专利名称：一种新型动力电池模拟装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电池模拟装置，尤其是涉及一种新型动力电池模拟装置。
背景技术：
在电动汽车的车载电池管理系统(BMS)中，需要对一个电池组中每个单体电池的电压进行采集，并对单体电池容量、电压等因素的差异性进行均衡(简单来说即是从电量多的电池中取出电量充入电量少的电池)。在电池管理系统开发完成以后需要用大量的测试来对其功能进行验证，以前是使用串联的电池组来检测上述功能。然而对于实际电池 (锂离子电池、镍氢电池、燃料电池等)，充放电比较麻烦，且难以准确控制其电压值，不仅费时费力，电池寿命有限，还存在个体差异性，不能多次重复试验；常用的电源输出装置一般只有一至两个通道，且有公共的地，不能模拟多节电池的串联，也不能完成电池均衡功能的验证，所以无法满足车载电源管理系统的测试需求。
实用新型内容本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种方便进行电池管理系统电压巡检功能及均衡功能的测试，从而加速电池管理系统的开发和实验的新型动力电池模拟装置。本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现一种新型动力电池模拟装置，其特征在于，该模拟装置包括上位机、电源模块、主控制器、ADC(Analog-to-Digital Converter,模/数转换器或者模拟/数字转换器)电压基准芯片和模拟电池输出电路，所述的主控制器包括电源接口单元、CAN通讯接口单元、GPIO接口单元、A/D转换接口单元及 SPI接口单元，所述的上位机与CAN通讯接口单元连接，所述的电源模块的一个输出端与电源接口单元连接，另一个输出端通过ADC电压基准芯片与主控制器连接，所述的模拟电池输出电路与主控制器连接。所述的电源模块包括稳压电源、电源芯片、变压器，所述的稳压电源的输入端与电源连接，稳压电源的输出端分别与电源芯片、ADC电压基准芯片和模拟电池输出电路连接， 所述的电源芯片分别与主控制器的电源接口单元、模拟电池输出电路连接，所述的变压器与模拟电池输出电路连接。所述的变压器设有1 3个。所述的模拟电池输出电路设有1 12路。所述的模拟电池输出电路包括光耦A、光耦B、光耦C、REF电压基准芯片、D/A转换器、稳压器、功率运算放大器、采样电阻、第一电压采样差分电路及第二电压采样差分电路， 所述的光耦A (光耦合器，opticalcoupler，英文缩写为0C，亦称光电隔离器或光电耦合器， 简称光耦)、光耦B的输入端与SPI接口单元连接，光耦A、光耦B的输出端与D/A转换器连接，所述的光耦C的输入端与GPIO接口单元连接，光耦C的输出端与D/A转换器连接，所述的REF电压基准芯片与D/A转换器连接，所述的D/A转换器通过功率运算放大器与采样电阻连接，所述的稳压器分别与光耦A、光耦B、光耦C、REF电压基准芯片、D/A转换器连接，所述的变压器的输出端分别与稳压器、功率运算放大器连接，所述的第一电压采样差分电路的一个输入端连接在功率运算放大器与采样电阻之间，第一电压采样差分电路的另一个输入端连接在变压器与功率运算放大器之间，第一电压采样差分电路的输出端与A/D转换接口单元连接或通过A/D转换器与SPI接口单元连接，所述的第二电压采样差分电路的一个输入端与采样电阻连接，第二电压采样差分电路的另一个输入端连接在变压器与功率运算放大器之间，第二电压采样差分电路的输出端与A/D转换接口单元连接或通过A/D转换器与SPI接口单元连接。所述的模拟电池输出电路设有十二路，其中八路模拟电池输出电路的第一电压采样差分电路及第二电压采样差分电路分别与A/D转换接口单元连接，另外四路模拟电池输出电路的第一电压采样差分电路及第二电压采样差分电路分别通过A/D转换器与SPI接口单元连接。与现有技术相比，本实用新型方便测试人员进行电池管理系统电压巡检功能及均衡功能的测试，从而加速电池管理系统的开发和实验。
图1为本实用新型的结构示意图；图2为电源模块的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。实施例如图1 2所示，一种新型动力电池模拟装置，该模拟装置包括上位机、电源模块、 主控制器1、ADC电压基准芯片2和模拟电池输出电路。主控制器1包括电源接口单元11、 CAN通讯接口单元12、GPI0接口单元13、A/D转换接口单元14及SPI接口单元15。上位机与CAN通讯接口单元12连接，电源模块的一个输出端与电源接口单元11连接，另一个输出端通过ADC电压基准芯片2与主控制器1连接，模拟电池输出电路与主控制器1连接。电源模块包括稳压电源31、电源芯片32、变压器33。稳压电源31的输入端与电源连接，稳压电源31的输出端分别与电源芯片32、ADC电压基准芯片2和模拟电池输出电路连接。电源芯片32分别与主控制器1的电源接口单元11、模拟电池输出电路连接。变压器33与模拟电池输出电路连接。变压器设有3个。模拟电池输出电路包括光耦A、光耦B、光耦C、REF电压基准芯片41、D/A转换器 42、稳压器43、功率运算放大器44、采样电阻45、第一电压采样差分电路46及第二电压采样差分电路47。光耦A、光耦B的输入端与SPI接口单元15连接，光耦A、光耦B的输出端与 D/A转换器42连接。光耦C的输入端与GPIO接口单元13连接，光耦C的输出端与D/A转换器42连接。REF电压基准芯片41与D/A转换器42连接。D/A转换器42通过功率运算放大器44与采样电阻45连接。稳压器43分别与光耦A、光耦B、光耦C、REF电压基准芯片 41、D/A转换器42连接。变压器33的输出端分别与稳压器43、功率运算放大器44连接。第一电压采样差分电路46的一个输入端连接在功率运算放大器44与采样电阻45之间，第一电压采样差分电路46的另一个输入端连接在变压器33与功率运算放大器44之间，第一电压采样差分电路46的输出端与A/D转换接口单元14连接或通过A/D转换器48与SPI接口单元15连接。第二电压采样差分电路47的一个输入端与采样电阻45连接，第二电压采样差分电路47的另一个输入端连接在变压器33与功率运算放大器44之间，第二电压采样差分电路47的输出端与A/D转换接口单元14连接或通过A/D转换器48与SPI接口单元 15连接。模拟电池输出电路设有十二路，其中八路模拟电池输出电路的第一电压采样差分电路及第二电压采样差分电路分别与A/D转换接口单元连接，另外四路模拟电池输出电路的第一电压采样差分电路及第二电压采样差分电路分别通过A/D转换器与SPI接口单元连接。十二路模拟电池输出电路的每一路通道均独立，单节输出电压在0-5V范围，串联最高输出电压为60V，最大输出电流为2A，从而适用于模拟各类蓄电池的电压输出。如果需要模拟串联的电池组，用户可以根据需要选择通道数，只要将前一通道的正极输出端和后一通道的负极输出端连接起来，即可模拟1-12节的串联电池组。因此适用于电池管理系统电压巡检功能的测试。每一通道都具有一定有一定的功率能力，即能够灌入或者放出一定量的电流来维持既定的模拟电压，以此能够实现电池管理系统均衡功能的测试。使用 LabVIEff作为上位机软件，通过虚拟仪器的按钮和旋钮将控制信号和电池参数以CAN通讯方式发送给主控制器，再通过前面板的虚拟仪器将模拟电池仪器的工作状态及每一通道的输出电压电流情况显示出来。每一路的输出电压都通过一个数/模转换器来实现，并且用功率运算放大器来提高输出功率能力，两者的供电由隔离型变压器进行电压隔离，通过光耦实现信号之间的隔离。两部分的隔离使得每一路输出成为相互独立的一部分，实现多通道串联。每一路都使用了采样电阻进行电压和电流的采样，并且通过差分电路，调节输出电压的范围，反馈到主控制器。在主控制器内建立电池的等效电模型，通过电流反馈可以模拟真实电池的特性，并且实时输出相应的电池电压。电源电路板采用反激式变压器电路，采用专用开关芯片设计开关电源电路，实现220AC转换为12路12V的隔离电压。每个变压器都取一路输出做反馈，使用TL431分压反馈电路实现对开关芯片的控制，调节占空比，稳定输出电压。本实施例使用Texas Instruments公司的32位DSP芯片TMS320M808作为主控制器，使用了它的12路A/D端口、1个SPI模块、1个CAN模块以及部分GPIO端脚。上位机通过CAN总线通讯将所需的量输入DSP，经过内部的电池等效电路模型计算后，通过SPI模块将数字量传输给外部数/模转换模块。SPI中的数据输出给十二路模拟电池输出电路，这十二路模拟电池输出电路分别模拟12节独立的电池，由12个GPIO 口分别发送每一输出电路的使能信号，使得12路电路周期性地刷新输出电压值。每个电路的隔离供电由外部电源电路板负责，模块的输入数字信号使用3个光耦进行隔离，每路光耦使用隔离5V电压供电， 这两部分的隔离使得每个数/模转换模块成为相互独立的一部分。数/模转换模块内部， 数字量形式的电压信号、主控制器的时钟信号以及GPIO(普通输入/输出引脚)发出的片选信号输入到数/模转换芯片中，从而将数字信号转换为电压范围为0-5V的模拟电压量。 另外，D/A芯片还需要一个电压基准输入，作为D/A芯片的比较基准。D/A输出的模拟量还需要经过一个功率运算放大器，用于提高输出电流、输出功率。模拟电池输出电路对电压电流进行采样，具体工作原理是运放输出电流经过一个采样电阻，将采样的电压值送入DSP的A/D端，但是由于电压超过A/D的范围，所以必须进行分压，每一路采样都先经过一个分压电路，然后再送入DSP。另外，由于DSP的A/D端口数量有限，9-12路的电压、电流采样使用的是外部8路A/D，将模拟量转换为数字量，送入DSP的SPI模块。最后，通过DSP内计算得到输出电压和输出电流。电流反馈的作用是在DSP内构造真实电池的等效电路模型，利用采样得到的电流值，计算得到真实电池工况下的电压值，调节输出电压。电压反馈的作用是由于输出模块的环节比较多，中间可能存在误差。于是利用采样得到的电压值与期望电压值进行比较，确定误差，控制DSP进行误差补偿。当需要串联电池使用时，可以根据需要， 将前一通道的正极输出端和后一通道的负极输出端连接起来，从而形成串联电池的形式。 同时，在各个数/模转换模块输出端都串联有自恢复保险丝，并联压敏电阻，当输出端脚接错或出现短路状况时，起保护作用。电池模拟板的工作状态和采样电压、电流都通过CAN通讯传送到上位机LabVIEW，通过上位机可以实时查看到。电源模块采用反激式开关电源技术，由220V市电引入，通过变压器和开关芯片的控制，转换为12路12V的隔离电压，每一路的最大输出电流为2A。采用i^iirchiId公司的FSCM0765RD开关芯片，它内部集成了 PWM和 MOSFET用于高功率的开关电源。220V的市电先经过整流滤波成为直流电接入变压器的主边NP，通过开关芯片FSCM0765RD控制变压器主边的开合。在开关闭合时能量储存在变压器主边的磁场中，此时由输出端的电容Q向负载提供能量；在开关打开时，变压器主边的能量通过绕组传递到副边Ns向输出端释放。输出端取一路电压反馈，利用TL431稳压器的驱动电路，通过R1J2电阻分压使输出电压降到2. 5V，并连接到KA431的控制引脚，当输入电压增加或输出负荷下降时，KA431的参考电压引脚超过2. 5V内部参考电压，通过光耦H11A817A 的电流增加，从而拉低反馈电压、减少开关芯片的占空比，实现对输出电压的精确控制。 一个变压器电路输出4个副边，所以总共需要3个变压器实现12路隔离输出。通过一块电池模拟电路板和一块电源电路板可以完整实现本实用新型的功能。
权利要求1.一种新型动力电池模拟装置，其特征在于，该模拟装置包括上位机、电源模块、主控制器、ADC电压基准芯片和模拟电池输出电路，所述的主控制器包括电源接口单元、CAN通讯接口单元、GPIO接口单元、A/D转换接口单元及SPI接口单元，所述的上位机与CAN通讯接口单元连接，所述的电源模块的一个输出端与主控制器的电源接口单元连接，一个输出端通过ADC电压基准芯片与主控制器连接，一个输出端与模拟电池输出电路连接，所述的模拟电池输出电路通过GPIO接口单元、A/D转换接口单元及SPI接口单元与主控制器连接。
2.根据权利要求1所述的一种新型动力电池模拟装置，其特征在于，所述的电源模块包括稳压电源、电源芯片、变压器，所述的稳压电源的输入端与交流220V电源连接，稳压电源的输出端分别与电源芯片、ADC电压基准芯片和模拟电池输出电路连接，所述的电源芯片分别与主控制器的电源接口单元、模拟电池输出电路连接，所述的变压器与模拟电池输出电路连接。
3.根据权利要求2所述的一种新型动力电池模拟装置，其特征在于，所述的变压器设有1 3个。
4.根据权利要求1所述的一种新型动力电池模拟装置，其特征在于，所述的模拟电池输出电路设有1 12路。
5.根据权利要求1或4所述的一种新型动力电池模拟装置，其特征在于，所述的模拟电池输出电路包括光耦A、光耦B、光耦C、REF电压基准芯片、D/A转换器、稳压器、功率运算放大器、采样电阻、第一电压采样差分电路及第二电压采样差分电路，所述的光耦A、光耦B的输入端与SPI接口单元连接，光耦A、光耦B的输出端与D/A转换器连接，所述的光耦C的输入端与GPIO接口单元连接，光耦C的输出端与D/A转换器连接，所述的REF电压基准芯片与D/A转换器连接，所述的D/A转换器通过功率运算放大器与采样电阻连接，所述的稳压器分别与光耦A、光耦B、光耦C、REF电压基准芯片、D/A转换器连接，所述的变压器的输出端分别与稳压器、功率运算放大器连接，所述的第一电压采样差分电路的一个输入端连接在功率运算放大器与采样电阻之间，第一电压采样差分电路的另一个输入端连接在变压器与功率运算放大器之间，第一电压采样差分电路的输出端与A/D转换接口单元连接或通过 A/D转换器与SPI接口单元连接，所述的第二电压采样差分电路的一个输入端与采样电阻连接，第二电压采样差分电路的另一个输入端连接在变压器与功率运算放大器之间，第二电压采样差分电路的输出端与A/D转换接口单元连接或通过A/D转换器与SPI接口单元连接。
6.根据权利要求5所述的一种新型动力电池模拟装置，其特征在于，所述的模拟电池输出电路设有十二路，其中八路模拟电池输出电路的第一电压采样差分电路及第二电压采样差分电路分别与A/D转换接口单元连接，另外四路模拟电池输出电路的第一电压采样差分电路及第二电压采样差分电路分别通过A/D转换器与SPI接口单元连接。
专利摘要本实用新型涉及一种新型动力电池模拟装置，该模拟装置包括上位机、电源模块、主控制器、ADC电压基准芯片和模拟电池输出电路，主控制器包括电源接口单元、CAN通讯接口单元、GPIO接口单元、A/D转换接口单元及SPI接口单元，上位机与CAN通讯接口单元连接，电源模块分别与主控制器的电源接口单元连接，ADC电压基准芯片、模拟电池输出电路连接，ADC电压基准芯片与主控制器连接，模拟电池输出电路通过GPIO接口单元、A/D转换接口单元及SPI接口单元与主控制器连接。与现有技术相比，本实用新型具有方便进行电池管理系统电压巡检功能及均衡功能的测试，从而加速电池管理系统的开发和实验等优点。
文档编号G01R1/28GK202166676SQ201120217129
公开日2012年3月14日 申请日期2011年6月23日 优先权日2011年6月23日
发明者孙泽昌, 戴海峰, 王清, 魏学哲 申请人:同济大学