CN112332491B - 一种基于异步串并转换的电池隔离控制系统及方法 - Google Patents

一种基于异步串并转换的电池隔离控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于异步串并转换的电池隔离控制系统及方法。所述控制系统包括：高压侧子系统和低压侧子系统，所述高压侧子系统包括：并转串移位寄存器、第一串转并移位寄存器、模拟转数字AD转换器、锁存器、采样单元、均衡单元和蓄电池组，所述低压侧子系统包括：第二串转并移位寄存器和下位机FPGA。本发明系统可有效解决该低压和高压端的隔离问题，防止高压电池端对低压端下位机单元的干扰及影响，有效提高航天产品的安全性和可靠性。通过隔离式均衡控制技术实现蓄电池组内单体电压的一致性，延长电池的使用寿命，可满足未来高轨长寿命航天器的使用要求。

Description

一种基于异步串并转换的电池隔离控制系统及方法
技术领域
本发明涉及高压电池管理技术领域，特别是一种基于异步串并转换的电池隔离控制系统及方法。
背景技术
随着国内航天器高压大功率载荷系统快速发展，给配套载荷电源系统提出了更高的要求，未来载荷电源朝着功率更大，电压更高的方向发展，对超大功率电源的研制的迫切需求逐渐展现出来，面对未来高压大功率的迫切需求，高压长串电池系统将成为首要研究对象，因此与之配套的高压隔离控制系统也将成为未来需要着重研究的方向。
目前空间用采集系统仅停留在百伏量级范围，高压采集系统经验不足，目前采集方案无法满足未来高压大功率的使用需求。另外目前由于空间应用中电池串联数量较小，因此采集系统均为非隔离式设计，电压直采方式，该方式由于结构简单，控制容易，成本较低被广泛应用，但由于数字芯片与电池端无法实现有效分离，在航天器的灵活机动工作时，电池会工作在频繁大电流充电、瞬时脉冲大功率放电工况下，会形成一定脉动干扰，对FPGA及CPU灵敏度高的芯片存在一定安全隐患。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于异步串并转换的电池隔离控制系统及方法。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于异步串并转换的电池隔离控制系统，所述控制系统包括：高压侧子系统和低压侧子系统，所述高压侧子系统包括：并转串移位寄存器、第一串转并移位寄存器、模拟转数字AD转换器、锁存器、采样单元、均衡单元和蓄电池组，所述低压侧子系统包括：第二串转并移位寄存器和下位机FPGA，其中，
所述采样单元，被配置为采集所述蓄电池组内N个单体电池的单体模拟量，并将单体模拟量发送给所述模拟转数字AD转换器；其中，N为大于等于1的正整数；
所述模拟转数字AD转换器，被配置为将单体模拟量转换为12位通道数字量，并将所述12位通道数字量发送至所述并转串移位寄存器；
所述并转串移位寄存器，被配置为将所述12位通道数字量转换为1通道数字量，并通过隔离单元将所述1通道数字量发送至所述第二串转并移位寄存器；
所述第二串转并移位寄存器，被配置为将所述1通道数字量还原为12位通道数字量，并将所述12位通道数字量发送至所述下位机FPGA；
所述下位机FPGA，被配置为根据所述12位通道数字量生成控制指令信息，并通过所述控制指令信息控制所述锁存器，以由所述锁存器控制所述均衡单元，以调节所述N个单体电池的单体电压值。
可选地，所述低压侧子系统还包括：下位机CPU，所述下位机CPU通过总线完成与所述下位机FPGA的信息交互，将所有信息进行整理打包上传，将用户指令信息传输至所述下位机FPGA进行下发及控制。
可选地，所述锁存器包括第一锁存器、第二锁存器和M个第三锁存器，所述第一串转并移位寄存器包括第一子串转并移位寄存器和第二子串转并移位寄存器，M为大于等于1的正整数，其中，
所述第一锁存器的一端与所述第一子串转并移位寄存器和所述隔离单元连接，另一端与模拟选通通道连接；
所述第二锁存器的一端与所述第一子串转并移位寄存器和所述隔离单元连接，另一端与所述M个第三锁存器连接。
可选地，所述第一锁存器，被配置为控制所述模拟选通通道的使能和选通；
所述第二锁存器，被配置为控制所述M个第三锁存器的使能和选通；
所述M个第三锁存器，被配置为控制所述均衡单元的开启与断开，以控制单体电池的均衡。
可选地，所述采样单元，还被配置为通过差分电路形式采集所述蓄电池组内N个单体电池的单体模拟量。
可选地，所述均衡单元包括多路均衡单路，每路所述均衡电路由三极管电阻构成，实现对蓄电池组内每个单体电池的均衡。
可选地，所述磁隔离单元由电源芯片及变压器搭建而成，变压器为耐高隔离电压材料制成，以完成电平、脉冲信号的传输。
可选地，所述模拟选通通道，被配置为控制所述采样单元对所述蓄电池组内的每个单体电池的轮询采集。
可选地，本发明实施例还提供了一种基于异步串并转换的电池隔离控制方法，应用于上述任一项所述的控制系统，所述方法包括：
采集蓄电池组内N个单体电池的单体模拟量，并将所述单体模拟量转换为12位通道数字量；
将所述12位通道数字量转换为1通道数字量，并将所述1通道数字量发送至低压侧子系统内的第二串转并移位寄存器；
通过所述第二串转并移位寄存器将所述1通道数字量还原为12位通道数字量；
通过下位机FPGA根据所述12位通道数字量生成控制指令信息，并通过所述控制指令信息控制所述锁存器，以由所述锁存器控制所述均衡单元，以调节所述N个单体电池的单体电压值。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本电池隔离控制系统可以满足未来航天器对高压大功率电源采集系统的需求，本系统可实现蓄电池组叠加扩展，可实现千伏量级电池管理，解决未来大功率高压电源实际需求。本控制系统可有效解决该低压和高压端的隔离问题，防止高压电池端对低压端下位机单元的干扰及影响，有效提高航天产品的安全性和可靠性。通过隔离式均衡控制技术实现蓄电池组内单体电压的一致性，延长电池的使用寿命，可满足未来高轨长寿命航天器的使用要求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于异步串并转换的电池隔离控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种基于异步串并转换的电池隔离控制系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于异步串并转换的电池隔离控制方法的步骤流程图。
具体实施方式
实施例一
参照图1，示出了本发明实施例提供的一种基于异步串并的电池隔离控制系统的结构示意图，如图1所示，所述控制系统100可以包括：高压侧子系统110和低压侧子系统120，高压侧子系统110可以包括：并转串移位寄存器111、第一串转并移位寄存器112、模拟转数字AD转换器113、锁存器114、采样单元115、均衡单元116和蓄电池组117，低压侧子系统120可以包括：第二串转并移位寄存器121和下位机FPGA122，其中，
采样单元115可以被配置为采集蓄电池组117内N个单体电池的单体模拟量，并将单体模拟量发送给模拟转数字AD转换器113；其中，N为大于等于1的正整数。
模拟转数字AD转换器113可以被配置为将单体模拟量转换为12位通道数字量，并将12位通道数字量发送至并转串移位寄存器111；
并转串移位寄存器111可以被配置为将12位通道数字量转换为1通道数字量，并通过隔离单元将1通道数字量发送至第二串转并移位寄存器121。
第二串转并移位寄存器121可以被配置为将1通道数字量还原为12位通道数字量，并将12位通道数字量发送至下位机FPGA122；
下位机FPGA122可以被配置为根据12位通道数字量生成控制指令信息，并通过控制指令信息控制锁存器114，以由锁存器114控制均衡单元116，以调节N个单体电池的单体电压值。
本发明实施例FPGA可通过隔离电路控制串转并移位寄存器从而控制锁存器的各个通道执行均衡开启功能，从而实现对电池单体电压的调整与控制。该系统由低压端与高压端两部分组成，可有效防止蓄电池在大电流充放电工况下，对易敏感的FPGA及CPU的干扰，有效提高下位机核心单元的使用安全性。该系统可完成对单体电压的实时控制与调节，保证蓄电池组内各单体电压的一致性，有效延长电池使用寿命。
接下来，结合图2对本发明实施例提供的控制系统进行如下详细描述。
在本发明的一种具体实现方式中，低压侧子系统还可以包括下位机CPU，下位机CPU可以通过总线完成与下位机FPGA的信息交互，将所有信息进行整理打包上传，将用户指令信息传输至所述下位机FPGA进行下发及控制。
在本发明的另一种具体实现方式中，锁存器可以包括第一锁存器(锁存器1)、第二锁存器(锁存器2)和M个第三锁存器(锁存器3、锁存器4、...、锁存器M)，第一串转并移位寄存器可以包括第一子串转并移位寄存器(串转并移位寄存器1)和第二子串转并移位寄存器(串转并移位寄存器2)，M为大于等于1的正整数，第一锁存器的第一端与第一子串转并移位寄存器和隔离单元连接，另一端与模拟选通通道连接，爹锁存器的一端与第一子串转并移位寄存器和隔离单元连接，另一端与M个第三锁存器连接。
其中，第一锁存器可以被配置为控制模拟选通通道的使能和选通。
第二锁存器可以被配置为控制M个第三锁存器的使能和选通。
M个第三锁存器可以被配置为控制均衡单元的开启与断开，以控制单体电池的均衡。
在本发明的另一种具体实现方式中，采样单元还可以被配置为通过差分电路形式采集蓄电池组内N个单体电池的单体模拟量。
在本发明的另一种具体实现方式中，均衡单元可以包括多路均衡电路，每路均衡电路由三极管电阻构成，可以时间对蓄电池组内每个单体电池的均衡。
在本发明的另一种具体实现方式中，磁隔离单元由电源芯片及变压器搭建而成，变压器为耐高隔离电压材料制成，以完成电平、脉冲信号的传输。
模拟选通通道可以被配置为控制采样单元对蓄电池组内的每个单体电池的轮询采集。
在本发明实施例中，如图2所示，控制系统可以包括：低压端系统和高压端系统。低压端系统包含：串转并移位寄存器、下位机FPGA、下位机CPU；高压端系统包含：并转串移位寄存器、串转并移位寄存器、模拟转数字AD转换器、锁存器、模拟通道选通、采样单元、均衡单元、蓄电池组；此外还包括磁隔离单元。
串转并移位寄存器实现1个通道数字量转换为多通道数字量，实现隔离后信息还原。
下位机FPGA接受串转并移位寄存器还原后的多通道数字量，实现低压端的遥测信息收集，同时可发送控制指令信息，实现系统的遥测与遥控。
下位机CPU通过总线可完成与下位机FPGA的信息交互，将所有信息进行整理打包上传，将用户指令信息传输FPGA进行下发及控制。
并转串移位寄存器将12位通道数字量转换为1个通道的数字量，完成多路信息通道的简化传输。
高压端串转并移位寄存器1、2将1位通道数字量转换为多路通道的数字量，完成多路信息通道的还原，在控制锁存器完成后续工作。
模拟转数字AD转换器完成模拟信息与数字信息的转换。
锁存器1和2完成模拟通道和锁存器使能及选通；锁存器3到N完成开启及关断均衡单元，实现控制电池单体均衡。
模拟通道选通完成多路模拟通道的选通，实现电池单体电压的轮询采集。
采样单元以差分电路形式完成蓄电池组内单体电压的实时采集。
均衡单元包含多路均衡电路，由三极管电阻构成，可实现对蓄电池组内每个单体的均衡。
磁隔离电路由电源芯片及变压器搭建而成，变压器具备耐高隔离电压要求，可完成电平、脉冲信号的传输。
实施例二
参照图3，示出了本发明实施例提供的一种基于异步串并转换的电池隔离控制方法的步骤流程图，该控制方法可以应用于上述实施例一任一项所述的控制系统，如图3所示，该控制方法具体可以包括如下步骤：
步骤301：采集蓄电池组内N个单体电池的单体模拟量，并将所述单体模拟量转换为12位通道数字量。
本发明实施例可以应用于上述实施例一任一项所述的控制系统。
在进行单体电池的电压控制时，可以由高压端系统内的采样单元采集蓄电池组内N个单体电池的单体模拟量，其中，N为大于等于1的正整数。
进而由采样单元将单体模拟量发送至高压侧子系统内的并转串移位寄存器，以由该并转串移位寄存器将单体模拟量转换为12位通道数字量。
步骤302：将所述12位通道数字量转换为1通道数字量，并将所述1通道数字量发送至低压侧子系统内的第二串转并移位寄存器。
进而由并转串移位寄存器将12位通道数字量发送至低压侧子系统内的串转并移位寄存器，即第二串转并移位寄存器。
步骤303：通过所述第二串转并移位寄存器将所述1通道数字量还原为12位通道数字量。
在由并转串移位寄存器将12位通道数字量发送至低压侧子系统内的串转并移位寄存器之后，可以由第二串转并移位寄存器将1通道数字量还原为12位通道数字量。进而由第二串转并移位寄存器将12位通道数字量发送至下位机FPGA。
步骤304：通过下位机FPGA根据所述12位通道数字量生成控制指令信息，并通过所述控制指令信息控制所述锁存器，以由所述锁存器控制所述均衡单元，以调节所述N个单体电池的单体电压值。
通过下位机FPGA根据12位通道数字量生成控制指令信息，并通过控制指令信息控制锁存器，以由锁存器控制均衡单元，以调节N个单体电池的单体电压值。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
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 (5)

1.一种基于异步串并转换的电池隔离控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：高压侧子系统和低压侧子系统，所述高压侧子系统包括：并转串移位寄存器、第一串转并移位寄存器、模拟转数字AD转换器、锁存器、采样单元、均衡单元和蓄电池组，所述低压侧子系统包括：第二串转并移位寄存器和下位机FPGA，其中，
所述采样单元，被配置为采集所述蓄电池组内N个单体电池的单体模拟量，并将单体模拟量发送给所述模拟转数字AD转换器；其中，N为大于等于1的正整数；
所述模拟转数字AD转换器，被配置为将单体模拟量转换为12位通道数字量，并将所述12位通道数字量发送至所述并转串移位寄存器；
所述并转串移位寄存器，被配置为将所述12位通道数字量转换为1通道数字量，并通过隔离单元将所述1通道数字量发送至所述第二串转并移位寄存器；
所述第二串转并移位寄存器，被配置为将所述1通道数字量还原为12位通道数字量，并将所述12位通道数字量发送至所述下位机FPGA；
所述下位机FPGA，被配置为根据所述12位通道数字量生成控制指令信息，并通过所述控制指令信息控制所述锁存器，以由所述锁存器控制所述均衡单元，以调节所述N个单体电池的单体电压值；
所述锁存器包括第一锁存器、第二锁存器和M个第三锁存器，所述第一串转并移位寄存器包括第一子串转并移位寄存器和第二子串转并移位寄存器，M为大于等于1的正整数，其中，
所述第一锁存器的一端与所述第一子串转并移位寄存器和所述隔离单元连接，另一端与模拟选通通道连接；
所述第二锁存器的一端与所述第一子串转并移位寄存器和所述隔离单元连接，另一端与所述M个第三锁存器连接；
所述采样单元，还被配置为通过差分电路形式采集所述蓄电池组内N个单体电池的单体模拟量；
磁隔离单元由电源芯片及变压器搭建而成，变压器为耐高隔离电压材料制成，以完成电平、脉冲信号的传输；
所述模拟选通通道，被配置为控制所述采样单元对所述蓄电池组内的每个单体电池的轮询采集。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述低压侧子系统还包括：下位机CPU，所述下位机CPU通过总线完成与所述下位机FPGA的信息交互，将所有信息进行整理打包上传，将用户指令信息传输至所述下位机FPGA进行下发及控制。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述第一锁存器，被配置为控制所述模拟选通通道的使能和选通；
所述第二锁存器，被配置为控制所述M个第三锁存器的使能和选通；
所述M个第三锁存器，被配置为控制所述均衡单元的开启与断开，以控制单体电池的均衡。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述均衡单元包括多路均衡单路，每路所述均衡电路由三极管电阻构成，实现对蓄电池组内每个单体电池的均衡。
5.一种基于异步串并转换的电池隔离控制方法，应用于权利要求1至4任一项所述的控制系统，其特征在于，所述方法包括：
采集蓄电池组内N个单体电池的单体模拟量，并将所述单体模拟量转换为12位通道数字量；
将所述12位通道数字量转换为1通道数字量，并将所述1通道数字量发送至低压侧子系统内的第二串转并移位寄存器；
通过所述第二串转并移位寄存器将所述1通道数字量还原为12位通道数字量；
通过下位机FPGA根据所述12位通道数字量生成控制指令信息，并通过所述控制指令信息控制所述锁存器，以由所述锁存器控制所述均衡单元，以调节所述N个单体电池的单体电压值。
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