電流、溫度和SOC(電池荷電狀態(tài))進(jìn)行判別。

1.1 短路故障分析與診斷

鋰離子單體電池短路故障主要表現(xiàn)為瞬間大電流放電，放出大量的熱，造成電池單體過熱以及線路燒毀等現(xiàn)象。主要原因有：電池內(nèi)部多余物破壞隔膜；在過充電或低溫充電過程中形成鋰枝晶而刺破隔膜；在過放電過程中負(fù)極集流體銅氧化，在隔膜和正極表面還原形成金屬銅造成電池短路。

鋰離子單體電池短路故障診斷可通過單體電池電壓，電流，溫度和SOC變化判定，表現(xiàn)為單體電壓接近于0，電流增大，溫度升高，SOC接近于0。

1.2 開路故障分析與診斷

鋰離子電池組開路故障主要故障現(xiàn)象為電池組充放電回路斷開，造成電池組開路失效。主要原因?yàn)殡姵貑误w殼體裂開，造成電解液泄露，電池干涸，電阻變大，電池組開路。

鋰離子電池組單體電池開路故障診斷可通過單體電池電壓，電流和SOC變化判定，表現(xiàn)為單體電壓異常，電流接近于0，SOC計(jì)算結(jié)果異常。

1.3 電性能衰減故障分析

鋰離子蓄電池電性能異常衰減主要表現(xiàn)為電池單體電性能異常衰減，主要原因?yàn)楦裟と毕菰斐晌⒍搪?、電極缺陷造成微短路、內(nèi)部存在多余物、密封破壞導(dǎo)致電解液緩慢泄漏。性能衰減后的蓄電池單體的容量變小，內(nèi)阻變大，直接影響到整個(gè)蓄電池組的供電能力。

鋰離子電池組電性能異常衰減可通過單體電池電壓，電流，溫度和SOC變化判定，表現(xiàn)為單體電壓異常減小，電流異常變化，溫度升高，SOC異常減小。

通過上述分析可知，鋰離子電池單體電池開路和短路故障的主要原因是電池隔膜破裂、電池電解液泄漏。在故障發(fā)生早期，故障特征遠(yuǎn)未如此劇烈，具有演化性。長(zhǎng)時(shí)間的電池隔膜破裂會(huì)引起自放電及局部溫度上升，短路程度逐漸增大，最終發(fā)展成為電池單體短路并引發(fā)熱失控。長(zhǎng)時(shí)間的電池電解液泄漏會(huì)導(dǎo)致電池逐漸干涸，電阻變大，最終發(fā)展成為電池單體開路。電性能異常衰減的故障模式正是電池短路與開路故障的初期特性。

因此在鋰離子電池故障初期對(duì)單體電池電壓，電流，溫度和SOC的監(jiān)測(cè)和判斷，可以及時(shí)識(shí)別電池的故障，有利于及時(shí)對(duì)電池采取冗余管理措施。

1.4 鋰電池特性參數(shù)獲取

以某運(yùn)載火箭型號(hào)8串單體的20 Ah鋰離子電池組為例，對(duì)鋰離子電池組電壓，電流，溫度和SOC等特性參數(shù)進(jìn)行分析。

鋰電池電池故障模式基本為單體電池故障，且單體電池是個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。對(duì)單體電池電壓、電流、溫度3種參數(shù)直接設(shè)定閾值，只能識(shí)別諸如過壓、過流、超溫等顯著故障，無法對(duì)單體電池的運(yùn)行特征進(jìn)行表征。

電池SOC[17](荷電狀態(tài))是準(zhǔn)備表征電池非線性工作運(yùn)行的重要參數(shù)，其含義是電池本時(shí)刻剩余可用電量占總?cè)萘康陌俜直取?/p>

(1)

式中，Qt表示電池在計(jì)算時(shí)刻的剩余電量，Q0表示電池在當(dāng)前環(huán)境條件下的實(shí)際總?cè)萘俊?/p>

由式(1)可知，SOC為電池當(dāng)前電量與總?cè)萘康陌俜直?。單體電池充電至截止電壓時(shí)被視為完全充電狀態(tài)，此時(shí)SOC被定義為100%；單體電池放電至截止電壓時(shí)被視為完全放電狀態(tài)，此時(shí)SOC被定義為0%。

SOC是表征電池復(fù)雜電化學(xué)過程的綜合變量，無法直接測(cè)量，只能基于電池外特性參數(shù)通過數(shù)學(xué)變換間接估算。電池特性參數(shù)中電壓參數(shù)可通過對(duì)電池端電壓AD采樣獲得，電流參數(shù)可通過霍爾傳感器非接觸測(cè)量，溫度參數(shù)可通過熱敏電阻傳感器測(cè)定，電池SOC則通過上述測(cè)量參數(shù)進(jìn)行估算。

2 鋰電池SOC估算

2.1 鋰電池電路模型

鋰電池內(nèi)部是一個(gè)非線性工作系統(tǒng)，為估算電池的SOC狀態(tài)，需要構(gòu)建表征電池充放電動(dòng)態(tài)的等值模型[18]，為此國(guó)內(nèi)學(xué)者做了大量的研究工作。從機(jī)理角度看，電池充放電過程是一個(gè)受溫度、充放電倍率、電池老化、自放電等因素影響的電化學(xué)過程，直接測(cè)量電池內(nèi)部狀態(tài)難以實(shí)現(xiàn)。常用做法是建立等值電路，通過電路電氣量，如電池開路電壓、端電壓及內(nèi)電阻等參數(shù)描述電池狀態(tài)。文獻(xiàn)[18]提出了一個(gè)基于等效模型和多時(shí)間尺度的擴(kuò)展卡爾曼濾波預(yù)測(cè)算法對(duì)SOC和最大可用容量分別在不同時(shí)間尺度上進(jìn)行估算研究，結(jié)果表明估算精度提高。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以當(dāng)前某運(yùn)載型號(hào)采用的XXX20單體電池為例建立電路模型。常用的等值電路模型有Rint模型、Thevenin模型、PNGV模型和GNL模型等。Thevenin模型考慮了鋰電池充放電過程中產(chǎn)生的極化電阻和極化電容，描述鋰電池的工作特征準(zhǔn)確，考慮模型結(jié)構(gòu)、精度和運(yùn)算量等綜合因素，本文選用Thevenin模型來描述鋰離子單體電池的狀態(tài)。

Thevenin模型是由理想電壓源Uoc、歐姆電阻Ro、極化電阻Rp及極化電容Cp組成，能很好地描述電池動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，如圖2所示。

圖2 Thevenin模型示意圖

Thevenin模型表達(dá)式如下：

(2)

式中，Uoc代表電池的電源電動(dòng)勢(shì)，Ro為電池的歐姆電阻，由電極材料、電解液及其它電阻組成，極化電阻Rp和電容Cp并聯(lián)模擬電池極化效應(yīng)，Up為極化效應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

2.2 電路模型參數(shù)辨識(shí)

針對(duì)Thevenin電路模型中的各參數(shù)值，采用復(fù)合脈沖功率試驗(yàn)(HPPC)對(duì)電池參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。試驗(yàn)電池采用當(dāng)前某航天型號(hào)采用的XXX20單體電池，容量20 Ah，試驗(yàn)環(huán)境溫度為25 ℃。

HPPC試驗(yàn)首先1 C電流放電10 s，然后靜置50 s；再以0.5 C電流充10 s，然后靜置50 s，再以0.5 C電流放電12 min，即放出10%的容量，放完電后進(jìn)行1小時(shí)擱置；再以如此為1個(gè)循環(huán)。試驗(yàn)從電池滿充(SOC=1)狀態(tài)開始共進(jìn)行10個(gè)循環(huán)直到電池SOC=0，全過程中進(jìn)行電壓監(jiān)測(cè)，HPPC試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖3所示。

圖3 XXX20鋰電池HPPC試驗(yàn)結(jié)果

HPPC試驗(yàn)中一次循環(huán)放出10%的容量，放電后擱置，目的是等待電池極化效應(yīng)幾乎完全消失，此時(shí)測(cè)定開路電壓值可作為該SOC下的開路電壓(OCV)。從鋰電池100%容量放電至0%，HPPC試驗(yàn)共測(cè)定11個(gè)開路電壓值。以 SOC 為橫坐標(biāo)，開路電壓OCV為縱坐標(biāo)，使用多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，可得SOC-OCV關(guān)系擬合曲線如圖4所示。

圖4 XXX20鋰電池SOC-OCV關(guān)系擬合曲線

圖4中SOC-OCV多項(xiàng)式擬合結(jié)果為：

y=-0.000000000041607x6+0.000000014119099x5

-0.000001892468753x4+0.000126832521228x3

-0.004337167013906x2+0.072392477832567x+

3.147264096279860

(3)

其中:y為開路電壓OCV，x為電池SOC。

圖5為HPPC試驗(yàn)充放電脈沖段測(cè)試數(shù)據(jù)曲線，其作用是測(cè)定電池動(dòng)態(tài)特性，可通過數(shù)據(jù)中電壓電流變化情況計(jì)算電路模型中的歐姆電阻Ro，極化電阻Rp和極化電容Cp。

圖5 XXX20鋰電池HPPC動(dòng)態(tài)特性

從圖5中可知，t0～t1時(shí)段電池靜置；t1～t2～t3～t4時(shí)段電池以0.5 C恒流放電，電池電壓在t1～t2時(shí)刻瞬間減少，體現(xiàn)了電池的純電阻特性，可通過此計(jì)算電池的歐姆電阻；t2～t3時(shí)段，電池電壓逐漸緩慢下降，體現(xiàn)了電池的極化效應(yīng)慢慢消失，反映了電池的極化電容和電阻特征；t3～t4時(shí)段電池0.5 C恒流放電結(jié)束，電壓瞬間增大，也體現(xiàn)了電池的純電阻特性；t4～t5時(shí)段電池靜置，電壓緩慢上升，體現(xiàn)了電池的極化效應(yīng)慢慢消失；電池充電脈沖與放電脈沖原理一致。

通過HPPC試驗(yàn)可對(duì)XXX20電池Thevenin模型的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。在25 ℃環(huán)境溫度條件下，XXX20電池的Thevenin模型參數(shù)如表1。

表1 XXX20電池Thevenin模型參數(shù)

2.3 基于EKF的鋰電池SOC估算

EKF(擴(kuò)展卡爾曼濾波算法)是建立在線性卡爾曼濾波的基礎(chǔ)上，為解決非線性問題而提出的。其核心思想是將非線性函數(shù)在狀態(tài)估計(jì)處Taylor展開并保留一階展開項(xiàng)。本文使用EKF對(duì)電池SOC進(jìn)行估算[19]。首先需獲得鋰電池SOC估計(jì)空間模型的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程。

根據(jù)鋰電池SOC定義，可得其遞推公式如下：

SOCk+1=SOCk-ikΔt/Qk

(4)

在結(jié)合鋰電池模型電路表達(dá)式，得到離散化公式如下：

Uk+1=Uocv,k+1-Up,k+1-R0ik+1

(5)

Up,k+1=Up,ke-Δt/RpCp+Rpik(1-e-Δt/RpCp)

(6)

根據(jù)式(4)～(6)，得到鋰電池SOC估計(jì)空間模型的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程如下：

(7)

(8)

式(4)～式(8)中,Uocv為開路電壓，Ro為歐姆電阻，Rp極化電阻和Cp極化電容，均為XXX20電池Thevenin模型參數(shù)，已通過第2.2章試驗(yàn)結(jié)果獲得。

結(jié)合式(7)～(8)可以得到狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Ak：

(9)

觀測(cè)矩陣Ck：

(10)

式(8)中,歐姆內(nèi)阻Ro作為該算法的輸入量，采用 EKF 濾波算法解決電池 SOC估算的問題，首先要處理的問題是開路電壓SOC的數(shù)學(xué)擬合，根據(jù)第2.2章節(jié)的OCV-SOC曲線的多項(xiàng)式擬合結(jié)果求導(dǎo)就可以得到觀測(cè)矩陣Ck第一項(xiàng)。

獲取到以上所有參數(shù)后，可以根據(jù)EKF算法結(jié)合第2.2節(jié)Thevenin電路模型的辨識(shí)結(jié)果參數(shù)可在線估算電池SOC。EKF算法是利用上一拍數(shù)據(jù)對(duì)下一拍狀態(tài)值和誤差值進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣、觀測(cè)矩陣和協(xié)方差矩陣進(jìn)行更新，不斷迭代得到準(zhǔn)確的狀態(tài)值，算法具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1)啟動(dòng)算法，輸入初值向量X0和協(xié)方差矩陣P0；

2)狀態(tài)值預(yù)測(cè)Xk|k-1；

Xk|k-1=f(Xk-1,ik-1)

(11)

3)觀測(cè)值預(yù)測(cè)Uk|k-1；

Uk|k-1=h(Xk-1,ik-1)

(12)

4)計(jì)算在狀態(tài)預(yù)測(cè)值Xk|k-1處的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；

(13)

5)計(jì)算在狀態(tài)預(yù)測(cè)值Xk|k-1處的觀測(cè)矩陣；

(14)

6)協(xié)方差Pk|k-1預(yù)測(cè)；

(15)

7)卡爾曼濾波增益Kk計(jì)算；

(16)

8)測(cè)量誤差值ek更新；

ek=Uk-Uk|k-1

(17)

9)狀態(tài)值Xk|k-1更新；

Xk=Xk|k-1+Kkek

(18)

10)協(xié)方差矩陣Pk更新；

Pk=(1-KkCk)Pk|k-1

(19)

結(jié)合狀態(tài)值更新Xk|k-1和協(xié)方差更新Pk公式可以構(gòu)建EKF算法估算電池SOC的模型。模型輸入為該工況下電池電流、電壓以及前述Thevenin電路模型的電池參數(shù)辨識(shí)結(jié)果，輸出為狀態(tài)量中的第一項(xiàng)SOC，算法流程如圖6所示。

圖6 EKF估算電池SOC算法流程

2.4 鋰電池SOC估算驗(yàn)證與結(jié)果分析

在環(huán)境溫度25 ℃條件下，用鋰電池充放電平臺(tái)將某運(yùn)載型號(hào)XXX20單體電池，按其控制系統(tǒng)放電曲線要求進(jìn)行3 000 s放電試驗(yàn)。

根據(jù)充放電平臺(tái)采集的電壓電流數(shù)據(jù)，采用EKF算法對(duì)SOC進(jìn)行全程估算，采用安時(shí)法算出電池單體每個(gè)時(shí)刻的實(shí)際SOC，將EKF算法SOC估計(jì)結(jié)果與電池實(shí)際SOC進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

圖7 XXX20鋰電池EKF估算SOC與實(shí)際對(duì)比

通過圖7可見，基于EKF算法對(duì)SOC估計(jì)的結(jié)果準(zhǔn)確，SOC估算精度在95%以上，可以應(yīng)用于后續(xù)研究。

3 供電能源冗余管理

3.1 冗余管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于上述對(duì)鋰電池故障模式的識(shí)別與診斷的方法和鋰電池SOC估算的研究，本文提出了運(yùn)載火箭供電能源冗余管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由攜帶冗余單體的鋰離子電池組、能源管理控制器和配電器組成。通過能源管理控制器采集鋰電池單體電壓及電流在線估計(jì)鋰離子電池組單體電池SOC，根據(jù)SOC計(jì)算結(jié)果和電池電壓、電流、溫度綜合判斷鋰離子單體電池是否出現(xiàn)故障，并智能實(shí)現(xiàn)能源切換，完成電池組拓?fù)渲貥?gòu)[20-23]。

目前，電池組拓?fù)渲貥?gòu)方法分為2類：1)開關(guān)陣列型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：通過改變開關(guān)陣列的打開閉合方式動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)電池組容錯(cuò)，使電池組可以在串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)混合模式下工作；2)開關(guān)旁路型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：通過開關(guān)旁路的方法將失效電池旁路而不影響其他電池充放電。為滿足電池單體智能故障隔離的使用要求，并適應(yīng)更多的故障工況，使用開關(guān)陣列型拓?fù)渲貥?gòu)方法。

以某運(yùn)載型號(hào)為例介紹供電能源冗余管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成(詳見圖8)，該型號(hào)全箭電氣系統(tǒng)采用3塊20 Ah的鋰電池供電，20 Ah鋰電池均為8個(gè)XXX20單體串聯(lián)結(jié)構(gòu)。以單個(gè)電池組為例，使用冗余管理系統(tǒng)后，在8個(gè)單體電池的基礎(chǔ)上增加2個(gè)單體做冗余備份使用(考慮電池高可靠性設(shè)置2個(gè)單體備份)，并且在電池結(jié)構(gòu)中增加10組繼電器及相關(guān)電路用于冗余切換，其中K1a～K8a為常閉觸點(diǎn)，K1b～K8b為常開觸點(diǎn)(對(duì)應(yīng)常規(guī)8個(gè)單體)，K9a～K10a為常開觸點(diǎn)，K9b～K10b為常閉觸點(diǎn)(對(duì)應(yīng)冗余2個(gè)單體)，上述每個(gè)繼電器觸點(diǎn)都采用兩組觸點(diǎn)并聯(lián)起到冗余作用(圖中只畫出一個(gè)觸點(diǎn)起示意作用)，繼電器觸點(diǎn)K1a～K10a、K1b～K10b都并聯(lián)續(xù)流二極管在單體冗余切換過程中起續(xù)流作用。

能源管理控制器可對(duì)電池電壓、溫度和電池組電流進(jìn)行采集，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)按第2章節(jié)方法進(jìn)行電池SOC估算，根據(jù)每個(gè)單體SOC估算結(jié)果結(jié)合電壓、電流、溫度組合判斷電池單體是否故障，進(jìn)一步判斷是否進(jìn)行單體電池冗余切換，并控制鋰離子電池組中的繼電器完成冗余切換。

配電器為電氣系統(tǒng)的常規(guī)設(shè)備，將鋰電池的供電輸出分配給箭上各單機(jī)。

如圖8所示，當(dāng)單體電池3號(hào)出現(xiàn)故障時(shí)，能源管理控制器通過SOC估算判斷3號(hào)單體異常，向鋰電池發(fā)出冗余切換控制信號(hào)，接通K3和K9的繼電器線包，K3a打開、K3b閉合故障單體3號(hào)被隔離，K9a閉合，K9b打開冗余單體1號(hào)接入供電線路。在單體3號(hào)被隔離和冗余單體1號(hào)接入瞬間，由于繼電器觸點(diǎn)狀態(tài)瞬間發(fā)生轉(zhuǎn)變，續(xù)流二極管都起到了續(xù)流作用，電池組拓?fù)渫瓿汕袚Q重構(gòu)。

圖8 運(yùn)載火箭供電能源冗余管理系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)的電壓參數(shù)是通過將鋰電池中電壓測(cè)點(diǎn)引出至能源管理控制器采集；電流參數(shù)是通過將鋰離子電池組電流串聯(lián)通過能源管理控制器，使用能源管理控制器中的霍爾電流傳感器進(jìn)行測(cè)量；溫度參數(shù)是通過將鋰電池中熱敏電阻測(cè)點(diǎn)引出至能源管理控制器采集。

鋰離子電池組中除增加繼電器結(jié)構(gòu)和2個(gè)單體電池外并未增加復(fù)雜結(jié)構(gòu)。能源管理控制器承擔(dān)了參數(shù)采集，電池SOC計(jì)算，冗余切換判斷和控制輸出等大部分復(fù)雜功能。在運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)實(shí)際使用中，能源管理控制器承擔(dān)箭上全部鋰電池的能源管理功能，并且可以和其他電子單機(jī)集成，組合成綜合電子結(jié)構(gòu)。

綜上所述，運(yùn)載火箭供電能源冗余管理系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)電池冗余管理的同時(shí)，并未增加過多的重量與成本，對(duì)火箭運(yùn)載能力影響有限。在實(shí)現(xiàn)高可靠的同時(shí)具有低成本，高效益的作用。

3.2 冗余管理策略

運(yùn)載火箭供電能源冗余管理系統(tǒng)使用鋰離子單體電池SOC，電壓，溫度和電池組電壓、電流作為組合判斷依據(jù)，對(duì)鋰離子電池組中的故障單體進(jìn)行識(shí)別如圖9所示。

圖9 故障判斷與冗余切換控制示意圖

當(dāng)鋰離子電池組中出現(xiàn)故障單體時(shí)，可通過故障判斷結(jié)果對(duì)電池組進(jìn)行切換重構(gòu)，旁路故障單體，接入冗余電池使鋰離子電池組繼續(xù)工作。為實(shí)現(xiàn)故障切換的準(zhǔn)確性，需制定準(zhǔn)確的冗余管理策略[24-25]。

鋰電池單體故障模式主要有短路、斷路和電性能異常衰減3種，對(duì)應(yīng)電壓，電流，溫度，SOC的故障模式有：?jiǎn)误w電池SOC異常偏大或偏小，電池單體電壓不在電壓正常范圍內(nèi)，電池單體溫度異常升高(因電池電流是干路電流無法判別哪個(gè)單體出現(xiàn)故障，故不作判別依據(jù))。

對(duì)某運(yùn)載型號(hào)8串XXX20鋰電池組按照電氣系統(tǒng)放電曲線進(jìn)行多輪放電試驗(yàn)。

對(duì)放電試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 8串XXX20鋰電池組放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表2放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)和XXX20單體電池特征參數(shù)表明：1)在放電全程每個(gè)電池單體的容量不會(huì)相對(duì)單體容量平均值偏大15%；2)在放電全程每個(gè)電池單體的容量不會(huì)相對(duì)單體容量平均值偏小15%；3)電池單體電壓正常范圍為2.3～4.5 V(放大閾值后)；4)電池單體溫度超過40 ℃判定為熱失控。

按照試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)某運(yùn)載型號(hào)8串20 Ah鋰電池冗余判定要求如下：

1)當(dāng)本時(shí)刻常規(guī)8個(gè)電池單體中存在1個(gè)或2個(gè)單體容量相對(duì)其他單體容量平均值小15%，將該故障單體隔離，并切換容量較高的冗余單體；

2)當(dāng)本時(shí)刻常規(guī)8個(gè)電池單體中存在1個(gè)或2個(gè)單體容量相對(duì)其他單體容量平均值大15%，將該故障單體隔離，并切換容量較高的冗余單體；

3)當(dāng)本時(shí)刻常規(guī)8個(gè)電池單體中存在1個(gè)或2個(gè)單體電壓超出2.3～4.5 V的正常范圍，則將該故障單體隔離，并切換容量較高的冗余單體；

4)當(dāng)本時(shí)刻常規(guī)8個(gè)電池單體中存在1個(gè)或2個(gè)單體溫度快速升高超過40 ℃時(shí)，將該故障單體隔離，并切換容量較高的冗余單體；

5)當(dāng)本時(shí)刻常規(guī)8個(gè)電池單體容量均小于15%，將最低容量的2個(gè)單體切換至冗余單體，保證負(fù)載常規(guī)供電。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)當(dāng)前運(yùn)載火箭領(lǐng)域電池供電無冗余的現(xiàn)狀，提出了基于鋰電池SOC的供電能源冗余管理系統(tǒng)方案及冗余管理策略，提高了運(yùn)載火箭領(lǐng)域的電池電源可靠性、安全性與容錯(cuò)能力。

采用EKF法對(duì)鋰電池單體SOC估算，并與實(shí)際SOC進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了該SOC估算方法的準(zhǔn)確性。根據(jù)鋰電池單體SOC估算結(jié)果和電壓、電流、溫度采樣結(jié)果組合判斷單體故障情況，并對(duì)故障單體進(jìn)行隔離控制并接入冗余單體，完成電池組拓?fù)渲貥?gòu)，保障運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)正常工作。運(yùn)載火箭供電能源冗余管理系統(tǒng)首次提出了運(yùn)載火箭電池拓?fù)渲貥?gòu)實(shí)現(xiàn)冗余的新概念，對(duì)提高運(yùn)載火箭可靠性安全性有重大意義。