用于卫星电源控制器测试的蓄电池模拟器设计

蓄电池模拟器是电源控制器 (power conditioning unit,PCU)测试过程中所需的重要地面设备之一[1]。电源控制器的测试过程并不关心蓄电池内部机理及化学反应，只关心其外部电特性，用电池模拟器完全能满足电源控制器的测试需求。若直接采用真实电池对蓄电池模拟器进行测试，存在如下问题：(1)测试若干电池电压状态下电源控制器特性时，只能对蓄电池进行充放电，而蓄电池充放电周期一般较长，会大大降低蓄电池的测试效率；(2)测试电源控制器充放电效率等精度要求较高的测试项目时，需要蓄电池稳定在同一电压点上，但随充放电测试蓄电池的电压会发生变化，不利于效率的测试和比对；(3)蓄电池的循环寿命是有限的，在测试过程中会对真实电池进行充放电，影响蓄电池的循环寿命，经济性较差。

传统的电池模拟器通常采用不控整流器或者直流稳压电源与Buck变换器组合作为模拟器的主拓扑[2-3]。该类拓扑中能量只能单向流动，而不能双向流动，因此只能作为单一的蓄电池放电模拟器，无法满足PCU对蓄电池充电功能的测试需求。文献[4-6]提出采用双向PWM整流器作为蓄电池模拟器的主拓扑，控制系统通过控制开关器件的调制比，使得蓄电池模拟器输出给定电压，由于PWM整流器可以四象限运行，在整流状态下可模拟蓄电池放电，在逆变状态下可模拟蓄电池充电。但是由于卫星测试的特殊条件，要求蓄电池模拟器的放电功率一般远大于充电功率，这种情况下大大增加了PWM整流器这种双向变换器的设计难度，无法同时保证蓄电池充放电特性的模拟精度。此外，采用该方法使用的功率管较多，成本也相应较高。

本文提出一种基于卫星测试用电源和电子负载的蓄电池模拟器实现方法，采用简单的接口电路和合理的上位机软件来控制系统充放电状态和蓄电池特性设置。该方案不仅能满足卫星电源控制器的测试需求，同时还降低了开发成本。最后，通过实验验证了该方案的可行性。

1 蓄电池模拟器功能需求分析

PCU与蓄电池相关的测试项目主要包括静态功耗测试、BDR功能及效率测试、BCR功能及效率测试和进出影测试，要求蓄电池模拟器具备充放电功能、测量功能和通信功能。表1为蓄电池模拟器功能需求一览表。

(1)不小于100 V，150 A的放电功能；

(2)不小于100 V，1 500 W的充电功能；

(3)充放电自主切换功能；

(4)可模拟蓄电池以恒定和曲线模式工作；

(5)精度优于5‰的大电流测量功能；

(6)精度优于±1 mA的小电流(≤1 A)测量功能；

例如，教师在组织学生完成“探究光对鼠妇生活的影响”这一实验时，就应该提出实验问题和假设，为学生准备足够的实际器材和所需的鼠妇，之后将时间交给学生，让学生自己动手设计实验，并让学生在实验过程中自己观察实验的过程和结果，做好实验记录，得出实验结论，并组织学生分析实验中的一些不利影响因素，充分发挥学生的主体性，提高实验教学效率。

2 蓄电池模拟器的系统设计

2.1 蓄电池模拟器系统架构

本文提出的蓄电池模拟器系统包括若干卫星测试用电源和电子负载、智能接口控制箱和上位机软件，如图1所示。

图1 蓄电池模拟器系统示意图

通过电源和电子负载数量的灵活配置，满足卫星电源控制器测试时放电功率远大于充电功率的需求，同时卫星测试用电源和电子负载自身可保证稳态精度、动态响应特性和稳定性。

智能接口控制箱作为电源和电子负载的功率接口，具备通断控制、保护和电压电流采样的功能，同时含有电池模拟器的输出功率接口、采样接口和通信接口。

上位机软件通过以太网对电源、电子负载以及智能接口控制箱进行全过程的遥测和控制。上位机软件通过指令以及对遥测参数的运算实现蓄电池模拟器的模式切换、遥测信号处理、电源和负载模式/电压/电流设置、功率通断等功能。

2.2 蓄电池模拟器系统架构

蓄电池模拟器的硬件架构如图2所示。电源正端通过智能接口控制箱内串联的防倒灌二极管与电子负载正端相连，在经过大功率双向开关K1后，作为蓄电池模拟器的功率输出接口。在主功率通路上配置一个大电流双向霍尔电流测量装置，可测量蓄电池正常充放电状态的电流，精度可达4‰。在K1两端并联±1 mA高精度电流测量装置，同时在该支路上配置限流电阻和熔断器进行保护，作为静态功耗测量装置。

图2 蓄电池模拟器硬件架构示意图

电子负载采用CC模式，设置电子负载的恒流值IELmax不小于蓄电池模拟器最大充电电流Icmax，蓄电池模拟器中电源采用CV模式，可选择近端采样和远端采样模式，其恒流值Ismax不小于蓄电池模拟器最大充电电流Icmax与最大放电电流Idmax之和，其恒压值Us为测试需求的蓄电池电压Ub与防倒灌二极管压降UD之和(近端采样)或者蓄电池电压Ub(远端采样)。

在该状态下，电子负载的电流一直维持在恒流值IELmax，当模拟蓄电池静置时，电源放电电流与电子负载充电电流相等，均为IELmax；当模拟蓄电池以Ic充电时，电源放电电流Is满足：

当模拟蓄电池以Id放电时，电源放电电流Is满足:

2.3 蓄电池模拟器控制软件架构

图3 蓄电池模拟器软件架构

蓄电池模拟器软件架构如图3所示。电池模拟器控制软件主要工作是利用用户界面输入的当前蓄电池容量设置当前直流电源电压参数；根据电池充放电模型函数计算出该充放电流下每一时刻电池电压并将计算出的电压值设置直流电源的电压参数模拟蓄电池组充放电电压，实现蓄电池组的充放电功能。当蓄电池组电压达到充电或放电终压时模拟停止。软件可执行本地指令也可执行测试服务器(MTP)指令，并将模拟蓄电池工作时产生的数据显示保存并上传。

按照功能可划分为系统功能控制模块、仪器通讯采集与控制模块、模拟与计算模块、数据存储模块和人机界面五个模块。

系统功能控制模块与测试服务器建立网络通讯，实现接收网络指令和上传采集数据功能。在本地控制状态时，响应用户界面发出本地控制指令；将网络指令、本地控制指令通过指令解析转化为仪器控制指令发送到仪器控制模块执行；响应用户界面的菜单选项；向存储模块读取系统配置参数对各功能模块进行初始化参数配置。

仪器通讯采集与控制模块对直流电源和电子负载进行操作控制和数据读取。该模块响应系统功能控制模块解析的控制指令和人机界面输入的曲线参数，自动生成SCPI(可编程仪器标准命令)命令发送给直流电源和电子负载并接受仪器回传的数据，显示到人机界面和数据存储模块。在接到系统功能控制模块发出的采集数据的指令后，采集电压、电流参数并根据变化公式对数据进行处理后显示到人机界面和数据保存模块。此外，还可实现对智能电控单元接触器通断控制。

模拟与计算模块根据用户设置，结合采集的电压、电流参数，调用相应电池模型函数并通过计算模块，计算电池当前的荷电态，根据用户输入得到电池电压，并设置直流电源及电子负载参数发送至仪器控制模块。

数据存储模块在程序启动时，在本地磁盘固定位置建立数据存储文件，将软件读取的数据参数和人机界面的操作记录写入数据存储文件里。数据存储模块在软件启动时将读取系统初始化配置参数并传送至系统功能控制模块进行系统初始化配置。

电池模拟器控制软件通过人机界面对软件进行指令发送和数据显示等操作。

2.4 蓄电池模拟器模式及切换

2.4.1 恒定和曲线模式

蓄电池模拟器有恒定、曲线两种模式。在恒定模式下，蓄电池以电压源状态使得采样电压工作在给定输入电压下，蓄电池模拟器并不累计充放电的电荷量，蓄电池工作在该恒定电压点上。

在曲线模式下，蓄电池模拟器模拟蓄电池充放电过程曲线和电压的变化。在曲线模式下，蓄电池电量满足：

式中：q为当前电池的电荷量；Ib为蓄电池充放电电流，以放电电流为正方向；t为模拟步长时间，系统通过调整模拟步长t和实际时间之间的比例，可以加快仿真速率，提高测试效率。

模拟与计算模块可以根据用户输入的电池模型公式：

或者根据用户输入的蓄电池电压以及电量的关系查表得到蓄电池开路电压。

在曲线模式下，蓄电池模拟器输出的外特性与真实蓄电池的开路电压特性保持一致，其软件流程图如图4所示。

图4 曲线模式下蓄电池模拟器软件架构

2.4.2 近端采样和远端采样

蓄电池模拟器可实现近端和远端两种采样模式。

在模拟蓄电池放电和恒流充电状态时，尤其是在BDR和BCR功能及效率测试过程中，为了保证BCDR输出端口的电压为给定值，采用远端采样，将采样点设置为BCDR输出端口点，可以避免由于电缆压降带来手动多次调节设置电压至端口电压的复杂操作。

在恒压充电状态下，如果仍然采用远端采样的方案，蓄电池模拟器和BCR同时控制BCDR输出端口点的电压，所形成的电压源并联容易引起系统不稳定。为了模拟由于蓄电池内阻带来的Taper过程，也必须设置近端采样模式，在通路上增加电阻模拟蓄电池内阻或者利用电缆阻抗模拟蓄电池内阻rb，实现对PCU的Taper充电功能的测试。此时，BCDR输出端口的电压可表示为：

3 仿真及实验验证

对蓄电池模拟器的充放电转换功能进行仿真验证，如图5所示。在充放电转换过程中，蓄电池电压一直保持稳定，为设置的蓄电池电压，与2.2节分析相符。传统电池模拟器电子负载处于限压限流(CV)模式，其在充放电转换过程中母线电压会有约0.5 V差异，与蓄电池真实外特性不符，因此，相比于传统电池模拟器，本文采用的系统架构更有优势。

图5 蓄电池模拟器充放电转化波形

对蓄电池模拟器的恒定和曲线模式进行实验，实验结果如表2所示。实验结果表明，蓄电池模拟器在恒定模式下无论充电还是放电状态，蓄电池输出电压均为设置值并保持不变，在曲线模式下可模拟蓄电池实际特性，充电终压和放电终压符合要求。

对出影状态下，蓄电池模拟器的充放电转换状态进行实验，如图6所示，其中深蓝色为母线电压波形，浅蓝色和红色为南北蓄电池模拟器波形，可见，蓄电池充放电状态平滑切换，完全满足测试需求。

4 结论

本文提出了一种基于卫星测试用电源和电子负载的蓄电池模拟器实现方法，其中，电源采用CV模式、电子负载采用CC模式，保证了蓄电池模拟器输出电压在充放电过程的平滑切换。该蓄电池模拟器可通过软件实现恒定模式和曲线模式的切换，分别满足效率测试时的控制精度和充放电过程蓄电池电压变化测试的需求。此外，该蓄电池还可通过硬件实现近端采样和远端采样的切换，既可满足恒压充电以及Taper过程的测试需求，又可保证恒流充电和放电过程测试的简便有效。

图6 蓄电池模拟器出影状态测试波形