Применение литий-ионных аккумуляторных батарей для систем электроснабжения космических аппаратов (КА) последние несколько лет представляет собой весьма перспективное направление, которое, однако, наталкивается на ряд сложностей организационно-технологического характера [1]. Первая в России литий-ионная аккумуляторная батарея (ЛИАБ), изготовленная ОАО "Сатурн", была установлена на борту КА "ГЛОНАСС-М" № 27, запущенного в декабре 2008 г. [2]. Одним из необходимых элементов ЛИАБ при применении в условиях космического пространства является система поэлементного контроля напряжений на отдельных аккумуляторах батареи, техническая реализация которой имеет значительную специфику. В статье предложен вариант реализации подобной системы, разработанной и опробованной в ИЗМИ РАН в ходе проведения ряда работ по созданию перспективных систем электроснабжения космических аппаратов научного назначения. Данная система весьма проста, надежна, и может быть полностью реализована на отечественной элементной базе.

ЗАДАЧA ПОЭЛЕМЕНТНОГО КОНТРОЛЯ БАТАРЕИ

Надежная эксплуатация литий-ионной аккумуляторной батареи возможна только при обеспечении непрерывного контроля за напряжением каж- дого отдельного ее элемента как в процессе разряда, так и в процессе заряда. Напряжение элемента ЛИАБ составляет величину порядка 3.6 В для батарей с оксидными катодами (3.2 В для батарей с катодом на базе литированного фосфата железа) [2] и должно быть измерено с абсолютной погрешностью порядка ±(10÷50) мВ. Типичное количество элементов — 8 штук, таким образом, полное напряжение батареи составляет величину порядка 28 В. Схема подключения измерительного узла к такой батарее показана на рис. 1. Специфическими по условиям применения требованиями к данному узлу являются следующие.

• •    Узел измерений монтируется внутри ЛИАБ и не может быть отключен от элементов Э1÷Э8 в режиме хранения батареи/системы электроснабжения космического аппарата. Поэтому его схемотехника должна обеспечивать отсутствие заметных для ЛИАБ токов потребления I ут1 ÷ I ут8 от измерительных проводников элементов Э1÷Э8 при снятии питания с системы управления ЛИАБ "главным выключателем".

• •    Схемотехника узла должна быть максимально простой, надежной и быть построена на отечественной элементной компонентной базе (ЭКБ), включенной в соответствующие ограничительные перечни. Сюда же относятся и требования по стойкости ЭКБ к радиации и прочим внешним воздействующим факторам космического пространства в течение длительных сроков эксплуатации аппаратуры на орбите.

  LQ

  
  

  С;

  
  

  Е

  ф

  i

  <Т5

  
  

  ⁺Уаб +20...+36

  
  

  Э8

  
  

  Э7

  
  

  Э6

  
  

  Э5

  
  

  Э4

  
  

  ЭЗ

  
  

  Э2

  
  

  Э1

  
  

  I ут8 +17.5...+31.5

  
  

  +15.0...+27.0

  
  

  +12.5..+22.5

  
  

  +7.5...+13.5

  
  

  +2.5...+4.5

  
  

  ут3

  +5.0...+9.0     .

  

  I ут1

  I ут4

  ут2

  ут7

  I ут6

  ут5

  
  

  К Система И' управления ЛИАБ

  
  

  мко

  
  

  Бортовая система управления КА

  
  

  -^АБ

Рис. 1. Схема подключения измерительного узла к ЛИАБ

Сформулированные выше специфические требования не позволяют использовать для реализации измерительного узла какие-либо стандартные решения, а требуют разработки устройства специального назначения, методика построения которого и описывается в статье.

СХЕМОТЕХНИКА УЗЛА ПОЭЛЕМЕНТНОГО КОНТРОЛЯ

Для измерения поэлементных напряжений в данной ситуации был выбран метод прямого дифференциального измерения напряжений каналов элементов U 1 ÷ U 8 . Измерение в нашем случае производилось с помощью стандартного 10битного АЦП с диапазоном измерения 0÷5 В, встроенного в микро-ЭВМ 1886ВЕ2У производства ПКК "МИЛАНДР" (г. Зеленоград), которая применялась в системе управления конкретной ЛИАБ.

Для нормализации напряжений элементов применяется деление на прецизионных резисторах Rd1—Rd2 в каждом канале. Номиналы резисторов делителей одинаковы для всех каналов: Rd1 = = 2.71 кОм, Rd2 = 383 Ом, за исключением кана- ла 1, схема которого несколько отличается от остальных (рис. 2). Параметры этих резисторов чрезвычайно критичны для целей достижения точности измерения, поэтому к их выбору следует отнестись крайне внимательно. В данном случае при создании опытного образца системы были применены прецизионные резисторы производства НПО "ЭРКОН" (Н. Новгород) серии Р1-8МП-0,125 с допусками ±0.1% -0,5-Г согласно спецификации производителя. Номинальный коэффициент деления для каналов 2÷8 составляет ровно 8.

Измерительные делители напряжения нельзя подключать к батарее напрямую, т. к. через них будут протекать токи при выключенном питании системы управления ЛИАБ (режим хранения), которые будут через защитные диоды АЦП выключенной системы управления производить ее паразитное запитывание, к тому же при этом значительно увеличивается саморазряд батареи. Применение более высокоомных резисторов невозможно по соображениям точности измерения в условиях наличия разнообразных токов утечки и иным причинам.

По этой причине измерительные делители следует развязать от батареи с помощью транзисторных

Рис. 2. Схемотехника узла измерения напряжений элементов.

Каналы 2÷8 идентичны, за исключением номиналов R1 и R2; клеммы E1÷E8 — выходы для подключения стандартного АЦП; клеммы М1÷М8 — входы управления измерительными ключами; цифровые уровни КМОП +5 В

ключей, как это показано на рис. 2. Режим работы измерительного узла при этом становится импульсным — система управления поочередно активирует соответствующий ключ измерительного канала подачей сигналов управления М1÷М8 (стандартные логические уровни логики КМОП

5 В в данном примере). В режиме хранения импульсы открытия ключей не подаются, таким образом обеспечивая отключение измерительных делителей всех каналов. Импульсный режим измерения также благоприятно сказывается на потреблении измерительного узла и значительном

Параметры схемы измерительного узла на рис. 2

Параметр схемы Каналы элементов ЛИАБ 1 2 3 4 5 6 7 8 R1, кОм 33 43 22 13 10 7.5 6.2 5.6 R2, кОм — 33 33 33 33 33 33 33 Диапазон Ui, В 2.5÷4.5 5÷9 7.5÷13.5 10÷18 12.5÷ 22.5 15÷27 17.5÷ 31.5 20÷36 UЗИ для VT1, В –2.5÷ –4.5 –2.7÷ –5.4 –2.8÷ –5.8 –2.6÷ –5.6 –2.6÷ –5.7 –2.5÷ –5.5 –2.5÷ –5.5 –2.6÷ –5.8 Диапазон Ei, В 2.5÷4.5 0.6÷1.1 0.9÷1.7 1.2÷2.2 1.5÷2.8 1.8÷3.3 2.2÷3.9 2.5÷4.5 Температурный дрейф делителя Rd1—Rd2, мВ 0 0.5 0.7 0.9 1.1 1.4 1.6 1.8 Ошибка измерения Ui, мВ 3 26 27 29 30 33 34 36 Общая ошибка измерения напряжения элемента i, мВ ±2 ±15 ±27 ±28 ±30 ±32 ±34 ±35 снижении разогрева измерительных резисторов протекающим током.

Значения поэлементных напряжений получаются в микро-ЭВМ системы управления батареей как разности напряжений соответствующих каналов U 1÷ U 8. Для вычисления этих напряжений по измеренным значениям E 1÷ E 8 (т. е. по данным АЦП) в программу микро-ЭВМ вводится калибровочная таблица точных значений коэффициентов деления каждого канала, получаемая в ходе проведения калибровки устройства. Для применения на космических аппаратах такое решение является вполне оправданным, учитывая чрезвычайную простоту реализации измерительной схемы и уровень ее надежности на протяжении всего срока летной эксплуатации космического аппарата.

В качестве ключевых транзисторов могут быть использованы любые подходящие по параметрам отечественные МОП-транзисторы, причем ком-плементарности пары VT1—VT2 не требуется. Особых требований к данным транзисторам с точки зрения методики измерения не предъявляется.

Числовые значения параметров схемы измерительного узла, в т. ч. необходимые для подбора транзисторов, приведены в таблице.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА

Описанная методика измерения поэлементных напряжений была опробована в ИЗМИ РАН в ходе реализации ряда научно-исследовательских проектов в области создания перспективных систем электроснабжения (СЭС) космических аппаратов научно-технического назначения. При этом был создан прототип системы управления СЭС с двумя литий-ионными аккумуляторными батареями, который прошел все виды испытаний на уровне технологического образца.

Узел измерений (рис. 1) был реализован в описываемом выше виде и интегрирован в систему управления ЛИАБ, смонтированную внутри корпуса батареи. Система управления была реализована на базе микро-ЭВМ 1886ВЕ2У производства ПКК "МИЛАНДР" (г. Зеленоград), однако может быть реализована и на других кристаллах, выпускаемых отечественной промышленностью [3]. В данном случае основным фактором ограничения точности измерений стало разрешение АЦП в 10 бит при опорном напряжении 5 В. На величину ошибки измерения также значительное влияние оказывает уровень шума измерительных резисторов делителей напряжения каналов Rd1—Rd2 (за исключением канала 1 элемента, который можно использовать для оценки шумовых эффектов резисторов).

Существенным недостатком предложенного метода измерения является тот факт, что величины ошибок измерения (дискретность АЦП, все виды дрейфов резисторов делителей, сдвиги измери- тельных каналов, всевозможные шумы и т. д.) умножаются на коэффициент деления измерительных каналов, который равен 8. Существенными преимуществами же являются чрезвычайная простота, надежность и доступность элементной базы повышенной стойкости российского производства.

В полученной системе управления ЛИАБ с помощью применения статистических методов обработки результатов измерений в микро-ЭВМ системы управления (скользящее сглаживание по нескольким сотням точек) была достигнута реальная точность измерений поэлементных напряжений порядка ±50 мВ с частотой выдачи результатов в систему управления 10 Гц, что является вполне приемлемой величиной для целей управления процессами заряда, разряда и поэлементной балансировки элементов ЛИАБ с помощью электронных нивелиров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Реализация описанного в статье метода построения узла измерений поэлементных напряжений аккумуляторов в литий-ионных аккумуляторных батареях, применяемых в системах электроснабжения космических аппаратов научного назначения позволяет создавать подобные системы, обладающие такими главными качествами, как простота, надежность, стойкость к воздействию внешних возмущающих факторов космического пространства, достаточная точность, наличие отечественной элементной базы для реализации системы.