基于FPGA的空间锂电池均衡控制系统的制作方法

本发明涉及锂电池均衡控制技术领域，特别是涉及一种基于FPGA的空间锂电池均衡控制系统。

背景技术：

随着航天技术的发展，质量小、功率密度高、寿命长、可低温运行、安全可靠性高及成本低等需求对于未来发射器和深空探测器的星上电源系统及微小卫星的供配电系统而言至关重要，特别是空间锂电池具有重量较轻，能量密度高，自放电率低，低内阻、自放电率低等优点，其在空间能源得到广泛应用。尤其是对于工作寿命及可靠性要求较高的航天器来说，一方面对锂电池性能提出新的需求，另一方面，均衡控制作为锂离子电池充电管理的一项必不可少关键技术，必然对均衡控制系统的重量、功耗、可靠性、均衡控制效率和运行速度、成本等提出了更加严格的要求。

目前空间锂电池均衡控制应用较为广泛的还是传统的MCU均衡控制方式，但是由于传统的MCU均衡控制存在控制硬件电路复杂、控制策略繁琐，而且整个系统的控制效率和运行速度不高，系统扩展性不强。另外，由于MCU本身采用的复杂指令集控制系统，且由于地址总线与数据总线分时复用的方式和I/O数目很少、采用顺序控制的方式、时序控制功能很弱，所以增加了大量的电子元器件来扩展I/O控制和时序匹配，因此系统的功耗和重量、复杂程度大大增加，不满足航天器小型化、质量小、低功耗、低成本和高效率和可靠性的新需求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于FPGA的空间锂电池均衡控制系统，该基于FPGA的空间锂电池均衡控制系统采用FPGA作为锂电池均衡控制系统的主控芯片，很大程度上简化了控制电路，提高了整个系统的控制效率和运行速度，大大减少了元器件数量以及布板面积，提高了可靠性，减小了成本、重量和功耗，适应了航天器小型化、重量小、高可靠性、高效率的发展趋势。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种基于FPGA的空间锂电池均衡控制系统，至少包括：

电池电压采集控制模块，所述电池电压采集控制模块包括多路模拟开关和A/D转换芯片；

分流、旁路控制模块，所述分流、旁路控制模块包括分流开关控制模块和旁路开关控制模块；

通信模块，所述通信模块包括双端口RAM、通信总线协议芯片、接口芯片；

以及FPGA，所述FPGA控制多路模拟开关的使能信号和地址选通信号，选择模拟量通道，并将模拟信号送入A/D转换芯片进行模数转换，最后A/D转换芯片将生成的并行数据送入FPGA；所述FPGA将接收到的A/D转换后数据按照通信协议进行组帧送入双端口RAM中，然后FPGA向通信总线协议芯片发送使能信号，随后将数据经过接口芯片传输给上位机，供上位机监控和记录数据；所述FPGA将A/D转换后数据与分流开关控制的上限阈值和下限阈值进行比较；FPGA利用I/O口输出分流开关控制信号。

进一步：所述FPGA包括：

完成数据读写操作的底层数据处理模块；

完成每路分流开关、旁路开关接通、关断控制的分流、旁路开关驱动模块；

完成多路模拟开关的控制，控制多路模拟量遥测采集、A/D转换芯片对数据的A/D转换；数据存储模块对A/D转换后数据进行存储的模拟量采集存储模块；

以及完成总线协议芯片上电初始数据配置、与综合电子数据交互、遥控指令解析译码、指令处理、遥测参数组帧上传的FPGA模块。

更进一步：所述通信模块包括时钟发生器、接收器、发送器。

本发明具有的优点和积极效果是：

通过采用上述技术方案，与传统技术相比较：

1、简化了均衡控制电路设计，布板面积为原来的1/4，同时降低了系统的成本、体积、功耗，提高了系统可靠性和稳定性。

2、本发明采用FPGA并行控制，使锂模拟量采样、总线通信电路、均衡驱动电路同时运行，提高了整个系统的控制效率和运行速度。

3、本发明结合FPGA强大的时序控制能力，应用于空间锂电池均衡控制，大大提高了锂电池的特性，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明优选实施例的电路框图；

图2是本发明优选实施例中FPGA的内部模块框图；

图3是本发明优选实施例中通信模块部分的模块框图。

其中：1、时钟发生器；2、接收器；3、发送器。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1，一种基于FPGA的空间锂电池均衡控制系统，包括：

电池电压采集控制模块，所述电池电压采集控制模块包括多路模拟开关和A/D转换芯片；

分流、旁路控制模块，所述分流、旁路控制模块包括分流开关控制模块和旁路开关控制模块；

通信模块，所述通信模块包括双端口RAM、通信总线协议芯片、接口芯片；FPGA利用I/O口直接输出控制信号；

以及FPGA，所述FPGA控制多路模拟开关的使能信号和地址选通信号，选择模拟量通道，并将模拟信号送入A/D转换芯片进行模数转换，最后A/D转换芯片将生成的并行数据送入FPGA；所述FPGA将接收到的A/D转换后数据按照通信协议进行组帧送入双端口RAM中，然后FPGA向通信总线协议芯片发送使能信号，随后将数据经过接口芯片传输给上位机，供上位机监控和记录数据；所述FPGA将A/D转换后数据与分流开关控制的上限阈值和下限阈值进行比较；通过IO口输出分流开关控制信号；各个模块并行运行。

请参阅图2：所述FPGA包括：

完成数据读写操作的底层数据处理模块；

完成每路分流开关、旁路开关接通、关断控制的分流、旁路开关驱动模块；

完成多路模拟开关的控制，控制多路模拟量遥测采集、A/D转换芯片对数据的A/D转换；数据存储模块对A/D转换后数据进行存储的模拟量采集存储模块；

以及完成总线协议芯片上电初始数据配置、与综合电子数据交互、遥控指令解析译码、指令处理、遥测参数组帧上传的FPGA模块。

请参阅图3：所述通信模块包括时钟发生器1、接收器2、发送器3。

上述优选实施例中的基于FPGA的空间锂电池均衡控制系统包括电池电压采集控制模块、分流、旁路控制模块、通信模块、以及FPGA，完成遥测数据采集、存储、均衡控制指令以及完成综合电子数据交互，如图1所示。

本发明涉及的FPGA核心控制电路主要是由FPGA软件控制的各个模块的控制时序驱动实现空间锂电池的均衡控制的，主要包括FPGA核心控制模块、分流、旁路控制模块、底层数据处理模块四个模块，如图2所示。

其中，FPGA核心控制模块(即图2中的FPGA模块)：完成总线协议协议芯片上电初始数据配置、完成与综合电子数据交互，包括遥控指令解析译码、指令处理、遥测参数组帧上传等功能；底层数据处理模块完成完成数据的读写操作；分流、旁路驱动模块完成每路分流开关、旁路开关接通、关断控制，且可以通过控制内部计数器完成时间脉冲控制，由于FPGA大量的I/O方便实现多路扩展控制；多路模拟开关控制模块：完成多路模拟开关的控制，有序的控制多路模拟量遥测采集；AD控制模块完成对数据的AD转换；数据存储模块对AD转换的数据进行存储。

分流、旁路开关驱动模块：通过通信模块接收上位机的总线指令，进行解析，然后FPGA通过预先分配的I/O管脚输出LVTTL开关脉冲信号，经过电平转换芯片转换成5V驱动信号进行分流、旁路控制。

单体电压采集控制电路：由FPGA控制I/O管脚作为多路模拟开关的使能信号和地址选通信号，控制多路模拟量的分时采集，然后经过信号调理电路变换后送入A/D转换芯片进行，A/D芯片完成转换后把并行数据输入到FPGA中进行存储，进行组帧上传完成遥测数据的采集处理。

通信接口电路：遥控遥测的设置对轨道卫星是有必要的，这样对电池均衡管理器的管理可以在其内完成，主要完成采集所有间接遥测参数，通过通信总线传输给综合电子；接收综合电子或地面控制中心的总线遥控指令并驱动控制器各功能单元执行；本专有技术涉及通信接口由FPGA内部软件完成，通信模块软件设计如图3所示，设计了时钟发生模块、接收器和发送器三个模块，时钟发生模块产生。时钟发生模块控制数据接收和发送的时序及收发速度，接收器接收上位机的串行数据，并将其转换为并行数据送入时序控制模块进行处理。发送器完成FPGA采集的数据转换成串行数据与综合电子进行交互。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。