CN104035047B - 航天电源单体电池模拟器及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空航天领域，公开了一种航天电源单体电池模拟器。本发明中，该航天电源单体电池模拟器包含：主控模块，用于对通讯模块、可调电压输出模块及采集模块进行控制；通讯模块，用于航天电源单体电池模拟器和上位机进行数据通讯；电源模块，用于给主控模块及可调电压输出模块供电；可调电压输出模块，用于根据主控模块的指令将输出端的电压调节至预设值；采集模块，用于采集输出的电压和电流，并将输出的电压和电流反馈给主控模块。该电池模拟器能够模拟多个电池的不均衡状态，从而可以实现对充放电控制器更系统、更精确、更自动化的测试。

Description

航天电源单体电池模拟器及其模拟方法

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种航天电源单体电池模拟器及其模拟方法。

背景技术

在航天电源系统中，充放电控制器具有检测电池电压、充电状态估计、单体间均衡控制等功能。为了验证这些功能，需要提供一组真实的电池串，以作为充放电控制器的被控对象。这种采用真实的电池串作为充放电控制器的被控对象的方法，需要对真实的电池做反复的充放电，具有操作不安全、费时、成本高、以及不均衡状态较难实现等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种航天电源单体电池模拟器及其模拟方法，使得该电池模拟器能够模拟多个电池的不均衡状态，从而可以实现对充放电控制器更系统、更精确、更自动化的测试。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种航天电源单体电池模拟器，包含主控模块、通讯模块、电源模块、可调电压输出模块及采集模块；

其中，所述主控模块用于对所述通讯模块、所述可调电压输出模块及所述采集模块进行控制；

所述通讯模块用于所述航天电源单体电池模拟器和上位机进行数据通讯；

所述电源模块用于给所述主控模块、所述可调电压输出模块及所述采集模块供电；

所述可调电压输出模块用于根据所述主控模块的指令将输出端的电压调节至预设值；

所述采集模块用于采集输出的电压和电流，并将所述输出的电压和电流反馈给所述主控模块。

本发明的实施方式还提供了一种航天电源单体电池的模拟方法，包含以下步骤：

采用主控模块对通讯模块、可调电压输出模块及采集模块进行控制；

采用通讯模块进行所述航天电源单体电池和上位机之间的数据通讯；

采用电源模块为所述主控模块、所述可调电压输出模块及所述采集模块供电；

采用采集模块采集输出的电压和电流，并反馈给所述主控模块。本发明实施方式相对于现有技术而言，电源模块为主控模块、可调电压输出模块及采集模块提供工作必须的电源，通讯模块为本模拟器与上位机的通讯提供保障，然后，主控模块就可以通过控制通讯模块、可调电压输出模块及采集模块的工作，使得多个可调电压输出模块输出预设的多个不同的电压值，并且通过采集模块将多个不同的电压值反馈给主控模块，进而通过通讯模块将该不均衡的电压值反馈给上位机，再由电池管理模块对本模拟器输出的不均衡的电压进行均衡，避免了采用真实电池带来的缺点，实现更高集成度、更高精度、更完善的均衡功能、以及更便捷的控制方式，从而为实现充放电控制器更系统、更精确、更自动化的测试。

另外，所述航天电源单体电池模拟器还包含设置在所述主控模块上的电源接口、以太网接口、I2C总线接口及模数A/D接口；

所述电源接口用于给所述主控模块供电；

所述上位机和所述主控模块通过所述以太网接口相连，实现所述上位机对所述航天电源单体电池模拟器的控制；

所述I2C总线接口与所述可调电压输出模块相连，对输出电压设定值进行调整；

所述A/D接口用于接收所述采集单元采集到的电压和电流，并将接收到的所述电压和电流发送至所述主控模块进行处理。

通过电源接口将主控模块和电源模块连接起来，为主控模块供电；以太网接口实现了上位机和主控模块之间的通信；通过I2C总线接口可以使得主控模块根据上位机的命令控制可调电压输出模块调整输出电压；通过A/D接口接收采集到的电压和电流，并将电压和电流值反馈给主控模块进行处理。模拟器采用了以太网接口，以太网作为常用的网络通信方式，具有非常便捷、易组网、易实现远程控制、通讯距离远、速率快等优点。

另外，所述电源模块包括一个交直电源转换子模块和至少一个直直电源转换子模块，各个所述直直电源转换子模块并列且均与所述交直电源转换子模块相连；其中，所述交直电源转换子模块用于将交流电转换成直流电；所述直直电源转换子模块用于将所述交直电源转换子模块输出的直流电转换成不同的电压给所述主控模块、所述可调电压输出模块及所述采集模块供电并进行高压隔离。

电源模块将交流市电转换为直流电同时为多个模拟器供电，从而能够模拟出多节电池串联的情况，这种电源模块为模拟出多节电池不均衡的现象提供了基础。

另外，所述可调电压输出模块包括高速光耦、带施密特反相器、级联数字电位器、运算放大器及推挽电路，所述高速光耦、带施密特反相器、级联数字电位器、运算放大器及推挽电路依次相连；

其中，所述高速光耦用于对主控模块和可调电压输出模块进行隔离；

所述带施密特反相器用于进行电平转换；

所述级联数字电位器由所述主控模块进行控制和调节，并将所述级联数字电位器的电压作为所述航天电源单体电池模拟器电压输出的设定值；

所述运算放大器将所述电压设定值从信号量转为具有带载能力的输出量；

所述推挽电路用于输出电流和吸收电流。

可调电压转换器是本模拟器中最重要的器件，该器件中的带施密特反相器用于高低电平转换，其中的级联数字电位器承载了输出电压的值，其中的运算放大器可以将电压设定值从信号量转为具有带载能力的输出量；推挽电路可以用于输出电流和吸收电流，使电压输出具有双向工作能力，即，既具有输出电流的能力又具有吸收电流的能力，实现电流的双向输出能力，从而同时支持主动均衡实验和被动均衡实验。

另外，所述采集模块每个通道包含一个模拟隔离放大器及一个电流传感器；

其中，所述模拟隔离放大器用于直接采集输出的电压，发送至主控单元的A/D接口，实现输出端电压的采集；

所述电流传感器采集输出端的电流，并发送至主控单元的A/D接口。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式提供的航天电源单体电池模拟器的结构示意图；

图2是根据本发明第一实施方式提供的实际工程应用中的航天电源单体电池模拟器的电路图；

图3是根据本发明第一实施方式提供的航天电源单体电池模拟器中的级联数字电位器的电路图；

图4是根据本发明第一实施方式提供的航天电源单体电池模拟器模拟多节电池串联的电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种航天电源单体电池模拟器，具体如图1所示，该航天电源单体电池模拟器包含主控模块、通讯模块、电源模块、可调电压输出模块及采集模块。

具体地说，电源模块为主控模块、可调电压输出模块及采集模块提供工作必须的电源，通讯模块为本模拟器与上位机的通讯提供保障；主控模块可以通过控制通讯模块、可调电压输出模块及采集模块的工作，使得多个可调电压输出模块输出预设的多个不同的电压值，并且通过采集模块将多个不同的电压值反馈给主控模块，进而通过通讯模块将该不均衡的电压值反馈给上位机，再由与本模拟器相连的电池管理模块对本模拟器不均衡的电压进行均衡。

需要说明的是，本发明中如无特殊说明，则“本模拟器”就指本发明中提供的航天电源单体电池模拟器。

请参阅图2所示，主控模块用于对通讯模块、可调电压输出模块及采集模块进行控制。本实施方式的航天电源单体电池模拟器还包含设置在主控模块上的电源接口、以太网接口、I2C总线接口及A/D(Analog Digital，模拟数字)接口。图2为本实施方式提供的实际工程应用中的航天电源单体电池模拟器的结构示意图，图2中明确了主控模块、通讯模块、电源模块、可调电压输出模块及采集模块的具体结构。

在本实施方式中，主控模块可以采用ARM cortex-m3型处理器来实现。处理器的作用在于通过运行内部程序来控制电源接口、以太网接口、I2C总线接口、A/D接口以及处理各个接口的数据；电源接口用于给主控模块供电；上位机和主控模块通过以太网接口相连，实现上位机对航天电源单体电池模拟器的控制，同时主控模块还可以通过以太网将本模拟器的输出状态反馈给上位机，利用上位机对本模拟器的输出状态进行监视；I2C总线接口与可调电压输出模块相连，用于对输出电压设定值进行调整，其具体的调整方法是：主控模块通过I2C总线接口通过可调电压输出模块中的高速光耦、带施密特反相器与可调电压输出模块中的级联数字电位器相连，通过主控模块对高速光耦、带施密特反相器及级联数字电位器的控制和调整，从而实现对输出电压进行调整，也就是说可以将输出电压调整到一个预设的电压值；A/D接口用于接收采集单元采集到的电压和电流，并将接收到的电压和电流发送至主控模块进行处理。

通讯模块用于航天电源单体电池模拟器和上位机进行数据通讯。具体的，如图2所示，模拟器采用了以太网接口，以太网作为常用的网络通信方式，具有非常便捷、易组网、易实现远程控制、通讯距离远、速率快等优点。

电源模块用于给主控模块及可调电压输出模块供电。也就是说，电源模块与市电相连，使用市电提供的电源为主控模块及可调电压输出模块供电。

进一步的，电源模块包括一个交直电源转换子模块(可以表示为AC/DC)和直直电源转换子模块(可以表示为DC/DC)，各个DC/DC并列且均与AC/DC相连；其中，AC/DC用于将交流电转换成直流电，在本实施方式中，该AC/DC用于将220V(伏特)的交流电转换成24V稳定的直流电，因此，AC/DC还可以表示为AC/DC电源-24Vdc；DC/DC用于将AC/DC输出的直流电转换成不同的电压给各个子模块(包括：主控模块、可调电压输出模块及采集模块)供电并进行高压隔离，也就是说，在本实施方式中，该DC/DC用于将AC/DC输出的24V直流电转换成不相等的电压给各个模块供电。交直电源转换模块包括交直变换子单元和整流滤波子单元；交直电源转换模块用于将交流电转换成直流电；整流滤波子单元用于对直流电进行整流滤波。比如说，模拟一节5V的电池需要一个DC/DC模块，采用的是一个双通道输出的DC/DC模块，输出±5.5V的；另外，主控模块和各个采集模块使用一个DC/DC供电，那么6通道的电池模拟器，需要6+1个DC/DC模块。

可调电压输出模块用于根据主控模块的指令将输出端的电压调节至预设值。可调电压输出模块可进一步包括：高速光耦、带施密特反相器、级联数字电位器、运算放大器及推挽电路，高速光耦、带施密特反相器、级联数字电位器、运算放大器及推挽电路依次相连；其中，高速光耦用于对主控模块和可调电压输出模块进行隔离；带施密特反相器用于进行电平转换；级联数字电位器由主控模块进行控制和调节，作为电压输出的设定值；运算放大器作为设定值的执行部件，将电压设定值从信号量转为具有带载能力的输出量；推挽电路用于输出电流和吸收电流。其中，高速光耦、带施密特反相器为现有技术中的器件，在此不做赘述。

示例的，如图2所示，本实施方式中的电源模块包括2个DC/DC，这2个DC/DC并列排列，分别与AC/DC相连。具体的，对于图2中所示的从左向右的DC/DC可以编号为1和1，其中1号DC/DC与电源接口相连，为主控模块供电；2号DC/DC与可调电压输出模块相连，从而为可调电压输出模块及采集模块供电。具体的说，2号DC/DC与可调电压输出模块中运算放大器的两个输出端相连。运算放大器共有三个输出端和两个输入端，三个输出端中其中两个与2号DC/DC相连，另外一个输出端口与推挽电路相连；在两个输入端中，其中一个输入端通过电阻R1与级联数字电位器的输出相连，另一个输入端通过电阻R2接地，接地端可以表示为GND，运算放大器的输入端还通过一个电阻R3与推挽电路的输出相连。

在本实施方式中，输出端采用推挽电路，实现电流的双向输出能力，从而同时支持主动均衡实验和被动均衡实验。其中被动均衡即为将充电过快的电池单体进行单独放电消耗电能，以达到各单体电池间的平衡，而主动均衡即为将充电快的电池单体进行电能回收，并充到较慢的电池单体中。利用该电路可以使得本模拟器既具有输出电流的能力又具有吸收电流的能力，也就是说具有均衡电压的能力。如图2所示，本实施方式中采用的推挽电路包括：两个晶体管M1和M2，其中，晶体管M1的栅极和晶体管M2的栅极连接在一起后连接至运算放大器的一个输出端，晶体管M1的漏极连接电源VCC，源极接电阻R4后连接至电阻R5，晶体管M2的漏极接地，源极接电阻R5后连接至电阻R4，电阻R4和电阻R5连接在一起的一端作为推挽电路的输出端与采集模块相连。

再进一步的，如图3所示，级联数字电位器包括：第一数字电位器R31、第一放大器A1、第二数字电位器R32及第二放大器A2；其中，R31的一端连接输入端，另一端接地，A1的一个管脚连接第一电感R31，另外两个管脚一起连接至R32的一端，R32的另一端接地，A2的一个管脚连接R32，另外两个管脚一起连接作为级联数字电位器的输出端。

采集模块用于采集输出的电压和电流，并将输出的电压和电流反馈给主控模块。如图2所示，采集模块不但能采集到输出电压，还能采集到输出电流。采集模块的每个通道包含一个模拟隔离放大器及一个电流传感器；其中，模拟隔离放大器用于直接采集输出的电压，发送至主控单元的A/D接口，实现输出端电压的采集；电流传感器采集输出端的电流，并发送至主控单元的A/D接口。比如，采用霍尔电流传感器即可实现本实施方式的电流采集。目前的真实单体电池最高不到5V输出电压，本模拟器可以模拟了一节5V的电池。

本发明中可以将多个模拟器串联，在一个模拟器的电源模块中采用高隔离电压型号的直流转换直流的模块，将各个可调电压输出模块之间以及可调电压输出模块与地之间进行高压隔离，从而实现多节电池串联，形成高电压。示例的，本实施方式中将如图2所示的航天电源单体电池模拟器串联，从而模拟出多节电池不均衡的现象。

具体如图4所示，图4中共有六个模拟器串联，编号为1至6。除主控模块和通讯模块共用，以及电源模块的部分共用外，每一个模拟器有独立的可调电压输出模块及采集模块。图4中，电源模块中共有7个DC/DC，这7个DC/DC并列排列，分别与AC/DC相连。具体的，对于图4中所示的从左向右的DC/DC可以编号为1至7，其中1号DC/DC与电源接口相连，为主控模块供电；2号至7号DC/DC分别与1号至6号可调电压输出模块相连，从而为可调电压输出模块及采集模块供电。

具体的说，2号DC/DC与1号模拟器的可调电压输出模块中的运算放大器的两个输出端相连，将1号模拟器中采集电阻R6的两个端作为输出通道1；3号DC/DC与2号模拟器的可调电压输出模块中的运算放大器的两个输出端相连，将2号模拟器中采集电阻R6的两个端作为输出通道2；4号DC/DC与3号模拟器的可调电压输出模块中的运算放大器的两个输出端相连，将3号模拟器中采集电阻R6的两个端作为输出通道3；5号DC/DC与4号模拟器的可调电压输出模块中的运算放大器的两个输出端相连，将4号模拟器中采集电阻R6的两个端作为输出通道4；6号DC/DC与5号模拟器的可调电压输出模块中的运算放大器的两个输出端相连，将5号模拟器中采集电阻R6的两个端作为输出通道5；7号DC/DC与6号模拟器的可调电压输出模块中的运算放大器的两个输出端相连，将6号模拟器中采集电阻R6的两个端作为输出通道6。这样可以通过主控模块的控制、利用可调电压输出模块对这6个模拟器分别调节出不同的电压值，从而模拟出6节电池不均衡的状态，再通过采集模块将各个输出通道不均衡的值反馈给主控模块，最后通过通讯模块报告给上位机，再由与本模拟器相连的电池管理模块对本模拟器不均衡的电压进行均衡，从而消除不均衡带来的安全隐患。

与图2中的连接关系相同，每个模拟器中的运算放大器与其对应的推挽电路及采集电路相连，其具体连接方式可以参考对图2中的相关描述，在此不做赘述。其中，电路中，1号至6号模拟器中的接地端可以用GND1至GND6来表示，晶体管连接的电源可以用VCC1至VCC6来表示。

本实施方式的航天电源单体电池模拟器中采用高精度的A/D芯片、高分辨率的级联数字电位器以及隔离型的采集单元，使得电压设定值和采样值、电流采样值都达到很高的精度；该航天电源单体电池模拟器输出端采用推挽电路，实现电流的双向输出能力，从而同时支持主动均衡和被动均衡。其中被动均衡即为将充电过快的电池单体进行单独放电消耗电能，以达到各单体电池间的平衡，而主动均衡即为将充电快的电池单体进行电能回收，并充到较慢的电池单体中，即支撑双向均衡；模拟器采用了以太网接口，以太网作为常用的网络通信方式，具有非常便捷、易组网、易实现远程控制、通讯距离远、速率快等优点，即控制方便。

图4所示的电池模拟器组包含6通道的模拟，并且每个通道通过独立的高压隔离的DC/DC模块供电，本领域的技术人员可以理解，目前的真实单体电池最高不到5V输出电压，每一个图2所示的模拟器可以模拟一节电池，通过串联200个电池模拟器可以实现1000V的串联电压，体现了较高的集成度。

本发明实施方式相对于现有技术而言，电源模块为主控模块、可调电压输出模块及采集模块提供工作必须的电源，通讯模块为本模拟器与上位机的通讯提供保障，然后，主控模块就可以通过控制通讯模块、可调电压输出模块及采集模块的工作，使得多个可调电压输出模块输出预设的多个不同的电压值，并且通过采集模块将多个不同的电压值反馈给主控模块，进而通过通讯模块将该不均衡的电压值反馈给上位机，再由与本模拟器相连的电池管理模块对本模拟器不均衡的电压进行均衡。避免了采用真实电池带来的不安全、耗时长等缺点，实现更高集成度、更高精度、更完善的均衡功能以及更便捷的控制方式，从而实现航天电源系统中充放电控制器更系统、更精确、更自动化的测试。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑模块可以是一个物理模块，也可以是一个物理模块的一部分，还可以以多个物理模块的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的模块引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的模块。

本发明的第二实施方式涉及一种航天电源单体电池的模拟方法，包含以下步骤：

采用主控模块对通讯模块、可调电压输出模块及采集模块进行控制；

采用通讯模块进行航天电源单体电池和上位机之间的数据通讯；

采用电源模块为主控模块、可调电压输出模块及采集模块供电；

采用可调电压输出模块，根据主控模块的指令，将输出端的电压调节至预设值；

采用采集模块采集输出的电压和电流，并反馈给主控模块。

本领域的普通技术人员可以理解，上述实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种航天电源单体电池模拟器，其特征在于，包含主控模块、通讯模块、电源模块、可调电压输出模块及采集模块；

其中，所述主控模块用于对所述通讯模块、所述可调电压输出模块及所述采集模块进行控制；

所述通讯模块用于所述航天电源单体电池模拟器和上位机进行数据通讯；

所述电源模块用于给所述主控模块、所述可调电压输出模块及所述采集模块供电；

所述可调电压输出模块用于根据所述主控模块的指令将输出端的电压调节至预设值；

所述采集模块用于采集输出的电压和电流，并反馈给所述主控模块；

其中，所述可调电压输出模块包括高速光耦、带施密特反相器、级联数字电位器、运算放大器及推挽电路，所述高速光耦、带施密特反相器、级联数字电位器、运算放大器及推挽电路依次相连；

所述高速光耦用于对主控模块和可调电压输出模块进行隔离；

所述带施密特反相器用于进行电平转换；

所述级联数字电位器由所述主控模块进行控制和调节，并将所述级联数字电位器的电压作为所述航天电源单体电池模拟器电压输出的设定值；

所述运算放大器将所述电压设定值从信号量转为具有带载能力的输出量；

所述推挽电路用于输出电流和吸收电流。

2.根据权利要求1所述的航天电源单体电池模拟器，其特征在于，所 述航天电源单体电池模拟器还包含设置在所述主控模块上的电源接口、以太网接口、I²C总线接口及模数AD接口；

所述电源接口用于给所述主控模块供电；

所述上位机和所述主控模块通过所述以太网接口相连，实现所述上位机对所述航天电源单体电池模拟器的控制；

所述I²C总线接口与所述可调电压输出模块相连，对输出电压设定值进行调整；

所述AD接口用于接收所述采集单元采集到的电压和电流，并将接收到的所述电压和电流发送至所述主控模块进行处理。

3.根据权利要求1所述的航天电源单体电池模拟器，其特征在于，所述电源模块包括一个交直电源转换子模块和至少一个直直电源转换子模块，各个所述直直电源转换子模块并列且均与所述交直电源转换子模块相连；其中，所述交直电源转换子模块用于将交流电转换成直流电；所述直直电源转换子模块用于将所述交直电源转换子模块输出的直流电转换成不同的电压给所述主控模块、所述可调电压输出模块及所述采集模块供电并进行高压隔离。

4.根据权利要求3所述的航天电源单体电池模拟器，其特征在于，所述交直电源转换模块包括交直变换子单元和整流滤波子单元；所述交直电源转换模块用于将交流电转换成直流电；所述整流滤波子单元用于对所述直流电进行整流滤波。

5.根据权利要求1所述的航天电源单体电池模拟器，其特征在于，所述级联数字电位器包括：第一数字电位器R31、第一放大器A1、第二数字电位器R32、第二放大器A2；

其中，所述R31的一端连接输入端，另一端接地，所述A1的一个管脚连接所述R31，另外两个管脚一起连接至所述R32的一端，所述R32的另一端 接地，所述A2的一个管脚连接所述R32，另外两个管脚一起连接作为所述级联数字电位器的输出端。

6.根据权利要求1所述的航天电源单体电池模拟器，其特征在于，所述采集模块每个通道包含一个模拟隔离放大器及一个电流传感器；

其中，所述模拟隔离放大器用于直接采集输出的电压，发送至主控单元的A/D接口，实现输出端电压的采集；

所述电流传感器采集输出端的电流，并发送至主控单元的A/D接口。

7.根据权利要求6所述的航天电源单体电池模拟器，其特征在于，所述电流传感器采用霍尔电流传感器。

8.一种航天电源单体电池的模拟方法，其特征在于，包含以下步骤：

采用主控模块对通讯模块、可调电压输出模块及采集模块进行控制；

采用通讯模块进行所述航天电源单体电池和上位机之间的数据通讯；

采用电源模块为所述主控模块、所述可调电压输出模块及所述采集模块供电；

采用所述可调电压输出模块，根据所述主控模块的指令，将输出端的电压调节至预设值；

采用采集模块采集输出的电压和电流，并反馈给所述主控模块；

其中，所述可调电压输出模块包括高速光耦、带施密特反相器、级联数字电位器、运算放大器及推挽电路，所述高速光耦、带施密特反相器、级联数字电位器、运算放大器及推挽电路依次相连；

所述高速光耦用于对主控模块和可调电压输出模块进行隔离；

所述带施密特反相器用于进行电平转换；

所述级联数字电位器由所述主控模块进行控制和调节，并将所述级联数 字电位器的电压作为所述航天电源单体电池模拟器电压输出的设定值；

所述运算放大器将所述电压设定值从信号量转为具有带载能力的输出量；

所述推挽电路用于输出电流和吸收电流。