CN206863182U - 高电压安全输出的电池模拟器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高电压安全输出的电池模拟器，具有一供电模块，所述电池模拟器具有一模拟电压输出接口和一与所述模拟电压输出接口串联连接的绝缘监控模块，经由所述供电模块提供工作电源。本实用新型提供一种具有高压安全保护且能灵活控制多个通道之间的串联，从而满足高电压输出的高电压安全输出的电池模拟器；同时结构紧凑，布局合理，所有部分均可集成在一个箱体中，当需要输出较大电压值时，可以根据需要将多个箱体组合使用。

Description

高电压安全输出的电池模拟器

技术领域

本实用新型涉及电池模拟器模拟信号输出技术领域，尤其涉及一种高电压安全输出的电池模拟器。

背景技术

对于汽车电池管理系统开发阶段以及整车开发阶段，都需要进行大量的测试。如若直接对实际电池进行测试，则存在成本高、周期长，且无法实现准确控制输出的电压值等问题。如若直接在实际电池上进行某些特殊工况测试(如模拟大电压输出、电压突降、电池短路等工况)，则会存在很大的安全隐患，易造成不可估量的损失。电池模拟器即仿真电池能够非常有效地减少测试时间，提供重复性的测试结果并且创造一个安全的测试环境。另外，通过测试电池温度和老化测试，都能减少准备时间，避免操作者的失误以及结果的偏差等因素。但是，对于现有技术总的电池模拟器，存在缺乏高压安全保护措施的问题，当输出模拟电压值过大时，不能及时有效对电池模拟器进行高压保护。同时，现有的电池模拟器不能满足可以灵活控制输出高电压的需求。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中的电池模拟器存在没有高压安全保护措施，同时不能满足可以灵活控制输出高电压的需求等缺陷，目的在于提供一种具有高压安全保护且能灵活控制多个通道之间的串联，从而满足高电压输出的高电压安全输出的电池模拟器。

实现上述目的的技术方案是：

本实用新型高电压安全输出的电池模拟器，具有一供电模块，所述电池模拟器具有一模拟电压输出接口和一与所述模拟电压输出接口串联连接的绝缘监控模块。绝缘监控模块与供电模块连接，且经由供电模块提供工作电源，用于监控所述电池模拟器的输出电压值是否超过设定的最大电压值，如若大于，则切断所述供电模块与所述电池模拟器的连接，从而实现高压安全保护。

所述绝缘监控模块具有绝缘监控模块电源接口、正端绝缘电阻R_p、负端绝缘电阻R_n、正端偏置电阻R_C1、负端偏置电阻R_C2、开关S₁、S₁’、S₂、S₂’和电压采样电路，所述电压采样电路具有不同阻值级别的采样电阻R_S1、R_S1’、R_S2、R_S2’；

所述正端绝缘电阻R_p一端与所述负端绝缘电阻R_n一端串联连接，所述正端偏置电阻R_C1一端与所述负端偏置电阻R_C2一端串联连接，所述正端绝缘电阻R_p另一端分别与绝缘监控模块电源接口的正端、所述开关S₁一端串联连接，所述开关S₁另一端与所述正端偏置电阻R_C1另一端串联连接，所述负端绝缘电阻R_n另一端分别与绝缘监控模块电源接口的负端、所述开关S₂一端串联连接，所述开关S₂另一端与所述负端偏置电阻R_C2另一端串联连接；所述开关S₁一端还与所述电压采样电路串联连接，所述开关S₂一端还与所述电压采样电路串联连接；

所述采样电阻R_S1一端分别与采样电阻R_S1’一端、开关S₁’一端串联连接，所述采样电阻R_S1另一端与所述开关S₁一端串联连接，开关S₁’另一端与所述正端偏置电阻R_C1一端串联连接；所述采样电阻R_S2一端分别与采样电阻R_S2’一端、开关S₂’一端串联连接，所述采样电阻R_S2另一端与所述开关S₂一端串联连接，开关S₂’另一端与所述负端偏置电阻R_C2一端串联连接。

所述电池模拟器具有若干与所述供电模块串联连接的模拟电压控制模块，任一所述模拟电压控制模块的正极输出端可通过一柔性级联单元与相邻的所述模拟电压控制模块的负极输出端串联。

所述供电模块具有一将输入所述电池模拟器的交流电转换成直流电的AC/DC转换模块和与所述AC/DC转换模块串联连接的若干DC/DC隔离模块，用于将所述AC/DC转换模块转换后的共地直流电隔离转换成多路不共地且相互隔离的直流电，从而给若干所述模拟电压控制模块提供直流工作电源；所述绝缘监控模块与所述AC/DC转换模块串联连接且经由所述AC/DC转换模块提供工作电源。

所述供电模块具有一串联连接在所述AC/DC转换模块和若干所述DC/DC隔离模块之间的继电器；所述绝缘监控模块与所述继电器串联连接，用于当所述绝缘监控模块监测到的所述电池模拟器的输出电压值超过设定电压值时，控制所述继电器断开，从而对所述电池模拟器的起到高压保护作用。

所述模拟电压控制模块具有一用于对输入的模拟信号进行隔离转换的模拟隔离转换模块和一采样电路模块，所述采样电路模块用于将所述模拟隔离转换模块输出的模拟信号进行采样并将获得的采样结果输入至所述模拟隔离转换模块进行闭环反馈处理，从而获得高精度的输出模拟信号。

所述模拟隔离转换模块依次串联连接一用于计算并获得高精度预输出模拟电压值的单片机、一用于隔离处理数字信号的隔离串行外设接口电路、一将经由所述隔离串行外设接口电路隔离处理后的数字信号转换成模拟信号的数模转换芯片和一将所述数模转换芯片获得的模拟信号进行放大处理的运算放大器和一用于减少输出模拟信号损失的电压跟随电路。

所述采样电路模块具有依次串联连接在所述电压跟随电路的输出端与所述隔离串行外设接口电路之间的一采样电路和一模数转换芯片，所述模数转换芯片用于将所述采样电路采样获得的采样模拟电压转换成数字电压传输给所述隔离串行外设接口电路，再经由所述隔离串行外设接口电路传输给所述单片机将采样模拟信号与预输出模拟电压值进行比较，计算误差实现更高精度的输出模拟电压值。

所述电池模拟器具有一与上位机串联连接且由所述上位机将所需输出模拟电压值给所述电池模拟器的CAN通讯接口，若干所述模拟电压控制模块均设有一与所述CAN通讯接口串联连接的CAN通讯接口单元，实现若干所述模拟电压控制模块之间的独立通讯，进而实现多通道独立控制。

所述电池模拟器具有一与外接交流电串联连接的电源接口，所述电源接口与所述供电模块的AC/DC转换模块串联连接。所述电池模拟器的模拟电压输出接口与若干所述模拟电压控制模块的电压跟随电路输出端串联连接，输出高精度模拟电压；若干所述模拟电压控制模块均具有一电源接口单元，分别与所述若干DC/DC隔离模块串联电连接实现工作电源的提供。

本实用新型的积极进步效果在于：

本实用新型的高电压安全输出的电池模拟器，电池模拟器输出端的最大正极电压值和最大负极电压值反馈到绝缘监控模块，如若电池模拟器输出端的最大电压值大于预先设定的允许输出最大电压值，则控制供电模块的继电器断开，从而断开AC/DC转换模块到DC/DC模块的连接，即切断电池模拟器与电源的连接，进而起到高压保护的作用；同时，对若干模拟电压控制模块的输出端通过柔性级联单元进行柔性级联，根据应用需要，实现两个或多个输出端之间的串联，灵活满足不同应用场合对输出电压值的需求，从而有效地增强实用性；同时结构紧凑，布局合理，所有部分均可集成在一个箱体中，当需要输出较大电压值时，可以根据需要将多个箱体组合使用，实现更高的输出电压。

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本实用新型高电压安全输出的电池模拟器的原理结构示意图；

图2为本实用新型高电压安全输出的电池模拟器的原理框图；

图3为本实用新型高电压安全输出的电池模拟器的绝缘监控模块工作原理示意图；

图4为本实用新型高电压安全输出的电池模拟器的内部结构示意图；

图5为本实用新型高电压安全输出的电池模拟器的侧视图。

具体实施方式

下面结合图1至图5，对本实用新型的高电压安全输出的电池模拟器进行详细的说明。

如图1所示，本实施例的高电压安全输出的电池模拟器，具有供电模块10、具有若干经由供电模块10提供工作电源的模拟电压控制模块20、与上位机串联连接且由上位机将所需输出模拟电压值给电池模拟器的CAN(Controller Area Network)通讯接口30、与外接交流电串联连接的电源接口40、与模拟电压控制模块20串联连接的模拟电压输出接口50和与供电模块10连接且经由供电模块10提供工作电源的绝缘监控模块60。绝缘监控模块60用于监控与电池模拟器的输出电压进而通过控制供电模块10开断实现对电池模拟器的高压保护。

如图2所示，供电模块10具有将输入电池模拟器的交流电转换成直流电的AC/DC转换模块11和与AC/DC转换模块11串联连接的若干DC/DC隔离模块12，用于将AC/DC转换模块11转换后的共地直流电隔离转换成多路不共地且相互隔离的直流电，从而给若干模拟电压控制模块20提供直流工作电源。供电模块60具有串联连接在AC/DC转换模块11和若干DC/DC隔离模块12之间的继电器13。绝缘监控模块60经由AC/DC转换模块11提供工作电源且与继电器13串联连接，当绝缘监控模块60监测到的电池模拟器输出的最大模拟电压值超过设定电压值时，则控制继电器13断开，从而对电池模拟器的起到高压保护作用。本实用新型的电池模拟器也可以采用其他可控开关来实现此功能。电源接口40与供电模块10的AC/DC转换模块11串联连接，实现给电池模拟器提供电源。

如图2所示，模拟电压控制模块20具有用于对输入的模拟信号进行隔离转换的模拟隔离转换模块21和采样电路模块22。采样电路模块22用于对电池模拟器输出端的输出电压进行采样，并将获得的采样结果传输给模拟隔离转换模块21的单片机进行闭环反馈处理，从而获得高精度的输出模拟电压值。模拟隔离转换模块21依次串联连接用于计算并获得高精度预输出模拟电压值的单片机(MCU，Microcontroller Unit)211、用于隔离处理数字信号的隔离串行外设接口(又称SPI，Serial Peripheral Interface)电路212、将经由隔离SPI电路212隔离处理后的数字信号转换成模拟信号的数模转换芯片(又称D/A转换芯片)213和将D/A转换芯片213获得的模拟信号进行放大处理的运算放大器214和用于减少输出模拟信号损失的电压跟随电路215。上位机通过CAN通讯接口30将所需输出的模拟电压值传送到单片机211中，单片机211根据其内部等效电路模型计算出高精度的预模拟电压值，预输出模拟电压值通过隔离SPI电路212后得到隔离后的数字信号，并将该数字信号传输给D/A转换芯片213，D/A转换芯片213将数字信号转换成模拟信号。运算放大器214对D/A转换芯片213转换获得的模拟电压值进行比例放大，提高输出功率。经由电压跟随电路215具有高输入阻抗、低输出阻抗的特性，减少经由运算放大器214放大处理后的模拟电压的损失。

采样电路模块22具有依次串联连接在电压跟随电路215的输出端与隔离SPI电路212之间的采样电路221和模数转换芯片(又称A/D转换芯片)222。A/D转换芯片222用于将采样电路模块22采样获得的采样模拟电压转换成数字电压传输给隔离SPI电路212，再经由隔离SPI电路212传输给单片机211将采样模拟信号与预输出模拟电压值进行比较，计算误差，实现更高精度的输出模拟电压值。若干模拟电压控制模块20均设有与CAN通讯接口30串联连接的CAN通讯接口单元23，实现若干模拟电压控制模块20之间的独立通讯，进而实现多通道独立控制。模拟电压输出接口50与若干模拟电压控制模块20的电压跟随电路215的输出端串联连接，输出高精度模拟电压。若干模拟电压控制模块20均具有电源接口单元24，分别与若干DC/DC隔离模块12串联电连接实现工作电源的提供。

如图3所示，绝缘监控模块60具有绝缘监控模块电源接口61、正端绝缘电阻R_p、负端绝缘电阻R_n、正端偏置电阻R_C1、负端偏置电阻R_C2、开关S₁、S₁’、S₂、S₂’和电压采样电路62。电压采样电路62具有不同阻值级别的采样电阻R_S1、R_S1’、R_S2、R_S2’。其中，R_S1、R_S2为大阻值电阻，R_S1’、R_S2’为小阻值电阻。

正端绝缘电阻R_p一端与负端绝缘电阻R_n一端串联连接，正端偏置电阻R_C1一端与负端偏置电阻R_C2一端串联连接，正端绝缘电阻R_p另一端分别与绝缘监控模块电源接口61的正端、开关S₁一端串联连接，开关S₁另一端与正端偏置电阻R_C1另一端串联连接，负端绝缘电阻R_n另一端分别与绝缘监控模块电源接口61的负端、开关S₂一端串联连接，开关S₂另一端与负端偏置电阻R_C2另一端串联连接；开关S₁一端还与电压采样电路62串联连接，开关S₂一端还与电压采样电路62串联连接。采样电阻R_S1一端分别与采样电阻R_S1’一端、开关S₁’一端串联连接，采样电阻R_S1另一端与所述开关S₁一端串联连接，开关S₁’另一端与所述正端偏置电阻R_C1一端串联连接；采样电阻R_S2一端分别与采样电阻R_S2’一端、开关S₂’一端串联连接，采样电阻R_S2另一端与所述开关S₂一端串联连接，开关S₂’另一端与负端偏置电阻R_C2一端串联连接。

为使正端绝缘电阻值Rp和负端绝缘电阻值Rn不超过国标GB/T18384.1规定的安全的绝缘阻值，预先设定电池模拟器允许输出的最大电压值。当绝缘监控模块60监测到的电池模拟器正端输出电压值与负端输出电压值大于电池模拟器允许输出的最大电压值时，则通过控制供电模块10的继电器13断开等方式来对电池模拟器进行高压保护。具体过程如下：如图3所示，电压采样电路62用于计算正端偏置电阻Rc1和负端偏置电阻Rc2的阻值，从而可计算出正端绝缘电阻Rp和负端绝缘电阻Rn的阻值。当绝缘监控模块60监测到的电池模拟器正端输出电压值与负端输出电压值大于电池模拟器允许输出的最大电压值时，便认为正端绝缘电阻值Rp和/或负端绝缘电阻值Rn已超过安全的绝缘电阻，就会通过控制供电模块10的继电器13断开等方式来切断供电电源，实现对电池模拟器的高压保护。如图3所示，通过控制开关S1、S2的闭合/断开计算出绝缘阻值Rp与Rn。一实例中，先断开开关S1、S2，由电路电律有：U1/Rp＝U2/Rn，U1、U2分别为电池模拟器正端输出电路、负端输出电路与外壳之间的电压。再闭合开关S1、断开开关S2，得到：Up/Rp+Up/Rc₁＝Un/Rn。联立两式可计算出Rp、Rn对应的阻值。电压采样电路62通过闭合开关S₁’或S₂’来采集正端偏置电阻或负端偏置电阻上的电压，从而获得正端偏置电阻Rc1阻值或负端偏置电阻Rc2阻值。实际应用中，偏置电阻上的电压一般较大，为防止采集到的电压值超过电压采样电路能输出的最大电压值，电压采样电路62基于现有的采样电路，采用分压原理，选取阻值数量级不同的大电阻R_S1、R_S2与小电阻R_S1’、R_S2’。电压采集电路仅采集小电阻R_S1’、R_S2’的阻值，由于R_S1(R_S2)与R_S1’(R_S2’)是串联关系，故可通过计算得到大电阻R_S1、R_S2的电阻值，继而通过计算获得正端偏置电阻R_C1和/或负端偏置电阻R_C2的阻值。一实施例中，为了获得正端偏置电阻R_C1的阻值，闭合开关S₁’，利用电压采样电路62对与对采样电阻Rs1和R_S1’(Rs1/R_S1’＝20)中采样电阻R_S1’进行采样处理，则R_C1的阻值将是R_S1’的21倍。

柔性级联单元70与若干模拟电压控制模块20的输出端连接，任一模拟电压控制模块20的正极输出端可通过柔性级联单元70与相邻的模拟电压控制模块20的负极输出端串联。从而灵活控制多个通道之间的串联，满足不同应用场合对输出电压的需求。

如图4和图5所示，本实施例的高电压安全输出的电池模拟器的所有部分均可集成在一个箱体80中，当需要输出较大电压值时，可以根据需要将多个箱体80组合使用。

本实用新型高电压安全输出的电池模拟器的工作原理具体如下：

Step1，将电池模拟器的电源接口40与外接交流电串联连接，供电模块10开始工作；

Step2，经由AC/DC转换模块11将输入的交流电转换成直流电，通过与其串联连接的若干DC/DC隔离模块12将AC/DC转换模块11转换后的共地直流电隔离转换成多路不共地且相互隔离的直流电，将若干DC/DC隔离模块12分别与若干模拟隔离转换模块21的电源接口单元24串联连接，实现对若干模拟隔离转换模块21提供直流工作电源；

Step3，上位机通过电池模拟器的CAN通讯接口30电池模拟器，经由与CAN通讯接口30串联连接的若干模拟隔离转换模块21的CAN通讯接口单元23将所需输出的模拟电压值分别传送到各个模拟隔离转换模块21的单片机211中，单片机211根据其内部等效电路模型计算出高精度的预模拟电压值，预输出模拟电压值通过隔离SPI电路212后得到隔离后的数字信号，并将该数字信号传输给D/A转换芯片213，D/A转换芯片213将数字信号转换成模拟信号。运算放大器214对D/A转换芯片213转换获得的模拟电压值进行比例放大，提高输出功率。经由电压跟随电路215具有高输入阻抗、低输出阻抗的特性，减少经由运算放大器214放大处理后的模拟电压的损失；

Step4，将采样电路221分别在电池模拟器的输出电路的正负极上对模拟电压进行采样，得到反馈正电压和反馈负电压(分别记为Feedback V+和Feedback V-)，此时采集的模拟信号成为采样模拟信号，再经过采样电路模块22的模数转换芯片222将反馈正电压和反馈负电压转换成数字信号，再经过隔离SPI电路212把采样得到的输出模拟电压值传送到单片机211中，构成信号闭环反馈回路。单片机211通过比较采样模拟信号的输出模拟电压值与预输出模拟信号电压值，计算两者之间误差，并根据误差来调整和校正输出的模拟电压值，从而提高输出的模拟电压精度。电池模拟器具有模拟电压输出接口50，若干模拟电压控制模块20的电压跟随电路215的输出端均与模拟电压输出接口50串联连接，多通路输出高精度模拟电压；

同时，电池模拟器输出端的最大正极电压值和最大负极电压值反馈到绝缘监控模块60，如若电池模拟器输出端的最大电压值大于预先设定的允许输出最大电压值，则控制供电模块10的继电器13断开，切断供电模块10与模拟电压控制模块20的连接，实现对电池模拟器的高压保护；

Step5，经由柔性级联单元70将任一模拟电压控制模块20的正极输出端与相邻的模拟电压控制模块20的负极输出端串联，灵活控制多个通道之间的串联，满足不同应用场合对输出电压的需求。

以上详细描述了本实用新型的各较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高电压安全输出的电池模拟器，具有一供电模块，其特征在于，所述电池模拟器具有一模拟电压输出接口和一与所述模拟电压输出接口串联连接的绝缘监控模块，经由所述供电模块提供工作电源，其中，所述绝缘监控模块具有绝缘监控模块电源接口、正端绝缘电阻R_p、负端绝缘电阻R_n、正端偏置电阻R_C1、负端偏置电阻R_C2、开关S₁、S₁’、S₂、S₂’和电压采样电路，所述电压采样电路具有不同阻值级别的采样电阻R_S1、R_S1’、R_S2、R_S2’；

所述正端绝缘电阻R_p一端与所述负端绝缘电阻R_n一端串联连接，所述正端偏置电阻R_C1一端与所述负端偏置电阻R_C2一端串联连接，所述正端绝缘电阻R_p另一端分别与绝缘监控模块电源接口的正端、所述开关S₁一端串联连接，所述开关S₁另一端与所述正端偏置电阻R_C1另一端串联连接，所述负端绝缘电阻R_n另一端分别与绝缘监控模块电源接口的负端、所述开关S₂一端串联连接，所述开关S₂另一端与所述负端偏置电阻R_C2另一端串联连接；所述开关S₁一端还与所述电压采样电路串联连接，所述开关S₂一端还与所述电压采样电路串联连接；

所述采样电阻R_S1一端依次与采样电阻R_S1’一端、开关S₁’一端串联连接，所述采样电阻R_S1另一端与所述开关S₁一端串联连接，开关S₁’另一端与所述正端偏置电阻R_C1一端串联连接；所述采样电阻R_S2一端依次与采样电阻R_S2’一端、开关S₂’一端串联连接，所述采样电阻R_S2另一端与所述开关S₂一端串联连接，开关S₂’另一端与所述负端偏置电阻R_C2一端串联连接。

2.如权利要求1所述的高电压安全输出的电池模拟器，其特征在于，所述电池模拟器具有若干与所述供电模块串联连接的模拟电压控制模块，任一所述模拟电压控制模块的正极输出端可通过一柔性级联单元与相邻的所述模拟电压控制模块的负极输出端串联。

3.如权利要求1所述的高电压安全输出的电池模拟器，其特征在于，所述供电模块具有一将输入所述电池模拟器的交流电转换成直流电的AC/DC转换模块和与所述AC/DC转换模块串联连接的若干DC/DC隔离模块；所述绝缘监控模块与所述AC/DC转换模块串联连接且经由所述AC/DC转换模块提供工作电源。

4.如权利要求3所述的高电压安全输出的电池模拟器，其特征在于，所述供电模块具有一串联连接在所述AC/DC转换模块和若干所述DC/DC隔离模块之间的继电器；所述绝缘监控模块与所述AC/DC转换模块串联连接。

5.如权利要求2所述的高电压安全输出的电池模拟器，其特征在于，所述模拟电压控制模块具有一用于对输入的模拟信号进行隔离转换的模拟隔离转换模块和一采样电路模块。

6.如权利要求5所述的高电压安全输出的电池模拟器，其特征在于，所述模拟隔离转换模块依次串联连接一用于计算并获得高精度预输出模拟电压值的单片机、一用于隔离处理数字信号的隔离串行外设接口电路、一将经由所述隔离串行外设接口电路隔离处理后的数字信号转换成模拟信号的数模转换芯片和一将所述数模转换芯片获得的模拟信号进行放大处理的运算放大器和一用于减少输出模拟信号损失的电压跟随电路。

7.如权利要求6所述的高电压安全输出的电池模拟器，其特征在于，所述采样电路模块具有依次串联连接在所述电压跟随电路的输出端与所述隔离串行外设接口电路之间的一采样电路和一模数转换芯片。

8.如权利要求2所述的高电压安全输出的电池模拟器，其特征在于，所述电池模拟器具有一与上位机串联连接且由所述上位机将所需输出模拟电压值给所述电池模拟器的CAN通讯接口，若干所述模拟电压控制模块均设有一与所述CAN通讯接口串联连接的CAN通讯接口单元，实现若干所述模拟电压控制模块之间的独立通讯，进而实现多通道独立控制。

9.如权利要求3所述的高电压安全输出的电池模拟器，其特征在于，所述电池模拟器具有一与外接交流电串联连接的电源接口，所述电源接口与所述供电模块的AC/DC转换模块串联连接；若干所述模拟电压控制模块均具有一电源接口单元，分别与所述若干DC/DC隔离模块串联电连接实现工作电源的提供。