基于FPGA的空間鋰電池均衡控制系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于FPGA的空間鋰電池均衡控制系統(tǒng)；包括：電池電壓采集控制模塊、分流、旁路控制模塊、通信模塊、FPGA；電池電壓采集控制模塊包括多路模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換芯片；分流、旁路控制模塊包括分流開關(guān)控制模塊和旁路開關(guān)控制模塊；通信模塊包括雙端口RAM、通信總線協(xié)議芯片、接口芯片；FPGA控制多路模擬開關(guān)的使能信號(hào)和地址選通信號(hào)，選擇模擬量通道，并將模擬信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換芯片，將生成的并行數(shù)據(jù)送入FPGA；FPGA將接收到的數(shù)據(jù)送入雙端口RAM中，F(xiàn)PGA向通信總線協(xié)議芯片發(fā)送使能信號(hào)，數(shù)據(jù)經(jīng)過接口芯片傳輸給上位機(jī)；FPGA將A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)與分流開關(guān)控制閾值進(jìn)行比較，進(jìn)行分流開關(guān)控制。

Equalization control system of space lithium battery based on FPGA

The invention discloses a lithium battery based on FPGA equilibrium control system; including: battery voltage acquisition control module, shunt, bypass control module, communication module, FPGA; battery voltage acquisition control module includes analog switches and A/D converter; shunt, bypass control module includes a shunt switch control module and bypass switch control module; communication module includes dual port RAM communication bus protocol chip and interface chip; FPGA control analog switches enable signal and the address strobe signal, analog channel selection, and convert the analog signal into the A/D conversion chip will generate parallel data into FPGA; FPGA will receive the data sent to the dual port RAM in the FPGA chip to the communication bus protocol transmit enable signal, data transmission to the host computer through the interface chip; FPGA A/D conversion and data The shunt switch control threshold is compared to the split switch control.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
基于FPGA的空間鋰電池均衡控制系統(tǒng)
本專利技術(shù)涉及鋰電池均衡控制
，特別是涉及一種基于FPGA的空間鋰電池均衡控制系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
隨著航天技術(shù)的發(fā)展，質(zhì)量小、功率密度高、壽命長、可低溫運(yùn)行、安全可靠性高及成本低等需求對(duì)于未來發(fā)射器和深空探測器的星上電源系統(tǒng)及微小衛(wèi)星的供配電系統(tǒng)而言至關(guān)重要，特別是空間鋰電池具有重量較輕，能量密度高，自放電率低，低內(nèi)阻、自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，其在空間能源得到廣泛應(yīng)用。尤其是對(duì)于工作壽命及可靠性要求較高的航天器來說，一方面對(duì)鋰電池性能提出新的需求，另一方面，均衡控制作為鋰離子電池充電管理的一項(xiàng)必不可少關(guān)鍵技術(shù)，必然對(duì)均衡控制系統(tǒng)的重量、功耗、可靠性、均衡控制效率和運(yùn)行速度、成本等提出了更加嚴(yán)格的要求。目前空間鋰電池均衡控制應(yīng)用較為廣泛的還是傳統(tǒng)的MCU均衡控制方式，但是由于傳統(tǒng)的MCU均衡控制存在控制硬件電路復(fù)雜、控制策略繁瑣，而且整個(gè)系統(tǒng)的控制效率和運(yùn)行速度不高，系統(tǒng)擴(kuò)展性不強(qiáng)。另外，由于MCU本身采用的復(fù)雜指令集控制系統(tǒng)，且由于地址總線與數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用的方式和I/O數(shù)目很少、采用順序控制的方式、時(shí)序控制功能很弱，所以增加了大量的電子元器件來擴(kuò)展I/O控制和時(shí)序匹配，因此系統(tǒng)的功耗和重量、復(fù)雜程度大大增加，不滿足航天器小型化、質(zhì)量小、低功耗、低成本和高效率和可靠性的新需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于FPGA的空間鋰電池均衡控制系統(tǒng)，該基于FPGA的空間鋰電池均衡控制系統(tǒng)采用FPGA作為鋰電池均衡控制系統(tǒng)的主控芯片，很大程度上簡化了控制電路，提高了整個(gè)系統(tǒng)的控制效率和運(yùn)行速度，大大減少了元器件數(shù)量以及布板面積，提高了可靠性，減小了成本、重量和功耗，適應(yīng)了航天器小型化、重量小、高可靠性、高效率的發(fā)展趨勢。本專利技術(shù)為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：一種基于FPGA的空間鋰電池均衡控制系統(tǒng)，至少包括：電池電壓采集控制模塊，所述電池電壓采集控制模塊包括多路模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換芯片；分流、旁路控制模塊，所述分流、旁路控制模塊包括分流開關(guān)控制模塊和旁路開關(guān)控制模塊；通信模塊，所述通信模塊包括雙端口RAM、通信總線協(xié)議芯片、接口芯片；以及FPGA，所述FPGA控制多路模擬開關(guān)的使能信號(hào)和地址選通信號(hào)，選擇模擬量通道，并將模擬信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后A/D轉(zhuǎn)換芯片將生成的并行數(shù)據(jù)送入FPGA；所述FPGA將接收到的A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議進(jìn)行組幀送入雙端口RAM中，然后FPGA向通信總線協(xié)議芯片發(fā)送使能信號(hào)，隨后將數(shù)據(jù)經(jīng)過接口芯片傳輸給上位機(jī)，供上位機(jī)監(jiān)控和記錄數(shù)據(jù)；所述FPGA將A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)與分流開關(guān)控制的上限閾值和下限閾值進(jìn)行比較；FPGA利用I/O口輸出分流開關(guān)控制信號(hào)。進(jìn)一步：所述FPGA包括：完成數(shù)據(jù)讀寫操作的底層數(shù)據(jù)處理模塊；完成每路分流開關(guān)、旁路開關(guān)接通、關(guān)斷控制的分流、旁路開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊；完成多路模擬開關(guān)的控制，控制多路模擬量遙測采集、A/D轉(zhuǎn)換芯片對(duì)數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)的模擬量采集存儲(chǔ)模塊；以及完成總線協(xié)議芯片上電初始數(shù)據(jù)配置、與綜合電子數(shù)據(jù)交互、遙控指令解析譯碼、指令處理、遙測參數(shù)組幀上傳的FPGA模塊。更進(jìn)一步：所述通信模塊包括時(shí)鐘發(fā)生器、接收器、發(fā)送器。本專利技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：通過采用上述技術(shù)方案，與傳統(tǒng)技術(shù)相比較：1、簡化了均衡控制電路設(shè)計(jì)，布板面積為原來的1/4，同時(shí)降低了系統(tǒng)的成本、體積、功耗，提高了系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。2、本專利技術(shù)采用FPGA并行控制，使鋰模擬量采樣、總線通信電路、均衡驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)運(yùn)行，提高了整個(gè)系統(tǒng)的控制效率和運(yùn)行速度。3、本專利技術(shù)結(jié)合FPGA強(qiáng)大的時(shí)序控制能力，應(yīng)用于空間鋰電池均衡控制，大大提高了鋰電池的特性，具有廣闊的應(yīng)用前景。附圖說明圖1是本專利技術(shù)優(yōu)選實(shí)施例的電路框圖；圖2是本專利技術(shù)優(yōu)選實(shí)施例中FPGA的內(nèi)部模塊框圖；圖3是本專利技術(shù)優(yōu)選實(shí)施例中通信模塊部分的模塊框圖。其中：1、時(shí)鐘發(fā)生器；2、接收器；3、發(fā)送器。具體實(shí)施方式為能進(jìn)一步了解本專利技術(shù)的
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下：請(qǐng)參閱圖1，一種基于FPGA的空間鋰電池均衡控制系統(tǒng)，包括：電池電壓采集控制模塊，所述電池電壓采集控制模塊包括多路模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換芯片；分流、旁路控制模塊，所述分流、旁路控制模塊包括分流開關(guān)控制模塊和旁路開關(guān)控制模塊；通信模塊，所述通信模塊包括雙端口RAM、通信總線協(xié)議芯片、接口芯片；FPGA利用I/O口直接輸出控制信號(hào)；以及FPGA，所述FPGA控制多路模擬開關(guān)的使能信號(hào)和地址選通信號(hào)，選擇模擬量通道，并將模擬信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后A/D轉(zhuǎn)換芯片將生成的并行數(shù)據(jù)送入FPGA；所述FPGA將接收到的A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議進(jìn)行組幀送入雙端口RAM中，然后FPGA向通信總線協(xié)議芯片發(fā)送使能信號(hào)，隨后將數(shù)據(jù)經(jīng)過接口芯片傳輸給上位機(jī)，供上位機(jī)監(jiān)控和記錄數(shù)據(jù)；所述FPGA將A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)與分流開關(guān)控制的上限閾值和下限閾值進(jìn)行比較；通過IO口輸出分流開關(guān)控制信號(hào)；各個(gè)模塊并行運(yùn)行。請(qǐng)參閱圖2：所述FPGA包括：完成數(shù)據(jù)讀寫操作的底層數(shù)據(jù)處理模塊；完成每路分流開關(guān)、旁路開關(guān)接通、關(guān)斷控制的分流、旁路開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊；完成多路模擬開關(guān)的控制，控制多路模擬量遙測采集、A/D轉(zhuǎn)換芯片對(duì)數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)的模擬量采集存儲(chǔ)模塊；以及完成總線協(xié)議芯片上電初始數(shù)據(jù)配置、與綜合電子數(shù)據(jù)交互、遙控指令解析譯碼、指令處理、遙測參數(shù)組幀上傳的FPGA模塊。請(qǐng)參閱圖3：所述通信模塊包括時(shí)鐘發(fā)生器1、接收器2、發(fā)送器3。上述優(yōu)選實(shí)施例中的基于FPGA的空間鋰電池均衡控制系統(tǒng)包括電池電壓采集控制模塊、分流、旁路控制模塊、通信模塊、以及FPGA，完成遙測數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、均衡控制指令以及完成綜合電子數(shù)據(jù)交互，如圖1所示。本專利技術(shù)涉及的FPGA核心控制電路主要是由FPGA軟件控制的各個(gè)模塊的控制時(shí)序驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)空間鋰電池的均衡控制的，主要包括FPGA核心控制模塊、分流、旁路控制模塊、底層數(shù)據(jù)處理模塊四個(gè)模塊，如圖2所示。其中，F(xiàn)PGA核心控制模塊(即圖2中的FPGA模塊)：完成總線協(xié)議協(xié)議芯片上電初始數(shù)據(jù)配置、完成與綜合電子數(shù)據(jù)交互，包括遙控指令解析譯碼、指令處理、遙測參數(shù)組幀上傳等功能；底層數(shù)據(jù)處理模塊完成完成數(shù)據(jù)的讀寫操作；分流、旁路驅(qū)動(dòng)模塊完成每路分流開關(guān)、旁路開關(guān)接通、關(guān)斷控制，且可以通過控制內(nèi)部計(jì)數(shù)器完成時(shí)間脈沖控制，由于FPGA大量的I/O方便實(shí)現(xiàn)多路擴(kuò)展控制；多路模擬開關(guān)控制模塊：完成多路模擬開關(guān)的控制，有序的控制多路模擬量遙測采集；AD控制模塊完成對(duì)數(shù)據(jù)的AD轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊對(duì)AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。分流、旁路開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊：通過通信模塊接收上位機(jī)的總線指令，進(jìn)行解析，然后FPGA通過預(yù)先分配的I/O管腳輸出LVTTL開關(guān)脈沖信號(hào)，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成5V驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分流、旁路控制。單體電壓采集控制電路：由FPGA控制I/O管腳作為多路模擬開關(guān)的使能信號(hào)和地址選通信號(hào)，控制多路模擬量的分時(shí)采集，然后經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路變換后送入A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行，A/D芯片完成轉(zhuǎn)換后把并行數(shù)據(jù)輸入到FPGA中進(jìn)行本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于FPGA的空間鋰電池均衡控制系統(tǒng)，其特征在于：至少包括：電池電壓采集控制模塊，所述電池電壓采集控制模塊包括多路模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換芯片；分流、旁路控制模塊，所述分流、旁路控制模塊包括分流開關(guān)控制模塊和旁路開關(guān)控制模塊；通信模塊，所述通信模塊包括雙端口RAM、通信總線協(xié)議芯片、接口芯片；以及FPGA，所述FPGA控制多路模擬開關(guān)的使能信號(hào)和地址選通信號(hào)，選擇模擬量通道，并將模擬信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后A/D轉(zhuǎn)換芯片將生成的并行數(shù)據(jù)送入FPGA；所述FPGA將接收到的A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議進(jìn)行組幀送入雙端口RAM中，然后FPGA向通信總線協(xié)議芯片發(fā)送使能信號(hào)，隨后將數(shù)據(jù)經(jīng)過接口芯片傳輸給上位機(jī)，供上位機(jī)監(jiān)控和記錄數(shù)據(jù)；所述FPGA將A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)與分流開關(guān)控制的上限閾值和下限閾值進(jìn)行比較；FPGA利用I/O口輸出分流開關(guān)控制信號(hào)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于FPGA的空間鋰電池均衡控制系統(tǒng)，其特征在于：至少包括：電池電壓采集控制模塊，所述電池電壓采集控制模塊包括多路模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換芯片；分流、旁路控制模塊，所述分流、旁路控制模塊包括分流開關(guān)控制模塊和旁路開關(guān)控制模塊；通信模塊，所述通信模塊包括雙端口RAM、通信總線協(xié)議芯片、接口芯片；以及FPGA，所述FPGA控制多路模擬開關(guān)的使能信號(hào)和地址選通信號(hào)，選擇模擬量通道，并將模擬信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后A/D轉(zhuǎn)換芯片將生成的并行數(shù)據(jù)送入FPGA；所述FPGA將接收到的A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議進(jìn)行組幀送入雙端口RAM中，然后FPGA向通信總線協(xié)議芯片發(fā)送使能信號(hào)，隨后將數(shù)據(jù)經(jīng)過接口芯片傳輸給上位機(jī)，供上位機(jī)監(jiān)控和記錄數(shù)據(jù)；所述FPGA將A...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：孫宏杰，胡斌，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：天津,12