一種衛(wèi)星鋰離子蓄電池模擬系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種衛(wèi)星鋰離子蓄電池模擬系統(tǒng)，主要包括蓄電池電壓模擬模塊、By-pass模擬模塊、基于PXI總線的工控機(jī)。蓄電池電壓模擬模塊用于模擬鋰離子蓄電池單體電壓輸出，進(jìn)一步包括總線接口控制電路、DA輸出電路、隔離電路。By-pass模擬模塊用于模擬鋰離子蓄電池單體By-pass裝置的通斷功能，進(jìn)一步包括總線控制器、繼電器?；赑XI總線的工控機(jī)用于實(shí)現(xiàn)蓄電池電壓模擬模塊、By-pass模擬模塊集成、供電與控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊的控制與數(shù)據(jù)監(jiān)視。本發(fā)明可以解決均衡設(shè)備單體采集性能測(cè)試成本高、效率低、工況覆蓋不全面等問題，提高測(cè)試效率。
【專利說明】一種衛(wèi)星鋰離子蓄電池模擬系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星用鋰離子蓄電池的模擬裝置，可用于星載設(shè)備的地面測(cè)試。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，高軌道通信衛(wèi)星普遍使用NiH2蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備，但其重量大，能量重量比低，無法適應(yīng)大容量通信衛(wèi)星平臺(tái)的重量指標(biāo)要求。為滿足衛(wèi)星平臺(tái)減重的要求，很多大容量通信衛(wèi)星已經(jīng)普遍采用鋰離子蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備，鋰離子蓄電池能量重量比高，能量體積比高，可以大幅提高衛(wèi)星平臺(tái)的載荷比并降低發(fā)射成本。
[0003]高軌道通信衛(wèi)星鋰離子蓄電池組一般由幾十節(jié)電池單體串聯(lián)組成，在長(zhǎng)期充放電循環(huán)后，由于各單體自放電率、內(nèi)阻、容量衰降率等存在差異，會(huì)導(dǎo)致電池組內(nèi)單體的荷電量各不相同，容易產(chǎn)生蓄電池的過充或過放，使得蓄電池組壽命縮短，甚至失效。因此，為了滿足鋰離子蓄電池在軌15年壽命的要求，需要衛(wèi)星平臺(tái)配置專用的單體均衡設(shè)備對(duì)鋰離子蓄電池進(jìn)行單體電壓的均衡處理。鋰離子電池均衡處理設(shè)備根據(jù)采集到的蓄電池各單體電壓值，來決策對(duì)每個(gè)單體的均衡操作，對(duì)低于平均電壓的單體補(bǔ)充充電，對(duì)高于平均電壓的單體進(jìn)行單體放電。為實(shí)現(xiàn)高精度的單體電壓均衡，均衡設(shè)備對(duì)單體電壓采集的精度是前提條件，一般對(duì)單體電壓采集的精度要求優(yōu)于幾毫伏。因此，在地面測(cè)試階段，需要對(duì)鋰離子電池均衡設(shè)備的單體電壓采集性能做系統(tǒng)的驗(yàn)證。
[0004]目前，在地面測(cè)試階段，投產(chǎn)與正樣產(chǎn)品相近的工藝鋰離子蓄電池組作為地面驗(yàn)證設(shè)備，通過采集工藝蓄電池組的電壓來驗(yàn)證均衡設(shè)備的單體電壓采集性能，但上述測(cè)試過程存在以下三個(gè)主要問題:一是采用工藝鋰離子蓄電池組作為地面設(shè)備的成本很高，如果測(cè)試過程中發(fā)生蓄電池短路等故障，極易造成整組蓄電池的損傷，帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失；第二是為實(shí)現(xiàn)全電壓范圍的采集性能驗(yàn)證，工藝鋰離子蓄電池組還需配置專門的充放電設(shè)備，由于鋰離子蓄電池組充放電過程緩慢，因此，要使蓄電池組單體電池達(dá)到某個(gè)特定電壓值，就需要等待很長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致地面測(cè)試效率不高；第三是為保證整組蓄電池的安全，蓄電池組每個(gè)單體電池會(huì)并聯(lián)By-pass裝置，當(dāng)蓄電池組中某節(jié)單體電池發(fā)生開路失效模式時(shí)，則單體對(duì)應(yīng)的By-pass裝置起爆，將開路的單體電池旁路處理。由于鋰離子蓄電池組的By-pass裝置起爆是不可逆過程，當(dāng)By-pass裝置起爆后則該節(jié)單體電池永久失效，而正常情況下不允許對(duì)By-pass裝置進(jìn)行起爆。因此，采用工藝鋰離子蓄電池組無法充分驗(yàn)證均衡設(shè)備在電池單體By-pass裝置起爆后的鋰離子單體電壓的采集精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種通信衛(wèi)星鋰離子蓄電池組模擬系統(tǒng)，用于解決均衡設(shè)備單體采集性能測(cè)試成本高、效率低、工況覆蓋不全面等問題，提高通信衛(wèi)星的測(cè)試效率。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種衛(wèi)星鋰離子蓄電池模擬系統(tǒng)，包括蓄電池電壓模擬模塊、By-pass模擬模塊、工控機(jī)，工控機(jī)通過PXI總線同時(shí)與蓄電池電壓模擬模塊和By-pass模擬模塊通信，其中:
[0007]蓄電池電壓模擬模塊:包括第一總線接口控制器、N個(gè)DA輸出電路和N個(gè)隔離電路，N為要模擬的鋰離子蓄電池組中包括的鋰離子蓄電池單體的個(gè)數(shù)；第一總線接口控制器從工控機(jī)獲取單體電壓設(shè)置指令并解析，獲得N個(gè)鋰離子蓄電池單體各自的電壓設(shè)置數(shù)據(jù)，并分別送至N個(gè)隔離電路；N個(gè)DA輸出電路和N個(gè)隔離電路一一對(duì)應(yīng)，構(gòu)成N個(gè)信號(hào)通道并順序編號(hào)，對(duì)于每一個(gè)信號(hào)通道，隔離電路用于DA輸出電路與第一總線接口控制器的電氣隔離，DA輸出電路對(duì)從相應(yīng)隔離電路傳送過來的鋰離子蓄電池單體電壓設(shè)置數(shù)據(jù)由數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量后輸出，各DA輸出電路的模擬量輸出串聯(lián)；
[0008]By-pass模擬模塊:包括第二總線接口控制器和N個(gè)繼電器，第二總線接口控制器從工控機(jī)獲取通路通斷設(shè)置指令并解析，獲得N個(gè)信號(hào)通道各自的通斷狀態(tài)設(shè)置數(shù)據(jù)，并分別送至N個(gè)繼電器；N個(gè)繼電器均為單刀雙擲的觸點(diǎn)形式，每一個(gè)繼電器對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)通道，每一個(gè)繼電器的常開觸點(diǎn)均接至相對(duì)應(yīng)的信號(hào)通道的輸出正端，每一個(gè)繼電器的常閉觸點(diǎn)均接至相對(duì)應(yīng)的信號(hào)通道的輸出負(fù)端，第一個(gè)信號(hào)通道對(duì)應(yīng)的繼電器的公共端接地，對(duì)于其余N-1個(gè)信號(hào)通道各自對(duì)應(yīng)的繼電器的公共端中，編號(hào)大的信號(hào)通道對(duì)應(yīng)的繼電器的公共端接編號(hào)比其小且最接近的信號(hào)通道對(duì)應(yīng)的繼電器的常開觸點(diǎn)；編號(hào)最大的繼電器的常開觸點(diǎn)相對(duì)于地之間的電壓作為衛(wèi)星鋰離子蓄電池模擬系統(tǒng)的對(duì)外輸出電壓；
[0009]基于PXI總線的工控機(jī):從外部接收要模擬的鋰離子蓄電池組中各鋰離子蓄電池單體的電壓設(shè)置數(shù)據(jù)并編譯成單體電壓設(shè)置指令送至第一總線接口控制器；從外部接收要模擬的鋰離子蓄電池組中各鋰離子蓄電池單體的通斷狀態(tài)設(shè)置數(shù)據(jù)并編譯成通路通斷設(shè)置指令送至第二總線接口控制器。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0011](I)本發(fā)明米用多路DA模塊完成對(duì)各單體輸出電壓的模擬，每路DA輸出的電壓值可以獨(dú)立靈活設(shè)置，避免了蓄電池充放電過程的等待時(shí)間，有效提升了測(cè)試效率；根據(jù)外部注入的參數(shù)曲線，多路DA模塊能夠模擬與真實(shí)鋰離子蓄電池相近的單體電壓特性；多路DA模塊具備電氣隔離電路，當(dāng)模塊內(nèi)部電路出現(xiàn)短路故障時(shí)，隔離電路能夠有效的防止故障蔓延至星載設(shè)備；
[0012](2)本發(fā)明具備By-pass裝置行為模擬功能，可以通過指令控制每路By-pass繼電器的通斷，能夠真實(shí)模擬By-pass起爆后鋰離子蓄電池單體的連接環(huán)境，支持均衡設(shè)備在電池單體By-pass起爆后單體電壓的采集精度的驗(yàn)證；
[0013](3)相比與采用工藝鋰離子蓄電池組，本發(fā)明模擬系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備大幅降低了測(cè)試成本，也提升了測(cè)試過程的安全性。本發(fā)明采用基于PXI總線的硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)，用戶可以根據(jù)不同的需求增減多路DA模塊數(shù)量以實(shí)現(xiàn)與整星蓄電池組相同的電壓范圍，適應(yīng)不同衛(wèi)星平臺(tái)的應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明模擬系統(tǒng)的組成原理圖；
[0015]圖2為本發(fā)明蓄電池電壓模擬模塊及By-pass模擬模塊原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，主要包括:蓄電池電壓模擬模塊、By-pass模擬模塊、基于PXI總線的工控機(jī)。
[0017]1、蓄電池電壓模擬模塊
[0018]蓄電池電壓模擬模塊用于模擬鋰離子蓄電池單體電壓輸出，如圖2所示。蓄電池電壓模擬模塊由3個(gè)同構(gòu)的DA子模塊串聯(lián)組成，每個(gè)DA子模塊能夠模擬8節(jié)鋰離子蓄電池單體串聯(lián)模型。DA子模塊中的每路模擬量與By-pass模擬模塊相互串聯(lián)輸出。以DA子模塊I為例，每節(jié)單體正端與負(fù)端之間輸出的差分電壓范圍為:0-5V，8節(jié)單體串聯(lián)后，DA子模塊I輸出的電壓范圍為:0-40V。DA子模塊2、DA子模塊3與DA子模塊I完全同構(gòu)，3個(gè)DA子模塊串聯(lián)后模擬24節(jié)鋰離子蓄電池單體串聯(lián)模型，整組串聯(lián)模型輸出的絕對(duì)電壓范圍:0-120Vo
[0019]每個(gè)DA子模塊包含:總線接口控制電路、DA輸出電路、隔離電路?？偩€接口電路對(duì)從PXI總線上接收到的單體電壓設(shè)置數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將解析后的設(shè)置數(shù)據(jù)分發(fā)至相應(yīng)的DA輸出電路，控制相應(yīng)DA輸出電路的電壓值。DA輸出電路由高精度輸出DA電路組成，其輸出精度優(yōu)于±lmV，輸出穩(wěn)定度優(yōu)于60uV/°C，電壓輸出范圍0-5V，數(shù)據(jù)位寬16bit，DA輸出電路具有抗高共模電壓能力，最大能夠承受125V的絕對(duì)電壓。隔離電路用于實(shí)現(xiàn)DA輸出電路與PXI總線控制器的電氣隔離，當(dāng)總線控制器出現(xiàn)短路故障時(shí)，隔離電路能夠有效的防止故障蔓延至星載設(shè)備。
[0020]2、By-pass 模擬模塊
[0021]By-pass模擬模塊用于模擬鋰離子蓄電池單體By-pass裝置的通斷功能。By-pass模擬模塊與蓄電池電壓模擬模塊，共同構(gòu)成蓄電池組串聯(lián)模型。如圖2所示，單體24輸出正端與繼電器24的NO端連接，單體24輸出負(fù)端與繼電器24的NC端連接，繼電器24的COM端同時(shí)與單體23的輸出正端與繼電器23的NO端相連，其他低端單體與低端繼電器的連接關(guān)系依次類推。
[0022]繼電器I的NO端與繼電器2的COM端、單體I的輸出正端相連，繼電器I的COM端連接至輸出地。繼電器24的NO端相對(duì)于繼電器I的COM端的電壓作為衛(wèi)星鋰離子蓄電池模擬系統(tǒng)的對(duì)外輸出電壓。
[0023]By-pass模擬模塊包含:總線控制器、繼電器。總線控制器用于完成對(duì)PXI總線控制數(shù)據(jù)的解析，根據(jù)解析后的數(shù)據(jù)控制相應(yīng)繼電器的通斷。繼電器電路用于模擬By-pass裝置的切換，共包含24只繼電器，繼電器采用單刀雙擲的觸點(diǎn)形式，觸點(diǎn)過壓能力達(dá)150VDC，觸點(diǎn)過流能力達(dá)2A，每組觸點(diǎn)包含COM (公共端)、N0 (常開)、NC (常閉)三個(gè)觸點(diǎn)，COM端接低端單體的正端，NO端接高端單體的正端，NC端接高端單體的負(fù)端，系統(tǒng)上電后，COM端與NC端短接，高端單體接入鋰電池組中，當(dāng)總線控制器發(fā)送By-pass指令后，COM端切換至NO觸點(diǎn)，將高端單體從電池組中旁路，蓄電池整組電壓將隨之下降。
[0024]3、基于PXI總線的工控機(jī)
[0025]基于PXI總線的工控機(jī)是本發(fā)明鋰離子蓄電池組模擬系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，用于實(shí)現(xiàn)蓄電池電壓模擬模塊、By-pass模擬模塊集成、供電與控制，其作用相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的主機(jī)。工控機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊的控制與數(shù)據(jù)監(jiān)視。工控機(jī)周期性的對(duì)蓄電池電壓模擬模塊、By-pass模擬模塊的狀態(tài)進(jìn)行輪詢采集。各模塊內(nèi)部的總線接口控制器按照PXI總線的數(shù)據(jù)協(xié)議，對(duì)自身模塊的狀態(tài)信息進(jìn)行采集并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至工控機(jī)，工控機(jī)將所獲取的參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，便于用戶實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)模擬系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)視。
[0026]當(dāng)模擬系統(tǒng)需要對(duì)各模塊的狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，例如改變單體I的輸出電壓，系統(tǒng)會(huì)將相應(yīng)的指令數(shù)據(jù)首先通過PXI總線傳送至蓄電池電壓模擬模塊中的DA子模塊1，DA子模塊I中的總線接口控制器對(duì)PXI總線指令數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將指令有效數(shù)據(jù)提取出來，并將指令數(shù)據(jù)通過隔離電路I發(fā)送至DA輸出電路I，DA輸出電路I根據(jù)指令數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)輸出電壓值的調(diào)整。當(dāng)模擬系統(tǒng)需要改變By-pass繼電器I的連接狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將相應(yīng)的指令數(shù)據(jù)首先通過PXI總線傳送至By-pass模擬模塊，模塊中的總線接口控制器完成對(duì)PXI總線數(shù)據(jù)的解析，譯碼出對(duì)應(yīng)通道的指令執(zhí)行脈沖，并將指令執(zhí)行脈沖最終作用到By-pass繼電器I相應(yīng)的指令線包上，完成By-pass繼電器I的切換動(dòng)作。
[0027]根據(jù)測(cè)試的需求，用戶還可以將光照期、地影期內(nèi)鋰離子蓄電池組充放電過程中單體電壓的變化曲線注入模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與真實(shí)工況相近的測(cè)試環(huán)境。
[0028]本發(fā)明采用標(biāo)準(zhǔn)的PXI總線架構(gòu)，便于根據(jù)用戶需求開展系統(tǒng)硬件的擴(kuò)展升級(jí)和優(yōu)化裁剪。
[0029]本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種衛(wèi)星鋰離子蓄電池模擬系統(tǒng)，其特征在于包括:蓄電池電壓模擬模塊、By-Pass模擬模塊、工控機(jī)，工控機(jī)通過PXI總線同時(shí)與蓄電池電壓模擬模塊和By-pass模擬模塊通?目，其中: 蓄電池電壓模擬模塊:包括第一總線接口控制器、N個(gè)DA輸出電路和N個(gè)隔離電路，N為要模擬的鋰離子蓄電池組中包括的鋰離子蓄電池單體的個(gè)數(shù)；第一總線接口控制器從工控機(jī)獲取單體電壓設(shè)置指令并解析，獲得N個(gè)鋰離子蓄電池單體各自的電壓設(shè)置數(shù)據(jù)，并分別送至N個(gè)隔離電路；Ν個(gè)DA輸出電路和N個(gè)隔離電路一一對(duì)應(yīng)，構(gòu)成N個(gè)信號(hào)通道并順序編號(hào)，對(duì)于每一個(gè)信號(hào)通道，隔離電路用于DA輸出電路與第一總線接口控制器的電氣隔離，DA輸出電路對(duì)從相應(yīng)隔離電路傳送過來的鋰離子蓄電池單體電壓設(shè)置數(shù)據(jù)由數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量后輸出，各DA輸出電路的模擬量輸出串聯(lián)； By-pass模擬模塊:包括第二總線接口控制器和N個(gè)繼電器，第二總線接口控制器從工控機(jī)獲取通路通斷設(shè)置指令并解析，獲得N個(gè)信號(hào)通道各自的通斷狀態(tài)設(shè)置數(shù)據(jù)，并分別送至N個(gè)繼電器；N個(gè)繼電器均為單刀雙擲的觸點(diǎn)形式，每一個(gè)繼電器對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)通道，每一個(gè)繼電器的常開觸點(diǎn)均接至相對(duì)應(yīng)的信號(hào)通道的輸出正端，每一個(gè)繼電器的常閉觸點(diǎn)均接至相對(duì)應(yīng)的信號(hào)通道的輸出負(fù)端，第一個(gè)信號(hào)通道對(duì)應(yīng)的繼電器的公共端接地，對(duì)于其余N-1個(gè)信號(hào)通道各自對(duì)應(yīng)的繼電器的公共端中，編號(hào)大的信號(hào)通道對(duì)應(yīng)的繼電器的公共端接編號(hào)比其小且最接近的信號(hào)通道對(duì)應(yīng)的繼電器的常開觸點(diǎn)；編號(hào)最大的繼電器的常開觸點(diǎn)相對(duì)于地之間的電壓作為衛(wèi)星鋰離子蓄電池模擬系統(tǒng)的對(duì)外輸出電壓； 基于PXI總線的工控機(jī):從外部接收要模擬的鋰離子蓄電池組中各鋰離子蓄電池單體的電壓設(shè)置數(shù)據(jù)并編譯成單體電壓設(shè)置指令送至第一總線接口控制器；從外部接收要模擬的鋰離子蓄電池組中各鋰離子蓄電池單體的通斷狀態(tài)設(shè)置數(shù)據(jù)并編譯成通路通斷設(shè)置指令送至第二總線接口控制器。
【文檔編號(hào)】G05F1/56GK104484005SQ201410575002
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】徐楠, 魏強(qiáng), 唐健, 熊曉將, 萬小磊, 孔令軍, 潘瑞 申請(qǐng)人:中國(guó)空間技術(shù)研究院