卫星蓄电池模拟器

摘要

卫星蓄电池模拟器，包括工控计算机、总控板、程控直流电源、程控电子负载和二极管D，工控计算机通过安装的基于等效电路的蓄电池数学模型，设置程控直流电源和程控电子负载的各项参数来模拟真实的卫星蓄电池的充放电过程。本发明通过工控计算机可随时改变设置，测试中能够更加全面地对蓄电池处于不同状态下的功能和性能进行测试，提高测试覆盖性；本发明改变荷电状态只需要通过工控计算机设置，不需要充放电，对测试场地环境条件不敏感，大大减少充放电所占用的时间；本发明只需更换程控直流电源就能模拟不同规格的蓄电池，大大的节约了成本；本发明程控直流电源与电子负载为相对独立的两个设备，在工控计算机的统一协调控制下，充电和放电可以实现连续转换；本发明可以关闭，在星上操作时不存在带电隐患，大大提高安全性；采用本发明进行测试可以摆脱对工艺电池的依赖，提高多颗卫星批产测试的效率。

权利要求

1.卫星蓄电池模拟器，其特征在于包括工控计算机(1)、总控板(2)、程控直流电源(3)、程控电子负载(4)和二极管D(5)，工控计算机(1)与总控板(2)数据线连接，总控板(2)分别与程控直流电源(3)和程控电子负载(4)数据线连接，程控直流电源(3)的“-”端和程控电子负载(4)的“-”端与卫星供电母线负端相连，程控电子负载(4)的“+”端、程控直流电源(3)的“+”端经二极管D(5)与星上放电控制器和星上充电控制器相连并接在卫星供电母线正端，模拟充电时，星上充电控制器向程控电子负载(4)的“+”端提供充电电流，经程控电子负载(4)的“-”端回到卫星母线负端，模拟放电时，程控直流电源(3)按照工控计算机(1)设置的电压经“+”端通过二极管D(5)向星上放电控制器提供电流；

所述的总控板(2)包括基于ARM核心的单片机(21)和串行口扩展芯片(22)及相关外围电路，串行口扩展芯片(22)将单片机(21)的两个串行口扩展为4个串行口，分别与程控直流电源(3)、程控电子负载(4)和工控计算机(1)数据线连接，工控计算机(1)将设置的程控直流电源(3)和程控电子负载(4)参数，通过串行口扩展芯片(22)的串行口A1传送给单片机(21)，单片机(21)对设置参数进行判断，如果工控计算机(1)设置的参数是对程控直流电源(3)进行设置的，就将数据经串行口扩展芯片(22)的串行口B1传递给程控直流电源(3)，如果工控计算机(1)设置的参数是对程控电子负载(4)进行设置的，就将数据经串行口扩展芯片(22)的串行口B2传递给程控电子负载(4)。

说明书

卫星蓄电池模拟器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种卫星用大功率蓄电池模拟器，用来完成卫星地面测试时与蓄电池相关的各项电性能测试。

背景技术

[0002] 蓄电池是卫星在轨工作必不可少的储能装置。在卫星研制过程中，一般采用工艺蓄电池参加地面测试和试验。为了尽量模拟卫星在轨运行的实际状态，工艺蓄电池均按照正样蓄电池同样的要求进行生产，技术状态与正样电池一致。但是，在地面测试和试验中，往往无法模拟卫星在轨的实际环境，测试厂房中的温度很难达到在轨运行时的-10～15℃温度条件，大大限制了工艺蓄电池的使用。同时，由于工艺蓄电池的荷电状态必须通过充放电才能改变，当需要测试蓄电池在满荷电状态下的工作情况时，必须提前将工艺蓄电池充满电；当测试蓄电池在电量较少情况下的工作情况时，又必须提前将工艺蓄电池放电至合适的容量，在需要频繁改变卫星状态的测试和试验中频繁的充放电非常不方便。而将工艺蓄电池组从空荷电状态充满至少需要数小时，从充满状态放空也至少需要1小时，在测试时很浪费时间。并且，当环境温度超过20度时，通常不宜对工艺蓄电池进行充放电操作，以免对工艺蓄电池造成损害。每一种规格的蓄电池，都必须生产一套对应的工艺蓄电池用于测试。由于工艺蓄电池与在轨运行的正样电池状态一致，生产成本高昂，一套价值200万元以上。此外，工艺蓄电池安装于卫星上始终带电，在插拔插头或者更换电缆时容易发生打火和短路，造成星上设备和电缆损害，成为了一个安全隐患。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种不受环境温度限制、安全、成本低、使用方便的模拟卫星蓄电池的装置。

[0004] 本发明所要解决的技术方案：卫星蓄电池模拟器，包括工控计算机、总控板、程控直流电源、程控电子负载和二极管D，工控计算机与总控板数据线连接，总控板分别与程控直流电源和程控电子负载数据线连接，程控直流电源的“-”端和程控电子负载的“-”端与卫星供电母线负端相连，程控电子负载的“+”端、程控直流电源的“+”端经二极管D与星上放电控制器和星上充电控制器相连并接在卫星供电母线正端，模拟充电时，星上充电控制器向程控电子负载的“+”端提供充电电流，经程控电子负载的“-”端回到卫星母线负端，模拟放电时，程控直流电源按照工控计算机设置的电压经“+”端通过二极管D向星上放电控制器提供电流。

[0005] 所述的总控板包括基于ARM核心的单片机和串行口扩展芯片及相关外围电路，串行口扩展芯片将单片机的两个串行口扩展为4个串行口，分别与程控直流电源、程控电子负载和工控计算机数据线连接，工控计算机将设置的程控直流电源和程控电子负载参数，通过串行口扩展芯片的串行口A1传送给单片机，单片机对设置参数进行判断，如果工控计算机设置的参数是对程控直流电源进行设置的，就将数据经串行口扩展芯片的串行口B1传递给程控直流电源，如果工控计算机设置的参数是对程控电子负载进行设置的，就将数据经串行口扩展芯片的串行口B2传递给程控电子负载。

[0006] 本发明与以往的方法相比具有以下优点：

[0007] (1)本发明通过工控计算机可随时改变设置，测试中能够更加全面地对蓄电池处于不同状态下的功能和性能进行测试，提高测试覆盖性；

[0008] (2)本发明改变荷电状态只需要通过工控计算机设置，不需要充放电，对测试场地环境条件不敏感，大大减少充放电所占用的时间；

[0009] (3)本发明只需更换程控直流电源就能模拟不同规格的蓄电池，大大的节约了成本；

[0010] (4)本发明程控直流电源与电子负载为相对独立的两个设备，在工控计算机的统一协调控制下，充电和放电可以实现连续转换；

[0011] (5)本发明可以关闭，在星上操作时不存在带电隐患，大大提高安全性；

[0012] (6)采用本发明进行测试可以摆脱对工艺电池的依赖，提高多颗卫星批产测试的效率。

附图说明

[0013] 图1为本发明装置结构示意图；

[0014] 图2为本发明总控板工作原理示意图；

[0015] 图3为本发明蓄电池等效电路图；

[0016] 图4为本发明模拟单节蓄电池放电的电压与真实蓄电池放电电压对比图；

[0017] 图5为本发明模拟整组蓄电池充电的电压与真实蓄电池充电电压的对比图。

具体实施方式

[0018] 如图1所示，卫星蓄电池模拟器包括工控计算机1、总控板2、程控直流电源3、程控电子负载4和二极管D5，工控计算机1与总控板2数据线连接，总控板2分别与程控直流电源3和程控电子负载4数据线连接。程控直流电源3的“-”端和程控电子负载4的“-”端与卫星供电母线负端相连，程控电子负载4的“+”端、程控直流电源3的“+”端经二极管D5与星上放电控制器和星上充电控制器相连并接在卫星供电母线正端。

[0019] 工控计算机1通过安装的基于等效电路的蓄电池数学模型，设置程控直流电源3和程控电子负载4的各项参数。当模拟蓄电池放电时，通过工控计算机1控制程控直流电源3按照实际蓄电池特性向外提供所需的电压和电流；当模拟蓄电池充电时，通过工控计算机1控制程控电子负载4按照蓄电池特性吸收外来功率。等效电路如图3所示，图中二极管D1、D2和D3，以及电容C1和C2的特性由式(1)、(2)和(3)描述。

[0020] (1)二极管D3

[0021]

[0022]

[0023] 其中i0——在60华氏度、端电压为V0时二极管的参考电流(单位：A)；

[0024] V0——在60华氏度、端电压为V0时二极管的参考电压(单位：V)；

[0025] T——二极管的实际温度(单位：F)；

[0026] V1——二极管的实际端电压(单位：V)；

[0027] i1——在温度为T，端电压为V1条件下流过二极管的实际电流(单位：A)；

[0028] k2——常数(由分析试验曲线得到)；L——常数(由分析试验曲线得到)。

[0029] (2)反并联二极管D1、D2

[0030] 由基尔霍夫电流定律(KCL)和式(1)可得反并联二极管D1、D2的描述方程为：

[0031] i1＝2k1sinh(k3V1) (2)

[0032] (3)电容C1和C2

[0033]

[0034] 其中C——端电压为V时电容值(单位：F)；

[0035] V——电容的实际端电压(单位：V)；VM——电容的中值电压(单位：V)；

[0036] A——端电压为VM时的电容值(单位：F)；

[0037] B——分布常数；D——最小电容值(单位：F)。

[0038] 以等效电路中电容C1的电压、电容C2的电压和蓄电池的安时容量为状态变量，可以将蓄电池的模型用以下的状态方程表示：

[0039]

[0040] 其中，x1为电容C1的电压，x2为电容C2的电压，x3为电池的安时容量。通过工控计算机1对(4)式进行求解，即可获得蓄电池电压和容量。

[0041] 总控板2包括基于ARM核心的单片机21和串行口扩展芯片22及相关外围电路，串行口扩展芯片22将单片机21的两个串行口扩展为4个串行口，分别与程控直流电源3、程控电子负载4和工控计算机1数据线连接，工控计算机1将设置的程控直流电源3和程控电子负载4参数，包括端口电压、过流保护阈值、过压保护阈值等通过串行口扩展芯片22的串行口A1传送给单片机21，单片机21对设置参数进行判断，如果工控计算机1设置的参数是对程控直流电源3进行设置的，就将数据经串行口扩展芯片22的串行口B1传递给程控直流电源3，如果工控计算机1设置的参数是对程控电子负载4进行设置的，就将数据经串行口扩展芯片22的串行口B2传递给程控电子负载4。

[0042] 单片机21选用AT91SAM7S64，串行口扩展芯片22选用GM8125，相关外围电路包括供电、时钟外围电路等。

[0043] 工作原理：模拟蓄电池充电过程时，星上充电控制器向程控电子负载4的“+”端提供充电电流，经程控电子负载4的“-”端回到卫星母线负端，总控板2通过程控电子负载4的通信口读取程控电子负载4的工作电流，上传到工控计算机1。工控计算机1根据蓄电池数学模型计算蓄电池容量和电压，并根据计算得到的电压通过总控板2设置程控电子负载4的端口电压，使得程控电子负载4的端口电压符合真实蓄电池的电压特性。模拟器模拟充电时，二极管D5反偏，防止充电电源向程控直流电源3倒灌电流。当模拟蓄电池放电过程时，程控直流电源3按照工控计算机1设置的电压经“+”端通过二极管D5向星上放电控制器提供电流，总控板2通过程控直流电源3的通信端口读取程控直流电源3输出的电流，并上传到工控计算机1。工控计算机1根据蓄电池数学模型计算蓄电池容量和电压，并根据计算得到的电压通过总控板2设置程控直流电源3的端口输出电压，使得程控直流电源3的端口电压符合真实蓄电池的电压特性。

[0044] 在用于卫星测试时，将蓄电池模拟器的功率输入输出口通过与卫星设备匹配的插头连接到星上充电控制器和星上放电控制器，即可由星上充电控制器和星上放电控制器对蓄电池模拟器进行充放电操作，实现对真实蓄电池充放电过程的模拟。模拟充电时，星上充电控制器向程控电子负载4的“+”端提供充电电流，经程控电子负载4的“-”端回到卫星母线负端。模拟放电时，程控直流电源3按照工控计算机1设置的电压向星上放电控制器提供电流。此外，蓄电池的温度和压力信号可通过在工控计算机中安装D/A转换卡实现信号模拟。

[0045] 图4和图5是使用本发明模拟蓄电池同真实蓄电池在充放电过程中电压变化对比，图4中的曲线1是真实单节蓄电池在放电过程中电压的变化，曲线2时本发明模拟单节蓄电池在放电过程中电压的变化，图5中的曲线1是真实蓄电池组在充电过程中电压的变化，曲线2时本发明模拟蓄电池组在充电过程中电压的变化。可以看出，模拟器模拟的结果能够表征真实蓄电池在工作状态时的情况。

[0046] 本发明未详细说明的部分为本领域技术人员公知常识。