CN104484005A - 一种卫星锂离子蓄电池模拟系统 - Google Patents

Abstract

一种卫星锂离子蓄电池模拟系统，主要包括蓄电池电压模拟模块、By-pass模拟模块、基于PXI总线的工控机。蓄电池电压模拟模块用于模拟锂离子蓄电池单体电压输出，进一步包括总线接口控制电路、DA输出电路、隔离电路。By-pass模拟模块用于模拟锂离子蓄电池单体By-pass装置的通断功能，进一步包括总线控制器、继电器。基于PXI总线的工控机用于实现蓄电池电压模拟模块、By-pass模拟模块集成、供电与控制，实现对各模块的控制与数据监视。本发明可以解决均衡设备单体采集性能测试成本高、效率低、工况覆盖不全面等问题，提高测试效率。

Description

一种卫星锂离子蓄电池模拟系统

技术领域

本发明涉及一种卫星用锂离子蓄电池的模拟装置，可用于星载设备的地面测试。

背景技术

目前，高轨道通信卫星普遍使用NiH2蓄电池作为储能设备，但其重量大，能量重量比低，无法适应大容量通信卫星平台的重量指标要求。为满足卫星平台减重的要求，很多大容量通信卫星已经普遍采用锂离子蓄电池作为储能设备，锂离子蓄电池能量重量比高，能量体积比高，可以大幅提高卫星平台的载荷比并降低发射成本。

高轨道通信卫星锂离子蓄电池组一般由几十节电池单体串联组成，在长期充放电循环后，由于各单体自放电率、内阻、容量衰降率等存在差异，会导致电池组内单体的荷电量各不相同，容易产生蓄电池的过充或过放，使得蓄电池组寿命缩短，甚至失效。因此，为了满足锂离子蓄电池在轨15年寿命的要求，需要卫星平台配置专用的单体均衡设备对锂离子蓄电池进行单体电压的均衡处理。锂离子电池均衡处理设备根据采集到的蓄电池各单体电压值，来决策对每个单体的均衡操作，对低于平均电压的单体补充充电，对高于平均电压的单体进行单体放电。为实现高精度的单体电压均衡，均衡设备对单体电压采集的精度是前提条件，一般对单体电压采集的精度要求优于几毫伏。因此，在地面测试阶段，需要对锂离子电池均衡设备的单体电压采集性能做系统的验证。

目前，在地面测试阶段，投产与正样产品相近的工艺锂离子蓄电池组作为地面验证设备，通过采集工艺蓄电池组的电压来验证均衡设备的单体电压采集性能，但上述测试过程存在以下三个主要问题：一是采用工艺锂离子蓄电池组作为地面设备的成本很高，如果测试过程中发生蓄电池短路等故障，极易造成整组蓄电池的损伤，带来较大的经济损失；第二是为实现全电压范围的采集性能验证，工艺锂离子蓄电池组还需配置专门的充放电设备，由于锂离子蓄电池组充放电过程缓慢，因此，要使蓄电池组单体电池达到某个特定电压值，就需要等待很长时间，导致地面测试效率不高；第三是为保证整组蓄电池的安全，蓄电池组每个单体电池会并联By-pass装置，当蓄电池组中某节单体电池发生开路失效模式时，则单体对应的By-pass装置起爆，将开路的单体电池旁路处理。由于锂离子蓄电池组的By-pass装置起爆是不可逆过程，当By-pass装置起爆后则该节单体电池永久失效，而正常情况下不允许对By-pass装置进行起爆。因此，采用工艺锂离子蓄电池组无法充分验证均衡设备在电池单体By-pass装置起爆后的锂离子单体电压的采集精度。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种通信卫星锂离子蓄电池组模拟系统，用于解决均衡设备单体采集性能测试成本高、效率低、工况覆盖不全面等问题，提高通信卫星的测试效率。

本发明的技术解决方案是：一种卫星锂离子蓄电池模拟系统，包括蓄电池电压模拟模块、By-pass模拟模块、工控机，工控机通过PXI总线同时与蓄电池电压模拟模块和By-pass模拟模块通信，其中：

蓄电池电压模拟模块：包括第一总线接口控制器、N个DA输出电路和N个隔离电路，N为要模拟的锂离子蓄电池组中包括的锂离子蓄电池单体的个数；第一总线接口控制器从工控机获取单体电压设置指令并解析，获得N个锂离子蓄电池单体各自的电压设置数据，并分别送至N个隔离电路；N个DA输出电路和N个隔离电路一一对应，构成N个信号通道并顺序编号，对于每一个信号通道，隔离电路用于DA输出电路与第一总线接口控制器的电气隔离，DA输出电路对从相应隔离电路传送过来的锂离子蓄电池单体电压设置数据由数字量转换为模拟量后输出，各DA输出电路的模拟量输出串联；

By-pass模拟模块：包括第二总线接口控制器和N个继电器，第二总线接口控制器从工控机获取通路通断设置指令并解析，获得N个信号通道各自的通断状态设置数据，并分别送至N个继电器；N个继电器均为单刀双掷的触点形式，每一个继电器对应一个信号通道，每一个继电器的常开触点均接至相对应的信号通道的输出正端，每一个继电器的常闭触点均接至相对应的信号通道的输出负端，第一个信号通道对应的继电器的公共端接地，对于其余N-1个信号通道各自对应的继电器的公共端中，编号大的信号通道对应的继电器的公共端接编号比其小且最接近的信号通道对应的继电器的常开触点；编号最大的继电器的常开触点相对于地之间的电压作为卫星锂离子蓄电池模拟系统的对外输出电压；

基于PXI总线的工控机：从外部接收要模拟的锂离子蓄电池组中各锂离子蓄电池单体的电压设置数据并编译成单体电压设置指令送至第一总线接口控制器；从外部接收要模拟的锂离子蓄电池组中各锂离子蓄电池单体的通断状态设置数据并编译成通路通断设置指令送至第二总线接口控制器。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用多路DA模块完成对各单体输出电压的模拟，每路DA输出的电压值可以独立灵活设置，避免了蓄电池充放电过程的等待时间，有效提升了测试效率；根据外部注入的参数曲线，多路DA模块能够模拟与真实锂离子蓄电池相近的单体电压特性；多路DA模块具备电气隔离电路，当模块内部电路出现短路故障时，隔离电路能够有效的防止故障蔓延至星载设备；

(2)本发明具备By-pass装置行为模拟功能，可以通过指令控制每路By-pass继电器的通断，能够真实模拟By-pass起爆后锂离子蓄电池单体的连接环境，支持均衡设备在电池单体By-pass起爆后单体电压的采集精度的验证；

(3)相比与采用工艺锂离子蓄电池组，本发明模拟系统通过标准化的设备大幅降低了测试成本，也提升了测试过程的安全性。本发明采用基于PXI总线的硬件设计架构，用户可以根据不同的需求增减多路DA模块数量以实现与整星蓄电池组相同的电压范围，适应不同卫星平台的应用。

附图说明

图1为本发明模拟系统的组成原理图；

图2为本发明蓄电池电压模拟模块及By-pass模拟模块原理图。

具体实施方式

本发明测试系统如图1所示，主要包括：蓄电池电压模拟模块、By-pass模拟模块、基于PXI总线的工控机。

1、蓄电池电压模拟模块

蓄电池电压模拟模块用于模拟锂离子蓄电池单体电压输出，如图2所示。蓄电池电压模拟模块由3个同构的DA子模块串联组成，每个DA子模块能够模拟8节锂离子蓄电池单体串联模型。DA子模块中的每路模拟量与By-pass模拟模块相互串联输出。以DA子模块1为例，每节单体正端与负端之间输出的差分电压范围为：0-5V，8节单体串联后，DA子模块1输出的电压范围为：0-40V。DA子模块2、DA子模块3与DA子模块1完全同构，3个DA子模块串联后模拟24节锂离子蓄电池单体串联模型，整组串联模型输出的绝对电压范围：0-120V。

每个DA子模块包含：总线接口控制电路、DA输出电路、隔离电路。总线接口电路对从PXI总线上接收到的单体电压设置数据进行解析，将解析后的设置数据分发至相应的DA输出电路，控制相应DA输出电路的电压值。DA输出电路由高精度输出DA电路组成，其输出精度优于±1mV，输出稳定度优于60uV/℃，电压输出范围0-5V，数据位宽16bit，DA输出电路具有抗高共模电压能力，最大能够承受125V的绝对电压。隔离电路用于实现DA输出电路与PXI总线控制器的电气隔离，当总线控制器出现短路故障时，隔离电路能够有效的防止故障蔓延至星载设备。

2、By-pass模拟模块

By-pass模拟模块用于模拟锂离子蓄电池单体By-pass装置的通断功能。By-pass模拟模块与蓄电池电压模拟模块，共同构成蓄电池组串联模型。如图2所示，单体24输出正端与继电器24的NO端连接，单体24输出负端与继电器24的NC端连接，继电器24的COM端同时与单体23的输出正端与继电器23的NO端相连，其他低端单体与低端继电器的连接关系依次类推。

继电器1的NO端与继电器2的COM端、单体1的输出正端相连，继电器1的COM端连接至输出地。继电器24的NO端相对于继电器1的COM端的电压作为卫星锂离子蓄电池模拟系统的对外输出电压。

By-pass模拟模块包含：总线控制器、继电器。总线控制器用于完成对PXI总线控制数据的解析，根据解析后的数据控制相应继电器的通断。继电器电路用于模拟By-pass装置的切换，共包含24只继电器，继电器采用单刀双掷的触点形式，触点过压能力达150VDC，触点过流能力达2A，每组触点包含COM(公共端)、NO(常开)、NC(常闭)三个触点，COM端接低端单体的正端，NO端接高端单体的正端，NC端接高端单体的负端，系统上电后，COM端与NC端短接，高端单体接入锂电池组中，当总线控制器发送By-pass指令后，COM端切换至NO触点，将高端单体从电池组中旁路，蓄电池整组电压将随之下降。

3、基于PXI总线的工控机

基于PXI总线的工控机是本发明锂离子蓄电池组模拟系统的硬件基础，用于实现蓄电池电压模拟模块、By-pass模拟模块集成、供电与控制，其作用相当于计算机的主机。工控机作为整个系统的控制中心，可以实现对各模块的控制与数据监视。工控机周期性的对蓄电池电压模拟模块、By-pass模拟模块的状态进行轮询采集。各模块内部的总线接口控制器按照PXI总线的数据协议，对自身模块的状态信息进行采集并将数据打包发送至工控机，工控机将所获取的参数信息进行实时显示，便于用户实现实时对模拟系统状态的监视。

当模拟系统需要对各模块的状态进行设置时，例如改变单体1的输出电压，系统会将相应的指令数据首先通过PXI总线传送至蓄电池电压模拟模块中的DA子模块1，DA子模块1中的总线接口控制器对PXI总线指令数据进行解析，将指令有效数据提取出来，并将指令数据通过隔离电路1发送至DA输出电路1，DA输出电路1根据指令数据实现输出电压值的调整。当模拟系统需要改变By-pass继电器1的连接状态时，系统会将相应的指令数据首先通过PXI总线传送至By-pass模拟模块，模块中的总线接口控制器完成对PXI总线数据的解析，译码出对应通道的指令执行脉冲，并将指令执行脉冲最终作用到By-pass继电器1相应的指令线包上，完成By-pass继电器1的切换动作。

根据测试的需求，用户还可以将光照期、地影期内锂离子蓄电池组充放电过程中单体电压的变化曲线注入模拟系统，实现与真实工况相近的测试环境。

本发明采用标准的PXI总线架构，便于根据用户需求开展系统硬件的扩展升级和优化裁剪。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种卫星锂离子蓄电池模拟系统，其特征在于包括：蓄电池电压模拟模块、By-pass模拟模块、工控机，工控机通过PXI总线同时与蓄电池电压模拟模块和By-pass模拟模块通信，其中：

蓄电池电压模拟模块：包括第一总线接口控制器、N个DA输出电路和N个隔离电路，N为要模拟的锂离子蓄电池组中包括的锂离子蓄电池单体的个数；第一总线接口控制器从工控机获取单体电压设置指令并解析，获得N个锂离子蓄电池单体各自的电压设置数据，并分别送至N个隔离电路；N个DA输出电路和N个隔离电路一一对应，构成N个信号通道并顺序编号，对于每一个信号通道，隔离电路用于DA输出电路与第一总线接口控制器的电气隔离，DA输出电路对从相应隔离电路传送过来的锂离子蓄电池单体电压设置数据由数字量转换为模拟量后输出，各DA输出电路的模拟量输出串联；

By-pass模拟模块：包括第二总线接口控制器和N个继电器，第二总线接口控制器从工控机获取通路通断设置指令并解析，获得N个信号通道各自的通断状态设置数据，并分别送至N个继电器；N个继电器均为单刀双掷的触点形式，每一个继电器对应一个信号通道，每一个继电器的常开触点均接至相对应的信号通道的输出正端，每一个继电器的常闭触点均接至相对应的信号通道的输出负端，第一个信号通道对应的继电器的公共端接地，对于其余N-1个信号通道各自对应的继电器的公共端中，编号大的信号通道对应的继电器的公共端接编号比其小且最接近的信号通道对应的继电器的常开触点；编号最大的继电器的常开触点相对于地之间的电压作为卫星锂离子蓄电池模拟系统的对外输出电压；

基于PXI总线的工控机：从外部接收要模拟的锂离子蓄电池组中各锂离子蓄电池单体的电压设置数据并编译成单体电压设置指令送至第一总线接口控制器；从外部接收要模拟的锂离子蓄电池组中各锂离子蓄电池单体的通断状态设置数据并编译成通路通断设置指令送至第二总线接口控制器。