CN103792446B - 一种模拟电池放电性能的方法及实现该方法的电池模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模拟电池放电性能的方法及实现该方法的电池模拟器，通过MCU中的内部控制器存储参考放电电压信号的n位二进制数字量并将D_n输入到MCU的DAC模块中，DAC模块将D_n转换为模拟电压U_on后输出，然后将U_on进行放大处理，使其大小可被采集到，得到电压输出值U₀输出，采集电压输出值U₀并将电压输出值U₀叠加一个直流分量U后使其输入到ADC模块中被转换为反馈电压信号后传输给MCU的内部控制器，MCU的内部控制器对反馈电压信号和参考放电电压信号进行对比，根据对比结果改变输入到DAC模块中的数字量，由此调整反馈电压信号，直至反馈电压信号与参考放电电压信号相等；优点是通过反馈调整提高了DAC模块的分辨率位数，在保证低成本的基础上，提高了模拟精度。

Description

一种模拟电池放电性能的方法及实现该方法的电池模拟器

技术领域

本发明涉及一种电池性能检测技术，尤其是涉及一种模拟电池放电性能的方法及实现该方法的电池模拟器。

背景技术

随着电子工业的发展，人们对电池的要求越来越高。锂离子电池是一种普遍而常见的电池，其本身的材料决定了它不能过充、过放、过流、短路及超高温充放电等。为了保护锂离子电池，人们设计了电池保护板来对锂离子电池进行保护，电池保护板的性能好坏直接决定了锂离子电池的使用性能。电池保护板的性能检测必须要配合电池进行，如果将真实的电池直接用于电池保护板测试中进行过充电电压或过放电电压测试，这样完整的检测一个电池从充电到放电需要花很长时间，检测效率比较低，而且由于电池固有的特性，这样反复的充放电也很容易使其寿命缩短甚至永久的损坏，造成污染和浪费。因此，人们设计了可以模拟电池的性能的方法及装置(也叫电池模拟器)来取代电池实现电池保护板的性能检测。

电池的放电性能为电池最重要的性能指标之一，现有的模拟电池放电性能的方法一般是先设定一个参考放电电压，然后将该参考电压转换为模拟信号后作为输出电压输出。上述方法中一般是通过DAC模块(即数模转换模块)将参考电压转换为模拟信号,然后通过控制模块将模拟信号输出。实现上述方法的装置中，可以采用一个MCU(MicroControlUnit，微控制单元)来同时实现控制模块和DAC模块的功能，即DAC模块为内置式，也可以采用MCU和外置式DAC模块，此时MCU仅作为控制模块使用。由于外置式DAC模块和含有10位以上内置式DAC模块的MCU模块价格相对于含有的10位或者10位以下的内置式DAC模块的MCU的价格偏高很多，应用于电池模拟器时性价比较低，目前通常采用成本较低的含有的10位或者10位以下的内置式DAC模块的MCU实现电压的转换和输出，但是因为MCU中DAC模块位数不高且自身存在误差，最终输出的输出电压误差较大，以致模拟电池放电性能的精度较低，无法保证电池保护板的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是提供一种在保证具有低成本的基础上，可以提高模拟精度的模拟电池放电性能的方法

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种模拟电池放电性能的方法，包括以下步骤：

①将参考放电电压信号的n位二进制数字量D_n输入到含有内置式DAC模块和ADC模块的MCU的内部控制器中并存储，其中DAC模块的分辨率位数为n，n≤10，ADC模块的分辨率位数为m，DAC模块的参考电压为V_REF，ADC模块的参考电压为V′_REF；

②MCU的内部控制器将存储的D_n输入到DAC模块中，DAC模块将D_n进行数模转换，根据公式计算得到模拟输出量U_on后输出，最低有效位

③将U_on进行放大处理，得到电压输出值U₀输出，U₀＝K×U_on，其中，K表示放大倍数，K≥2；

④采集电压输出值U₀并将电压输出值U₀叠加一个直流分量U，得到U'₀，U'₀＝U₀+U≤V′_REF；

⑤ADC模块以f_os的采样频率对U'₀进行采样，其中f_os＝4^p×f_s，p表示希望为DAC模块和ADC模块增加的分辨率位数，f_s表示初始采样频率，ADC模块将4^p个采样值进行累加后对其进行抽取后得到反馈电压对应的数字信号D_ADC，然后将D_ADC输入到MCU的内部控制器中，此时ADC模块的分辨率位数为m+p；

⑥MCU的内部控制器中设置数据周期为T，将在第w个数据周期T内MCU的内部控制器将D_n输入DAC模块的时间记为T_w，w＝1,2,3,……，将D_ADC与D_n进行比较：如果D_ADC＝D_n，则将步骤③中得到的电压输出值U₀作为模拟放电电压值输出；如果D_ADC>D_n，则MCU的内部控制器将D_n-1取代D_n输入到DAC模块中后对步骤②～步骤⑤中的相应数据进行更新，循环往复直至步骤⑥中得到D_ADC＝D_n的结果，MCU的内部控制器统计各个数据周期内的D_n输入DAC模块的时间和D_n-1输入DAC模块的时间，若此时的数据周期为第i个数据周期，根据公式计算得到U_O-end作为模拟放电电压值输出，T_i-1为第i-1个数据周期内MCU的内部控制器将D_n输入DAC模块的时间，此时U_O-end具有n+p位的分辨率位数，其中V_Dn是D_n对应的电压值，V_Dn-1是D_n-1对应的电压值，V_Dn＝(V_REF/2ⁿ)*D_n，V_Dn-1＝(V_REF/2ⁿ)*(D_n-1)；如果D_ADC＜D_n，则MCU的内部控制器将D_n+1取代D_n输入到DAC模块中后对步骤②～步骤⑤中的相应数据进行更新，循环往复直至步骤⑥中得到D_ADC＝D_n的结果，MCU的内部控制器统计各个数据周期内的D_n输入DAC模块的时间和D_n+1输入DAC模块的时间，若此时的数据周期为第i个数据周期，根据公式计算得到U_O-end作为模拟放电电压值输出，T_i-1为第i-1个数据周期内MCU的内部控制器将D_n输入DAC模块的时间，此时U_O-end具有n+p位的分辨率位数，其中V_Dn是D_n对应的电压值，V_Dn+1是D_n+1对应的电压值，V_Dn＝(V_REF/2ⁿ)*D_n，V_Dn+1＝(V_REF/2ⁿ)*(D_n+1)。

所述的步骤①中参考放电电压信号的n位二进制数字量D_n是通过通信模块输入到含有内置式DAC模块和ADC模块的MCU的内部控制器中并存储。

所述的通信模块由隔离电路单元和485通信电路单元组成，所述的隔离电路单元由第一光电耦合器、第二光电耦合器、第三光电耦合器、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻和第十七电阻组成，所述的485通信电路单元由MAX485芯片、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻和第二十一电阻组成，所述的第一光电耦合器的集电极和所述的第十二电阻的一端连接作为所述的通信模块的第一信号输入端，所述的第一光电耦合器的发射极接地，所述的第二光电耦合器的阳极和所述的第十三电阻的一端连接，所述的第二光电耦合器的阴极作为所述的通信模块的第二信号输入端，所述的第三光电耦合器的阳极和所述的第十四电阻的一端连接，所述的第三光电耦合器的阴极作为所述的通信模块的第三信号输入端，所述的第十二电阻的另一端、所述的第十三电阻的另一端和所述的第十四电阻的另一端连接且其连接端为所述的通信模块的第一电压信号接入端，所述的第一光电耦合器的阳极与所述的第十五电阻的一端连接，所述的第一光电耦合器的阴极与所述的MAX485芯片的第1脚连接，所述的第二光电耦合器的集电极为所述的通信模块的第二电压信号接入端，所述的第二光电耦合器的发射极、所述的第十六电阻的一端、所述的MAX485芯片的第2脚和所述的MAX485芯片的第3脚连接，所述的第三光电耦合器的集电极、所述的第十七电阻的一端和所述的MAX485芯片的第4脚连接，所述的第十五电阻的另一端、所述的第十八电阻的一端和所述的MAX485芯片的第8脚连接，所述的MAX485芯片的第7脚和所述的第十九电阻的一端连接，所述的第十八电阻的另一端和所述的第十九电阻的另一端连接且其连接端为所述的通信模块的第一信号输出端，所述的MAX485芯片的第6脚和所述的第二十电阻的一端连接，所述的第二十电阻的另一端和所述的第二十一电阻的一端连接且其连接端为所述的通信模块的第二信号输出端，所述的第十七电阻的另一端为所述的通信模块的第三电压信号接入端，所述的第三光电耦合器的发射极、所述的第十六电阻的另一端、所述的MAX485芯片的第5脚和所述的第二十一电阻的另一端均接地，所述的通信模块的第一信号输入端、第二信号输入端和第三信号输入端与外部控制器的信号输入端连接用于接入参考放电电压信号，所述的通信模块的第一信号输出端和第二信号输出端将处理后的参考放电电压信号输入到所述的MCU的内部控制器中。

本发明所要解决的技术问题之二是提供一种在保证具有低成本的基础上，可以提高模拟精度的模拟电池放电性能的电池模拟器。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种模拟电池放电性能的电池模拟器，包括具有内置式DAC模块和ADC模块的MCU、滤波放大模块、采样模块和用于提供所述的电池模拟器工作电压的电源模块，所述的DAC模块的信号输出端与所述的滤波放大模块的信号输入端连接，所述的采样模块的信号输入端与所述的滤波放大模块的信号输出端连接，所述的采样模块的信号输出端与所述的ADC模块的信号输入端连接，所述的DAC模块的分辨率位数为n，n≤10，所述的ADC模块的分辨率位数为m，所述的ADC模块和所述的采样模块组成反馈回路将所述的滤波放大模块输出的电压信号进行采集并生产反馈信号传输给所述的MCU的内部控制器，所述的MCU的内部控制器将反馈信号与其内存储的参考放电电压信号进行比较，根据比较结果调整输入到所述的DAC模块中的电压信号来改变所述的DAC模块的输出信号，直至反馈信号与参考放电电压信号一致。

所述的滤波放大模块由运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第一电容组成，所述的运算放大器的反相信号输入端、所述的第一电阻的一端和所述的第二电阻的一端连接，所述的运算放大器的同相信号输入端与所述的第三电阻的一端连接，所述的运算放大器的信号输出端、所述的第二电阻的另一端和所述的第四电阻的一端连接，所述的第四电阻的另一端和所述的第一电容的一端连接且其连接端为所述的滤波放大模块的信号输出端，所述的第三电阻的另一端为所述的滤波放大模块的信号输入端，所述的第一电阻的另一端和所述的第一电容的另一端均接地。

所述的采样模块包括电压采样单元和电流采样单元，所述的电压采样单元由MAX6161芯片、OP07芯片、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第二电容和第一差分放大电路组成，所述的第一差分放大电路由INA118芯片及外围电路组成，所述的MAX6161芯片的第2脚、所述的第二电容的一端和所述的第五电阻的一端连接，所述的第五电阻的另一端与所述的OP07芯片的第3脚连接，所述的OP07芯片的第2脚、所述的第六电阻的一端和所述的第七电阻的一端连接，所述的OP07芯片的第6脚、所述的第七电阻的另一端和所述的第一差分放大电路的同相信号输入端连接，所述的MAX6161芯片的第3脚、所述的第二电容的另一端、所述的第六电阻的另一端和所述的OP07芯片的第7脚均接地，所述的电流采样单元由第二差分放大电路、第九电阻、第十电阻和第一二极管组成，所述的第二差分放大电路由INA118芯片及外围电路组成，所述的第九电阻的一端、所述的第一二极管的阳极和所述的第二差分放大电路的同相信号输入端连接且其连接端为所述的采样模块的信号输出端，所述的第九电阻的另一端、所述的第一二极管的阴极、所述的第十电阻的一端和所述的第二差分放大电路的反相信号输入端连接，所述的第十电阻的另一端接地，所述的第一差分放大电路的信号输出端和所述的第二差分放大电路的信号输出端为所述的采样模块的两个信号输出端。

所述的MCU的内部控制器通过通信模块接入参考放电电压信号，所述的通信模块由隔离电路单元和485通信电路单元组成，所述的隔离电路单元由第一光电耦合器、第二光电耦合器、第三光电耦合器、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻和第十七电阻组成，所述的485通信电路单元由MAX485芯片、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻和第二十一电阻组成，所述的第一光电耦合器的集电极和所述的第十二电阻的一端连接作为所述的通信模块的第一信号输入端，所述的第一光电耦合器的发射极接地，所述的第二光电耦合器的阳极和所述的第十三电阻的一端连接，所述的第二光电耦合器的阴极作为所述的通信模块的第二信号输入端，所述的第三光电耦合器的阳极和所述的第十四电阻的一端连接，所述的第三光电耦合器的阴极作为所述的通信模块的第三信号输入端，所述的第十二电阻的另一端、所述的第十三电阻的另一端和所述的第十四电阻的另一端连接且其连接端为所述的通信模块的第一电压信号接入端，所述的第一光电耦合器的阳极与所述的第十五电阻的一端连接，所述的第一光电耦合器的阴极与所述的MAX485芯片的第1脚连接，所述的第二光电耦合器的集电极为所述的通信模块的第二电压信号接入端，所述的第二光电耦合器的发射极、所述的第十六电阻的一端、所述的MAX485芯片的第2脚和所述的MAX485芯片的第3脚连接，所述的第三光电耦合器的集电极、所述的第十七电阻的一端和所述的MAX485芯片的第4脚连接，所述的第十五电阻的另一端、所述的第十八电阻的一端和所述的MAX485芯片的第8脚连接，所述的MAX485芯片的第7脚和所述的第十九电阻的一端连接，所述的第十八电阻的另一端和所述的第十九电阻的另一端连接且其连接端为所述的通信模块的第一信号输出端，所述的MAX485芯片的第6脚和所述的第二十电阻的一端连接，所述的第二十电阻的另一端和所述的第二十一电阻的一端连接且其连接端为所述的通信模块的第二信号输出端，所述的第十七电阻的另一端为所述的通信模块的第三电压信号接入端，所述的第三光电耦合器的发射极、所述的第十六电阻的另一端、所述的MAX485芯片的第5脚和所述的第二十一电阻的另一端均接地，所述的通信模块的第一信号输入端、第二信号输入端和第三信号输入端与外部控制器的信号输入端连接用于接入参考放电电压信号，所述的通信模块的第一信号输出端和第二信号输出端将处理后的参考放电电压信号输入到所述的MCU的内部控制器中。

与现有技术相比，本发明的方法的优点在于通过MCU中的内部控制器存储参考放电电压信号的n位二进制数字量并将D_n输入到MCU的DAC模块中，DAC模块将D_n转换为模拟电压U_on后输出，然后将U_on进行放大处理，使其大小可被采集到，得到电压输出值U₀输出，采集电压输出值U₀并将电压输出值U₀叠加一个直流分量U后使其输入到ADC模块中被转换为反馈电压信号后传输给MCU的内部控制器，MCU的内部控制器对反馈电压信号和参考放电电压信号进行对比，根据对比结果改变输入到DAC模块中的数字量，由此调整反馈电压信号，直至反馈电压信号与参考放电电压信号相等，由此通过反馈调整提高了DAC模块的分辨率位数，在保证具有低成本的基础上，提高了模拟精度；

当参考放电电压信号的n位二进制数字量D_n通过通信模块输入到含有内置式DAC模块和ADC模块的MCU的内部控制器中并存储时，有效增强了参考放电电压信号输入到MCU的内部控制器中的抗干扰能力，保证信号的稳定性和可靠性，进一步提高精度，

当通信模块由隔离电路单元和485通信电路单元组成时，485通信电路单元将系统电源隔离，隔离电路单元将信号隔离，这样可以有效的消除实际应用中电路中各个节点间由于参考地的不同而会存在较高的共模电压的问题，保证正常工作；

与现有技术相比，本发明的电池模拟器的优点在于MCU具有内置式DAC模块和ADC模块，ADC模块和采样模块组成反馈回路将滤波放大模块输出的电压信号进行采集并生产反馈信号传输给MCU的内部控制器，MCU的内部控制器将反馈信号与其内存储的参考放电电压信号进行比较，根据比较结果调整输入到DAC模块中的电压信号来改变DAC模块的输出信号，直至反馈信号与参考放电电压信号一致，由此提高了DAC模块的分辨率位数，在保证具有低成本的基础上，提高了模拟电池放电性能的模拟精度；

当滤波放大模块由运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第一电容组成时，可以将DAC模块输出的电压信号放大到电池模拟器的放电电压范围内，保证整个电池模拟器的正常可靠工作；

当采样模块包括电压采样单元和电流采样单元，电压采样单元由MAX6161芯片、OP07芯片、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第二电容和第一差分放大电路组成，所述的第一差分放大电路由INA118芯片及外围电路组成，电流采样单元由第二差分放大电路、第九电阻、第十电阻和第一二极管组成，第二差分放大电路由INA118芯片及外围电路组成时，通过电压采样单元给予滤波放大模块输出的电压信号一个直流分量，使输入到ADC模块中的信号处于ADC模块采样的范围内，电流采样单元采用高端电流检测，通过电压采样单元和电流采样单元的结合使用，保证ADC模块可以采集到稳定且准确的电压反馈信号，进一步提高了电池模拟器的精度；

当MCU的内部控制器通过通信模块接入参考放电电压信号，通信模块由隔离电路单元和485通信电路单元组成时，485通信电路单元将系统电源隔离，隔离电路单元将信号隔离，这样可以有效的消除实际应用中电路中各个节点间由于参考地的不同而会存在较高的共模电压的问题，保证正常工作；与此同时，在提高其抗干扰性时，多个电池模拟器可以串联起来使用，方便实用。

附图说明

图1为本发明的电池模拟器的结构原理框图；

图2为本发明的电池模拟器的滤波放大模块的电路图；

图3(a)为本发明的电池模拟器的采样模块的电压采样单元的电路图；

图3(b)为本发明的电池模拟器的采样模块的电流采样单元的电路图；

图4为本发明的电池模拟器的通信模块的电路图；

图5为本发明的电池模拟器的电源模块的电路图；

图6(a)为本发明的方法和电池模拟器的工作波形图一；

图6(b)为本发明的方法和电池模拟器的工作波形图二；

图6(c)为本发明的方法和电池模拟器的工作波形图三。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明公开了一种模拟电池放电性能的方法，包括以下步骤：

①将参考放电电压信号的n位二进制数字量D_n输入到含有内置式DAC模块11和ADC模块12(即模数转换模块)的MCU1的内部控制器中并存储，其中DAC模块11的分辨率位数为n，n≤10，ADC模块12的分辨率位数为m，DAC模块的参考电压为V_REF，ADC模块的参考电压为V′_REF；

②MCU的内部控制器将存储的D_n输入到DAC模块中，DAC模块将D_n进行数模转换，根据公式计算得到模拟输出量U_on后输出，最低有效位 $1\mathrm{LSB}=\frac{V_{\mathrm{REF}}}{2^n};$

③将U_on进行放大处理，得到电压输出值U₀输出，U₀＝K×U_on，其中，K表示放大倍数，K≥2；

④采集电压输出值U₀并将电压输出值U₀叠加一个直流分量U，得到U'₀，U'₀＝U₀+U≤V′_REF；

⑤ADC模块12以f_os的采样频率对U'₀进行采样，其中f_os＝4^p×f_s，p表示希望为DAC模块11和ADC模块12增加的分辨率位数，f_s表示初始采样频率，ADC模块将4^p个采样值进行累加后对其进行抽取后得到反馈电压对应的数字信号D_ADC，然后将D_ADC输入到MCU的内部控制器中，此时ADC模块的分辨率位数为m+p；

⑥MCU1的内部控制器中设置数据周期为T，将在第w个数据周期T内MCU的内部控制器将D_n输入DAC模块的时间记为T_w，w＝1,2,3,……，将D_ADC与D_n进行比较：如果D_ADC＝D_n，则将步骤③中得到的电压输出值U₀作为模拟放电电压值输出；如果D_ADC>D_n，则MCU的内部控制器将D_n-1取代D_n输入到DAC模块中后对步骤②～步骤⑤中的相应数据进行更新，循环往复直至步骤⑥中得到D_ADC＝D_n的结果，MCU的内部控制器统计各个数据周期内的D_n输入DAC模块的时间和D_n-1输入DAC模块的时间，若此时的数据周期为第i个数据周期，根据公式计算得到U_O-end作为模拟放电电压值输出，T_i-1为第i-1个数据周期内MCU的内部控制器将D_n输入DAC模块的时间，此时U_O-end具有n+p位的分辨率位数，其中V_Dn是D_n对应的电压值，V_Dn-1是D_n-1对应的电压值，V_Dn＝(V_REF/2ⁿ)*D_n，V_Dn-1＝(V_REF/2ⁿ)*(D_n-1)；如果D_ADC＜D_n，则MCU的内部控制器将D_n+1取代D_n输入到DAC模块中后对步骤②～步骤⑤中的相应数据进行更新，循环往复直至步骤⑥中得到D_ADC＝D_n的结果，MCU的内部控制器统计各个数据周期内的D_n输入DAC模块的时间和D_n+1输入DAC模块的时间，若此时的数据周期为第i个数据周期，根据公式计算得到U_O-end作为模拟放电电压值输出，T_i-1为第i-1个数据周期内MCU的内部控制器将D_n输入DAC模块的时间，此时U_O-end具有n+p位的分辨率位数，其中V_Dn是D_n对应的电压值，V_Dn+1是D_n+1对应的电压值，V_Dn＝(V_REF/2ⁿ)*D_n，V_Dn+1＝(V_REF/2ⁿ)*(D_n+1)。

实施例：本发明的模拟电池放电性能的方法中，当n＝10时，即DAC模块11的分辨率位数为10，D_n和D_n-1是相邻的数字量，D_n和D_n+1也是相邻的数字量，均为10位，如D_n为0000000010，D_n-1为0000000001，D_n+1为0000000011，V_Dn是D_n对应的电压，V_Dn-1是D_n-1对应的电压量，V_Dn+1是D_n+1对应的电压量，即V_Dn＝(V_REF/2¹⁰)*D_n，V_Dn-1＝(V_REF/2¹⁰)*(D_n-1)，V_Dn+1＝(V_REF/2¹⁰)*(D_n+1)。根据需要，我们希望为DAC模块11和ADC模块12增加的分辨率位数为2，即p＝2。如图6(a)、6(b)和6(c)所示，在坐标轴上分别表示出V_Dn和V_Dn-1的大小，当直接使用MCU1的DAC模块11时，输入D_n，DAC模块11将会输出模拟电压量V_Dn，本发明中为了提高电压的精度，通过采集DAC模块11的输出电压，ADC模块12将采集的电压转换后反馈回MCU1的内部控制器中，通过将反馈电压信号和D_n进行对比，使D_n和D_n-1按周期交替输入DAC模块11中，使得DAC模块11将V_Dn和V_Dn-1按同样的周期交替输出，从而调整DAC模块11的输出信号，直至其输出信号与D_n一致。如图6(a)中所示，T为V_Dn和V_Dn-1交替一次输入到DAC模块11的时间(或者为DAC模块11交替输出V_Dn和V_Dn-1的时间)，T_w为一个周期T内V_Dn输入到DAC模块11的时间，则一个周期T内，V_Dn-1输入到DAC模块11的时间为T-T_w，如果T_w:(T-T_w)＝1:1，因此容易可知，这样的波形输出直流电压如图6(b)所示，T_w:(T-T_w)＝3:1，则这样的波形输出直流电压 $U=\frac{3V_{D_n}}{4}+\frac{V_{D_n-1}}{4}=V_{D_n-1}+\frac{(V_{D_n}-V_{D_n-1})*T_w}{T},$ 同理如图6(c)，T_w:(T-T_w)＝1:3，则这样的波形输出直流电压 $U=\frac{V_{D_n}}{4}+\frac{3V_{D_n-1}}{4}=V_{D_n-1}+\frac{(V_{D_n}-V_{D_n-1})*T_w}{T}.$ 不难看出，当改变T_w:T的比值，输出的直流电压的数值会按T_w:T的规律产生变化，由此，可以来改变1LSB的值。当T_w:(T-T_w)＝1:3时，即T_w:T＝1/4,D_n和D_n+1的输出原理与D_n和D_n-1的输出原理相同，由此，本发明的方法中根据反馈信号来调整输入DAC模块11的信号使DAC模块11产生了准PWM波，使T_w:T＝1/4，2/4，3/4，……，此时DAC模块11输出的电压与数字量的关系可以表示为

$U_{on}=\frac{V_{REF}}{2^{12}}\×D_{n+2}$

D_n+2为数字量D_n扩展2位后的数值，即十二位二进制数，由此本发明的方法可以将MCU1的10位DAC模块11扩展为10位以上(10+2位＝12位)。

本实施例的方法中，ADC模块12为MCU1内部集成的分辨率位数为12位的ADC，ADC模块12的输入范围为0-3V，此时ADC模块12能分辨的最小电压为0.73mV。但是由于热噪声、杂色噪声、参考电压波动等因素的影响使能分辨的最小电压大于1mV，本发明的方法中采用过采样来提高提高测量分辨率，在正确的条件下，过采样能减小噪声和改善SNR(信噪比)，这将有效地提高测量分辨率的位数。过采样与分辨率的关系原理如下所示：

$N=-\frac{1}{2}{\log }_2^{OSN}-\frac{1}{2}{\log }_2^{12}-\frac{1}{2}{\log }_2^{n^2}+\frac{1}{2}{\log }_2^{V_{REF}}$

式中OSR是过采样比，N是ADC模块的位数，V_REF是ADC模块的基准电压，n是噪声功率，由上述关系式可以看出采样频率每增加一倍，带内噪声将减小3dB，而测量分辨率将增加1/2位。在实际应用中，我们将一个信号的带宽限制到小于fs/2，然后以某个过采样比(OSR)对该信号采样，再对采样值求均值得到结果输出数据。每增加一位分辨率或每减小6dB的噪声，需要以4倍的采样频率进行过采样：f_os＝4^p×f_s，f_s表示初始采样频率，本实施例中，希望为DAC模块11和ADC模块12增加的分辨率位数p＝2，所以为了提高2位精度，50Hz的低频直流输入信号需要至少50*2*42＝1.6KHz的过采样频率。从ADC模块12取出样本值并将其加到一个运行累加器中，每过16个样本ADC模块更新结果。累加一组数值并对其进行抽取即可得到分辨率位数为14位的ADC模块。ADC模块12将4^p个采样值进行累加后对其进行抽取后得到反馈电压对应的数字信号然后将D_ADC输入到MCU的内部控制器中，此时ADC模块的分辨率位数为m+p＝12+2＝14。

本实施例的方法中，步骤①中参考放电电压信号的n位二进制数字量D_n可以通过通信模块5输入到含有内置式DAC模块11和ADC模块12的MCU1的内部控制器中并存储。

如图4所示，本实施例的方法中，通信模块5由隔离电路单元51和485通信电路单元52组成，隔离电路单元51由第一光电耦合器U6、第二光电耦合器U7、第三光电耦合器U8、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16和第十七电阻R17组成，485通信电路单元52由MAX485芯片U9、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20和第二十一电阻R21组成，第一光电耦合器U6的集电极和第十二电阻R12的一端连接作为通信模块的第一信号输入端，第一光电耦合器U6的发射极接地，第二光电耦合器U7的阳极和第十三电阻R13的一端连接，第二光电耦合器U7的阴极作为通信模块的第二信号输入端，第三光电耦合器U8的阳极和第十四电阻R14的一端连接，第三光电耦合器U8的阴极作为通信模块的第三信号输入端，第十二电阻R12的另一端、第十三电阻R13的另一端和第十四电阻R14的另一端连接且其连接端为通信模块的第一电压信号接入端，第一光电耦合器U6的阳极与第十五电阻R15的一端连接，第一光电耦合器U6的阴极与MAX485芯片U9的第1脚连接，第二光电耦合器U7的集电极为通信模块的第二电压信号接入端，第二光电耦合器U7的发射极、第十六电阻R16的一端、MAX485芯片U9的第2脚和MAX485芯片U9的第3脚连接，第三光电耦合器U8的集电极、第十七电阻R17的一端和MAX485芯片U9的第4脚连接，第十五电阻R15的另一端、第十八电阻R18的一端和MAX485芯片U9的第8脚连接，MAX485芯片U9的第7脚和第十九电阻R19的一端连接，第十八电阻R18的另一端和第十九电阻R19的另一端连接且其连接端为通信模块的第一信号输出端，MAX485芯片U9的第6脚和第二十电阻R20的一端连接，第二十电阻R20的另一端和第二十一电阻R21的一端连接且其连接端为通信模块的第二信号输出端，第十七电阻R17的另一端为通信模块的第三电压信号接入端，第三光电耦合器U8的发射极、第十六电阻R16的另一端、MAX485芯片U9的第5脚和第二十一电阻R21的另一端均接地，通信模块5的第一信号输入端、第二信号输入端和第三信号输入端与外部控制器的信号输入端连接用于接入参考放电电压信号，通信模块5的第一信号输出端和第二信号输出端将处理后的参考放电电压信号输入到MCU1的内部控制器中。

本发明还公开了一种实现上述模拟电池放电性能的方法的电池模拟器，包括具有内置式DAC模块11和ADC模块12的MCU1、滤波放大模块3、采样模块4和用于提供电池模拟器工作电压的电源模块2，DAC模块11的信号输出端与滤波放大模块3的信号输入端连接，采样模块4的信号输入端与滤波放大模块3的信号输出端连接，采样模块4的信号输出端与ADC模块12的信号输入端连接，DAC模块11的分辨率位数为n，n≤10，ADC模块12的分辨率位数为m，ADC模块12和采样模块4组成反馈回路将滤波放大模块3输出的电压信号进行采集并生产反馈信号传输给MCU1的内部控制器，MCU1的内部控制器将反馈信号与其内存储的参考放电电压信号进行比较，根据比较结果调整输入到DAC模块11中的电压信号来改变DAC模块11的输出信号，直至反馈信号与参考放电电压信号一致。

实施例：如图1所示，一种模拟电池放电性能的电池模拟器，包括具有内置式DAC模块11和ADC模块12的MCU1、滤波放大模块3、采样模块4和用于提供电池模拟器工作电压的电源模块2，DAC模块11的信号输出端与滤波放大模块3的信号输入端连接，采样模块4的信号输入端与滤波放大模块3的信号输出端连接，采样模块4的信号输出端与ADC模块12的信号输入端连接，DAC模块11的分辨率位数为n，n≤10，ADC模块12的分辨率位数为m，ADC模块12和采样模块4组成反馈回路将滤波放大模块3输出的电压信号进行采集并生产反馈信号传输给MCU1的内部控制器，MCU1的内部控制器将反馈信号与其内存储的参考放电电压信号进行比较，根据比较结果调整输入到DAC模块11中的电压信号来改变DAC模块11的输出信号，直至反馈信号与参考放电电压信号一致。

如图2所示，本实施例中，滤波放大模块3由运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第一电容C1组成，运算放大器U1的反相信号输入端、第一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端连接，运算放大器U1的同相信号输入端与第三电阻R3的一端连接，运算放大器U1的信号输出端、第二电阻R2的另一端和第四电阻R4的一端连接，第四电阻R4的另一端和第一电容C1的一端连接且其连接端为滤波放大模块3的信号输出端，第三电阻R3的另一端为滤波放大模块3的信号输入端，第一电阻R1的另一端和第一电容C1的另一端均接地。

本实施例中，采样模块4包括电压采样单元41和电流采样单元42，如图3(a)所示，电压采样单元41由MAX6161芯片U2、OP07芯片U3、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第二电容C2和第一差分放大电路43组成，第一差分放大电路43由INA118芯片U4及外围电路组成，MAX6161芯片U2的第2脚、第二电容C2的一端和第五电阻R5的一端连接，第五电阻R5的另一端与OP07芯片U3的第3脚连接，OP07芯片U3的第2脚、第六电阻R6的一端和第七电阻R7的一端连接，OP07芯片U3的第6脚、第七电阻R7的另一端和第一差分放大电路43的同相信号输入端连接，MAX6161芯片U2的第3脚、第二电容C2的另一端、第六电阻R6的另一端和OP07芯片U3的第7脚均接地，如图3(b)所示，电流采样单元42由第二差分放大电路44、第九电阻R9、第十电阻R10和第一二极管D1组成，第二差分放大电路44由INA118芯片U5及外围电路组成，第九电阻R9的一端、第一二极管D1的阳极和第二差分放大电路44的同相信号输入端连接且其连接端为采样模块4的信号输出端，第九电阻R9的另一端、第一二极管D1的阴极、第十电阻R10的一端和第二差分放大电路的反相信号输入端连接，第十电阻的另一端接地，第一差分放大电路的信号输出端和第二差分放大电路44的信号输出端为采样模块4的两个信号输出端。

本实施例中，MCU1的内部控制器通过通信模块5接入参考放电电压信号，如图4所示，通信模块5由隔离电路单元51和485通信电路单元52组成，隔离电路单元51由第一光电耦合器U6、第二光电耦合器U7、第三光电耦合器U8、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16和第十七电阻R17组成，485通信电路单元52由MAX485芯片U9、第十八电阻R18、第十九电阻R19、第二十电阻R20和第二十一电阻R21组成，第一光电耦合器U6的集电极和第十二电阻R12的一端连接作为通信模块的第一信号输入端，第一光电耦合器U6的发射极接地，第二光电耦合器U7的阳极和第十三电阻R13的一端连接，第二光电耦合器U7的阴极作为通信模块的第二信号输入端，第三光电耦合器U8的阳极和第十四电阻R14的一端连接，第三光电耦合器U8的阴极作为通信模块的第三信号输入端，第十二电阻R12的另一端、第十三电阻R13的另一端和第十四电阻R14的另一端连接且其连接端为通信模块的第一电压信号接入端，第一光电耦合器U6的阳极与第十五电阻R15的一端连接，第一光电耦合器U6的阴极与MAX485芯片U9的第1脚连接，第二光电耦合器U7的集电极为通信模块的第二电压信号接入端，第二光电耦合器U7的发射极、第十六电阻R16的一端、MAX485芯片U9的第2脚和MAX485芯片U9的第3脚连接，第三光电耦合器U8的集电极、第十七电阻R17的一端和MAX485芯片U9的第4脚连接，第十五电阻R15的另一端、第十八电阻R18的一端和MAX485芯片U9的第8脚连接，MAX485芯片U9的第7脚和第十九电阻R19的一端连接，第十八电阻R18的另一端和第十九电阻R19的另一端连接且其连接端为通信模块的第一信号输出端，MAX485芯片U9的第6脚和第二十电阻R20的一端连接，第二十电阻R20的另一端和第二十一电阻R21的一端连接且其连接端为通信模块的第二信号输出端，第十七电阻R17的另一端为通信模块的第三电压信号接入端，第三光电耦合器U8的发射极、第十六电阻R16的另一端、MAX485芯片U9的第5脚和第二十一电阻R21的另一端均接地，通信模块5的第一信号输入端、第二信号输入端和第三信号输入端与外部控制器的信号输入端连接用于接入参考放电电压信号，通信模块5的第一信号输出端和第二信号输出端将处理后的参考放电电压信号输入到MCU1的内部控制器中。

本实施例中，电源模块2如图5所示。电源模块2包括了变压，整流，滤波和稳压四部分，对输入的220V交流电压进行变压器变压后，先进行整流。整流采用了桥式整流电路，桥式整流电路对输入电压有相对较高的利用率，再经过滤波和稳压后使得输出的电压稳定可靠，当多节电池测量时，如果系统地与通信模块地相互连接，那么共模电压将逐级升高，因此本发明对通信模块5提供了独立的电源。

本实施中，参考放电电压信号的n位二进制数字量D_n输入到含有内置式DAC模块11和ADC模块12的MCU1的内部控制器中并存储，MCU1的内部控制器将D_n输入到DAC模块11中，DAC模块11将D_n转换为模拟电压后输出，采样模块4和ADC模块12组成反馈回路，通过实时采集DAC模块11的输出电压并反馈给MCU1的内部控制器，MCU1的内部控制器将反馈电压信号与参考放电电压信号进行对比，根据对比结果调整输入到DAC模块11的信号，如果反馈电压信号大于参考放电电压信号，则内部控制器将D_n-1取代D_n输入到DAC模块11中，由此使得DAC模块的输出信号形成如图6(a)～图6(c)所示的准PWM波形；如果反馈电压信号小于参考放电电压信号，则内部控制器将D_n+1取代D_n输入到DAC模块11中，从而提高输出精度。

Claims (6)

1.一种模拟电池放电性能的方法，其特征在于包括以下步骤：

①将参考放电电压信号的n位二进制数字量D_n输入到含有内置式DAC模块和ADC模块的MCU的内部控制器中并存储，其中DAC模块的分辨率位数为n，n≤10，ADC模块的分辨率位数为m，DAC模块的参考电压为V_REF，ADC模块的参考电压为V′_REF；

②MCU的内部控制器将存储的D_n输入到DAC模块中，DAC模块将D_n进行数模转换，根据公式计算得到模拟输出量U_on后输出，最低有效位 $1\mathrm{LSB}=\frac{V_{\mathrm{REF}}}{2^n};$

③将U_on进行放大处理，得到电压输出值U₀输出，U₀＝K×U_on，其中，K表示放大倍数，K≥2；

④采集电压输出值U₀并将电压输出值U₀叠加一个直流分量U，得到U'₀，U'₀＝U₀+U≤V′_REF；

⑤ADC模块以f_os的采样频率对U'₀进行采样，其中f_os＝4^p×f_s，p表示希望为DAC模块和ADC模块增加的分辨率位数，f_s表示初始采样频率，ADC模块将4^p个采样值进行累加后对其进行抽取后得到反馈电压对应的数字信号D_ADC，然后将D_ADC输入到MCU的内部控制器中，此时ADC模块的分辨率位数为m+p；

⑥MCU的内部控制器中设置数据周期为T，将在第w个数据周期T内MCU的内部控制器将D_n输入DAC模块的时间记为T_w，w＝1,2,3,……，将D_ADC与D_n进行比较：如果D_ADC＝D_n，则将步骤③中得到的电压输出值U₀作为模拟放电电压值输出；如果D_ADC>D_n，则MCU的内部控制器将D_n-1取代D_n输入到DAC模块中后对步骤②～步骤⑤中的相应数据进行更新，循环往复直至步骤⑥中得到D_ADC＝D_n的结果，MCU的内部控制器统计各个数据周期内的D_n输入DAC模块的时间和D_n-1输入DAC模块的时间，若此时的数据周期为第i个数据周期，根据公式计算得到U_O-end作为模拟放电电压值输出，T_i-1为第i-1个数据周期内MCU的内部控制器将D_n输入DAC模块的时间，此时U_O-end具有n+p位的分辨率位数，其中V_Dn是D_n对应的电压值，V_Dn-1是D_n-1对应的电压值，V_Dn＝(V_REF/2ⁿ)*D_n，V_Dn-1＝(V_REF/2ⁿ)*(D_n-1)；如果D_ADC＜D_n，则MCU的内部控制器将D_n+1取代D_n输入到DAC模块中后对步骤②～步骤⑤中的相应数据进行更新，循环往复直至步骤⑥中得到D_ADC＝D_n的结果，MCU的内部控制器统计各个数据周期内的D_n输入DAC模块的时间和D_n+1输入DAC模块的时间，若此时的数据周期为第i个数据周期，根据公式计算得到U_O-end作为模拟放电电压值输出，T_i-1为第i-1个数据周期内MCU的内部控制器将D_n输入DAC模块的时间，此时U_O-end具有n+p位的分辨率位数，其中V_Dn是D_n对应的电压值，V_Dn+1是D_n+1对应的电压值，V_Dn＝(V_REF/2ⁿ)*D_n，V_Dn+1＝(V_REF/2ⁿ)*(D_n+1)。

2.根据权利要求1所述的一种模拟电池放电性能的方法，其特征在于所述的步骤①中参考放电电压信号的n位二进制数字量D_n是通过通信模块输入到含有内置式DAC模块和ADC模块的MCU的内部控制器中并存储。

3.根据权利要求2所述的一种模拟电池放电性能的方法，其特征在于所述的通信模块由隔离电路单元和485通信电路单元组成，所述的隔离电路单元由第一光电耦合器、第二光电耦合器、第三光电耦合器、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻和第十七电阻组成，所述的485通信电路单元由MAX485芯片、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻和第二十一电阻组成，所述的第一光电耦合器的集电极和所述的第十二电阻的一端连接作为所述的通信模块的第一信号输入端，所述的第一光电耦合器的发射极接地，所述的第二光电耦合器的阳极和所述的第十三电阻的一端连接，所述的第二光电耦合器的阴极作为所述的通信模块的第二信号输入端，所述的第三光电耦合器的阳极和所述的第十四电阻的一端连接，所述的第三光电耦合器的阴极作为所述的通信模块的第三信号输入端，所述的第十二电阻的另一端、所述的第十三电阻的另一端和所述的第十四电阻的另一端连接且其连接端为所述的通信模块的第一电压信号接入端，所述的第一光电耦合器的阳极与所述的第十五电阻的一端连接，所述的第一光电耦合器的阴极与所述的MAX485芯片的第1脚连接，所述的第二光电耦合器的集电极为所述的通信模块的第二电压信号接入端，所述的第二光电耦合器的发射极、所述的第十六电阻的一端、所述的MAX485芯片的第2脚和所述的MAX485芯片的第3脚连接，所述的第三光电耦合器的集电极、所述的第十七电阻的一端和所述的MAX485芯片的第4脚连接，所述的第十五电阻的另一端、所述的第十八电阻的一端和所述的MAX485芯片的第8脚连接，所述的MAX485芯片的第7脚和所述的第十九电阻的一端连接，所述的第十八电阻的另一端和所述的第十九电阻的另一端连接且其连接端为所述的通信模块的第一信号输出端，所述的MAX485芯片的第6脚和所述的第二十电阻的一端连接，所述的第二十电阻的另一端和所述的第二十一电阻的一端连接且其连接端为所述的通信模块的第二信号输出端，所述的第十七电阻的另一端为所述的通信模块的第三电压信号接入端，所述的第三光电耦合器的发射极、所述的第十六电阻的另一端、所述的MAX485芯片的第5脚和所述的第二十一电阻的另一端均接地，所述的通信模块的第一信号输入端、第二信号输入端和第三信号输入端与外部控制器的信号输入端连接用于接入参考放电电压信号，所述的通信模块的第一信号输出端和第二信号输出端将处理后的参考放电电压信号输入到所述的MCU的内部控制器中。

4.一种实现权利要求1中所述的模拟电池放电性能的方法的电池模拟器，其特征在于包括具有内置式DAC模块和ADC模块的MCU、滤波放大模块、采样模块和用于提供所述的电池模拟器工作电压的电源模块，所述的DAC模块的信号输出端与所述的滤波放大模块的信号输入端连接，所述的采样模块的信号输入端与所述的滤波放大模块的信号输出端连接，所述的采样模块的信号输出端与所述的ADC模块的信号输入端连接，所述的DAC模块的分辨率位数为n，n≤10，所述的ADC模块的分辨率位数为m，所述的ADC模块和所述的采样模块组成反馈回路将所述的滤波放大模块输出的电压信号进行采集并生产反馈信号传输给所述的MCU的内部控制器，所述的MCU的内部控制器将反馈信号与其内存储的参考放电电压信号进行比较，根据比较结果调整输入到所述的DAC模块中的电压信号来改变所述的DAC模块的输出信号，直至反馈信号与参考放电电压信号一致。

5.根据权利要求4所述的一种实现模拟电池放电性能的方法的电池模拟器，其特征在于所述的滤波放大模块由运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第一电容组成，所述的运算放大器的反相信号输入端、所述的第一电阻的一端和所述的第二电阻的一端连接，所述的运算放大器的同相信号输入端与所述的第三电阻的一端连接，所述的运算放大器的信号输出端、所述的第二电阻的另一端和所述的第四电阻的一端连接，所述的第四电阻的另一端和所述的第一电容的一端连接且其连接端为所述的滤波放大模块的信号输出端，所述的第三电阻的另一端为所述的滤波放大模块的信号输入端，所述的第一电阻的另一端和所述的第一电容的另一端均接地。

6.根据权利要求4所述的一种实现模拟电池放电性能的方法的电池模拟器，其特征在于所述的MCU的内部控制器通过通信模块接入参考放电电压信号，所述的通信模块由隔离电路单元和485通信电路单元组成，所述的隔离电路单元由第一光电耦合器、第二光电耦合器、第三光电耦合器、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻和第十七电阻组成，所述的485通信电路单元由MAX485芯片、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻和第二十一电阻组成，所述的第一光电耦合器的集电极和所述的第十二电阻的一端连接作为所述的通信模块的第一信号输入端，所述的第一光电耦合器的发射极接地，所述的第二光电耦合器的阳极和所述的第十三电阻的一端连接，所述的第二光电耦合器的阴极作为所述的通信模块的第二信号输入端，所述的第三光电耦合器的阳极和所述的第十四电阻的一端连接，所述的第三光电耦合器的阴极作为所述的通信模块的第三信号输入端，所述的第十二电阻的另一端、所述的第十三电阻的另一端和所述的第十四电阻的另一端连接且其连接端为所述的通信模块的第一电压信号接入端，所述的第一光电耦合器的阳极与所述的第十五电阻的一端连接，所述的第一光电耦合器的阴极与所述的MAX485芯片的第1脚连接，所述的第二光电耦合器的集电极为所述的通信模块的第二电压信号接入端，所述的第二光电耦合器的发射极、所述的第十六电阻的一端、所述的MAX485芯片的第2脚和所述的MAX485芯片的第3脚连接，所述的第三光电耦合器的集电极、所述的第十七电阻的一端和所述的MAX485芯片的第4脚连接，所述的第十五电阻的另一端、所述的第十八电阻的一端和所述的MAX485芯片的第8脚连接，所述的MAX485芯片的第7脚和所述的第十九电阻的一端连接，所述的第十八电阻的另一端和所述的第十九电阻的另一端连接且其连接端为所述的通信模块的第一信号输出端，所述的MAX485芯片的第6脚和所述的第二十电阻的一端连接，所述的第二十电阻的另一端和所述的第二十一电阻的一端连接且其连接端为所述的通信模块的第二信号输出端，所述的第十七电阻的另一端为所述的通信模块的第三电压信号接入端，所述的第三光电耦合器的发射极、所述的第十六电阻的另一端、所述的MAX485芯片的第5脚和所述的第二十一电阻的另一端均接地，所述的通信模块的第一信号输入端、第二信号输入端和第三信号输入端与外部控制器的信号输入端连接用于接入参考放电电压信号，所述的通信模块的第一信号输出端和第二信号输出端将处理后的参考放电电压信号输入到所述的MCU的内部控制器中。