锂电池的仿真器及其仿真系统的制作方法

1.本技术涉及电池仿真领域，具体而言，涉及一种锂电池的仿真器及其仿真系统。


背景技术：

2.目前手持行动装置的使用非常普及，因此锂电池对于手持装置的供电扮演了关键的角色，而如何创造一个优化的系统来利用电池的全部电量已经变成系统设计者的负担，所以研究负载电流数据对锂电池放电的影响，分析电池在不同放电行为下所产生的特性，再依据这些特性找出最佳化的放电模式，以期能够增加锂电池的放电寿命。
3.使用实际的锂电池进行放电行为的研究需要对锂电池重复充放电，此将造成极大的不便利性，且由于锂电池的寿命受限充放电次数也需要经常替换，会对环境造成污染。
4.而现有的电池仿真器大多应用于汽车领域，缺乏锂电池的仿真器。
5.在背景技术部分中公开的以上信息只是用来加强对本文所描述技术的背景技术的理解，因此，背景技术中可能包含某些信息，这些信息对于本领域技术人员来说并未形成在本国已知的现有技术。


技术实现要素：

6.本技术的主要目的在于提供一种锂电池的仿真器及其仿真系统，以解决现有技术中缺乏锂电池仿真器的问题。
7.为了实现所述目的，根据本技术的一个方面，提供了一种锂电池的仿真器，所述锂电池的仿真器包括电流检测设备、电压检测设备、控制设备以及电池模拟器，其中，所述电流检测设备用于与目标负载电连接，所述电流检测设备用于实时检测所述目标负载的电流数据；所述电压检测设备用于与所述目标负载电连接，所述电压检测设备用于实时检测所述目标负载的电压数据；所述控制设备与所述电流检测设备以及所述电压检测设备分别电连接，所述控制设备用于接收所述电流数据以及所述电压数据，所述控制设备还用于与所述目标负载电连接；所述电池模拟器与所述控制设备通信连接，所述电池模拟器用于接收所述控制设备发送的所述电流数据以及所述电压数据，根据所述电流数据以及所述电压数据输出预定数据并发送至所述控制设备，以使得所述控制设备向所述目标负载提供所述预定数据对应的预定电压，其中，所述预定数据为所述电池模拟器模拟锂电池输出的电压数据。
8.可选地，所述电流数据以及所述电压数据均为模拟信号，所述控制设备包括第一微控器，所述第一微控器包括第一模数转换模块或者第一数模转换模块，所述第一微控器与所述电流检测设备以及所述电压检测设备分别电连接，所述第一微控器还用于通过所述第一模数转换模块将所述电流数据以及所述电压数据转换为对应的第一数字数据后发送给所述电池模拟器，或者所述第一微控器还用于通过所述第一数模转换模块接收所述预定电压，并将所述预定电压转换为第一模拟电压后发送给所述目标负载。
9.可选地，在所述第一微控器包括所述第一模数转换模块且所述预定电压为数字信
号的情况下，所述锂电池的仿真器还包括第一数模转换器，所述第一微控器通过所述第一数模转换器与所述目标负载电连接，所述第一数模转换器用于接收所述预定电压，并将所述预定电压转换为第一模拟电压后发送给所述目标负载，在所述第一微控器包括所述第一数模转换模块的情况下，所述锂电池的仿真器还包括第一模数转换器，所述第一微控器通过所述第一模数转换器与所述电流检测设备以及所述电压检测设备分别电连接，所述第一模数转换器用于接收所述电流数据以及所述电压数据，并将所述电流数据以及所述电压数据分别转换为第四数字数据后发送给所述第一微控器。。
10.可选地，所述锂电池的仿真器还包括稳压器，所述第一数模转换器通过所述稳压器与所述目标负载电连接。
11.可选地，所述电流数据以及所述电压数据均为模拟信号，所述控制设备包括第二微控器，所述第二微控器包括第二模数转换模块以及第二数模转换模块，所述第二微控器还用于通过所述第二模数转换模块将所述电压数据以及所述电流数据转换为对应的第二数字数据后发送给所述电池模拟器，所述第二微控器还用于通过所述第二数模转换模块将所述预定电压转换为第二模拟电压后发送给所述目标负载。
12.可选地，所述电流数据以及所述电压数据均为模拟信号，所述预定电压为数字信号，所述锂电池的仿真器还包括第二数模转换器以及第一模数转换器，其中，所述控制设备通过所述第二数模转换器与所述目标负载电连接，所述第二数模转换器用于将所述预定电压转换为第三模拟电压后发送给所述目标负载；所述第一模数转换器与所述电流检测设备、所述电压检测设备以及所述控制设备分别电连接，所述第一模数转换器用于将所述电流数据以及所述电压数据分别转换为第三数字数据后发送给所述控制设备。
13.可选地，所述电流检测设备包括电流传感器以及第二模数转换器，其中，所述电流传感器用于与所述目标负载电连接，所述电流传感器用于实时检测模拟电流数据；所述第二模数转换器与所述电流传感器以及所述控制设备分别电连接，所述第二模数转换器用于将所述模拟电流数据转换为数字的所述电流数据。
14.可选地，所述电压检测设备包括电压传感器以及第三模数转换器，所述电压传感器用于与所述目标负载电连接，所述电压传感器用于实时检测模拟电压数据；所述第三模数转换器与所述电压传感器以及所述控制设备分别电连接，所述第三模数转换器用于将所述模拟电压数据转换为所述电压数据。
15.可选地，所述电池模拟器包括dualfoil模型。
16.根据本技术的另一方面，还提供了一种锂电池的仿真系统，所述锂电池的仿真系统包括负载以及任一种所述的锂电池的仿真器。
17.应用本技术的技术方案，所述的锂电池的仿真器中，所述电流检测设备实时获取目标负载的电流数据，电压检测设备实时获取目标负载的电压数据，该电压数据表示锂电池当前的供电电压，所述控制设备接收所述电压数据以及所述电流数据并发送至电池模拟器，使得所述电池模拟器根据所述电压数据以及所述电流数据，模拟锂电池输出预定数据给所述控制设备，使得所述控制设备将所述预定数据对应的预定电压提供给所述目标负载，来模拟真实锂电池的输出状态以及放电特性。本技术的所述锂电池的仿真器可以模拟锂电池放电过程，这样无需使用真实的锂电池来进行放电，实现了对锂电池的仿真，可以较为便利地研究所述目标负载在不同的锂电池条件下的响应情况，且由于无需使用真实的锂
电池，较为环保。
附图说明
18.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
19.图1示出了根据本技术的实施例的锂电池的仿真器的结构示意图；
20.图2示出了根据本技术的实施例的锂电池以及负载的等效电路图；
21.图3示出了根据本技术的实施例的锂电池的仿真器的等效电路图；
22.图4示出了根据本技术的具体的实施例的锂电池的仿真器的结构示意图；
23.图5示出了根据本技术的实施例的实际锂电池放电曲线以及锂电池的仿真器模拟放电曲线对比图。
24.其中，上述附图包括以下附图标记：
25.10、电流检测设备；20、电压检测设备；30、控制设备；40、电池模拟器；50、目标负载；60、第二数模转换器；70、稳压器；80、第一模数转换器；90、电压源；100、第一电阻；110、电容；120、第二电阻；130、锂电池的仿真器。
具体实施方式
26.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
27.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
28.应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。
29.正如背景技术所介绍的，现有技术中缺乏锂电池仿真器的问题，为了解决如上问题，本技术提出了一种锂电池的仿真器及其仿真系统。
30.根据本技术的一种典型的实施例，提供了一种锂电池的仿真器，如图1所示，上述锂电池的仿真器包括电流检测设备10、电压检测设备20、控制设备30以及电池模拟器40，其中，上述电流检测设备10用于与目标负载50电连接，上述电流检测设备10用于实时检测上述目标负载50的电流数据；上述电压检测设备20用于与上述目标负载电连接，上述电压检测设备20用于实时检测上述目标负载50的电压数据；上述控制设备30与上述电流检测设备10以及上述电压检测设备20分别电连接，上述控制设备30用于接收上述电流数据以及上述电压数据，上述控制设备30还用于与上述目标负载50电连接；上述电池模拟器40与上述控制设备30通信连接，上述电池模拟器40用于接收上述控制设备30发送的上述电流数据以及上述电压数据，根据上述电流数据以及上述电压数据输出预定数据并发送至上述控制设备
30，以使得上述控制设备30向上述目标负载50提供上述预定数据对应的预定电压，其中，上述预定数据为上述电池模拟器40模拟锂电池输出的电压数据。
31.上述的锂电池的仿真器中，上述电流检测设备实时获取目标负载的电流数据，电压检测设备实时获取目标负载的电压数据，该电压数据表示锂电池当前的供电电压，上述控制设备接收上述电压数据以及上述电流数据并发送至电池模拟器，使得上述电池模拟器根据上述电压数据以及上述电流数据，模拟锂电池输出预定数据给上述控制设备，使得上述控制设备将上述预定数据对应的预定电压提供给上述目标负载，来模拟真实锂电池的输出状态以及放电特性。本技术的上述锂电池的仿真器可以模拟锂电池放电过程，这样无需使用真实的锂电池来进行放电，实现了对锂电池的仿真，可以较为便利地研究上述目标负载在不同的锂电池条件下的响应情况，且由于无需使用真实的锂电池，较为环保。
32.在实际的应用过程中，锂电池以及负载的等效电路图如图2所示。锂电池等效电路包括电压源90以及第一电阻100，其中，电压源90的开环回路电压为v
oc
，第一电阻100的阻值为ri，负载等效电路包括电容110和第二电阻120。假使线路的电流是i，那么观测到的预定电压vb为
[0033]vb
＝v
oc
－i
×ri
[0034]
当锂电池放电时，v
oc
会随着ri的增大而降低，基于这个电路模式，建立的锂电池的仿真器130的等效电路图如图3所示，该仿真器执行如下步骤：步骤1)、获取负载的电压数据以及电流数据；步骤2)、将上述电压数据以及上述电流数据发送给电池模拟器，来根据电压数据以及电流数据计算v
oc
以及ri；步骤3)、将步骤2)计算的v
oc
以及ri赋值给电压源90以及第一电阻，使得锂电池等效电路输出预定电压；步骤4)、依次重复上述步骤1)、上述步骤2)以及上述步骤3)。
[0035]
具体地，上述目标负载为手持设备，即上述锂电池用于给上述手持设备供电。并且，相比现有技术中体型庞大的电池仿真器，如给电动汽车供电的电池仿真器，本技术的上述锂电池的仿真器的构成部件，电流检测设备、电压检测设备、控制设备以及电池模拟器等部件均为小型部件，因此，本技术的由这些小型部件构成的上述锂电池的仿真器的体积较小，即本技术实现了电池仿真器的小型化，便于携带。
[0036]
在实际的应用过程中，上述电流数据以及上述电压数据均为模拟信号，此时为了进一步地保证上述锂电池的仿真器的正常工作，进一步地实现对锂电池的放电特性的仿真，根据本技术的一种具体的实施例，上述控制设备包括第一微控器，上述第一微控器包括第一模数转换模块或者第一数模转换模块，上述第一微控器与上述电流检测设备以及上述电压检测设备分别电连接，上述第一微控器还用于通过上述第一模数转换模块将上述电流数据以及上述电压数据转换为对应的第一数字数据后发送给上述电池模拟器，或者上述第一微控器还用于通过上述第一数模转换模块接收上述预定电压，并将上述预定电压转换为第一模拟电压后发送给上述目标负载。本实施例中，通过选择具有模数转换功能的上述第一微控器，或者选择具有数模转换功能的上述第一微控器，进一步地保证了上述仿真器整体的占用面积较小，进一步地实现了仿真器的小型化，进一步地保证了上述仿真便于携带。
[0037]
具体地，上述的第一微控器中，可以采用在微控器中内建一个10-bit的模数转换器，该模数转换器的采样间隔时间可以设置为19.72μs，通过上述模数转换器将上述电流数据以及上述电压数据转换为对应的第一数字数据后，通过网络界面传输给上述电池模拟
器。
[0038]
另一种具体的实施例中，在上述第一微控器包括上述第一模数转换模块且上述预定电压为数字信号的情况下，上述锂电池的仿真器还包括第一数模转换器，上述第一微控器通过上述第一数模转换器与上述目标负载电连接，上述第一数模转换器用于接收上述预定电压，并将上述预定电压转换为第一模拟电压后发送给上述目标负载，在上述第一微控器包括上述第一数模转换模块的情况下，上述锂电池的仿真器还包括第一模数转换器，上述第一微控器通过上述第一模数转换器与上述电流检测设备以及上述电压检测设备分别电连接，上述第一模数转换器用于接收上述电流数据以及上述电压数据，并将上述电流数据以及上述电压数据分别转换为第四数字数据后发送给上述第一微控器。由于上述目标负载只能接收模拟电压信号，在上述第一微控器仅有模数转换功能的情况下，通过上述第一数模转换器来将上述第一微控器发出的数字信号转换为模拟信号；由于上述电流数据以及上述电压数据均为模拟信号，在上述第一微控器仅有数模转换功能的情况下，通过上述第一模数转换器来将上述电流、电压数据转换为数字信号，这样进一步地实现了模拟锂电池对上述目标负载供电，进一步地方便了对上述目标负载在不同的锂电池条件下的响应情况的实验。
[0039]
根据本技术的再一种具体的实施例，上述锂电池的仿真器还包括稳压器,，上述第一数模转换器通过上述稳压器与上述目标负载电连接。通过上述稳压器可以将上述第一数模转换器输出的第一模拟电压稳定在预定范围内，实现了自动对输出给上述目标负载的电压的平衡调整，从而保证了对上述目标负载的供电效果较好。
[0040]
具体的一种实施例中，上述稳压器是可调式线性稳压ic，当上述第一模拟电压变化时，上述控制电路透过上述第二数模转换器调整稳压ic产生仿真的电池电压，电压范围从1.0v～4.2v，以此来保证上述第一模拟电压的稳定。
[0041]
根据本技术的又一种具体的实施例，上述电流数据以及上述电压数据均为模拟信号，上述控制设备包括第二微控器，上述第二微控器包括第二模数转换模块以及第二数模转换模块，上述第二微控器还用于通过上述第二模数转换模块将上述电压数据以及上述电流数据转换为对应的第二数字数据后发送给上述电池模拟器，上述第二微控器还用于通过上述第二数模转换模块将上述预定电压转换为第二模拟电压后发送给上述目标负载。选择具有模数转换功能以及数模转换功能的微控器，这样可以减少外置的数模转换器以及模数转换器，从而进一步地实现仿真器的小型化。
[0042]
一种实施例中，在上述第二微控器包括上述第二模数转换模块以及上述第二数模转换模块的情况下，上述稳压器的一端可以直接与上述第二微控器电连接，上述稳压器的另一端与上述目标负载电连接。
[0043]
当然，在实际的应用过程中，本领域技术人员还可以选用没有模数转换功能以及数模转换功能的微控器作为上述控制设备，这种情况下，为了进一步地实现对锂电池放电特性的仿真，本技术的另一种具体的实施例中，上述电流数据以及上述电压数据均为模拟信号，上述预定电压为数字信号，如图4所示，上述锂电池的仿真器还包括第二数模转换器60以及第一模数转换器80，其中，上述控制设备30通过上述第二数模转换器60与上述目标负载50电连接，上述第二数模转换器60用于将上述预定电压转换为第三模拟电压后发送给上述目标负载50；上述第一模数转换器80与上述电流检测设备10、上述电压检测设备20以
及上述控制设备30分别电连接，上述第一模数转换器80用于将上述电流数据以及上述电压数据分别转换为第三数字数据后发送给上述控制设备30。
[0044]
上述实施例中，上述控制设备包括微控器，上述微控器通过三线式串行周边接口(spi)来控制上述第二数模转换器。当然，上述微控器与上述第二数模转换器的连接方式并不限于上述的方式。
[0045]
另外，为了进一步地保证上述仿真器对上述目标负载的供电效果较好，上述实施例中，如图4所示，上述锂电池的仿真器还包括稳压器70，上述第二数模转换器60通过上述稳压器70与上述目标负载50电连接。
[0046]
具体地，上述电流检测设备包括电流传感器以及第二模数转换器，其中，上述电流传感器用于与上述目标负载电连接，上述电流传感器用于实时检测模拟电流数据；上述第二模数转换器与上述电流传感器以及上述控制设备分别电连接，上述第二模数转换器用于将上述模拟电流数据转换为数字的上述电流数据。这样无需外置模数转换器或者将模数转换器内置于控制设备中，进一步地保证仿真器的灵活性。
[0047]
具体地，上述电压检测设备包括电压传感器以及第三模数转换器，上述电压传感器用于与上述目标负载电连接，上述电压传感器用于实时检测模拟电压数据；上述第三模数转换器与上述电压传感器以及上述控制设备分别电连接，上述第三模数转换器用于将上述模拟电压数据转换为上述电压数据。这样无需外置模数转换器或者将模数转换器内置于控制设备中，进一步地保证仿真器的灵活性。
[0048]
根据本技术的又一种具体的实施例，上述的数模转换器可以为10位元的数字模拟转换器，上述的稳压器可以为可调式线性稳压器，该稳压器的输出电压范围为1.0v～4.5v，最大额定电流为800ma。当然，上述数模转换器并不限于上述的数字模拟转换器，上述稳压器也并不限于可调式线性稳压器，本领域技术人员可以选择任意合适的数模转换器以及稳压器。另外，稳压器的工作参数也并不限于上述的参数。
[0049]
再一种具体的实施例中，上述的电池模拟器可以安装在如pc、电脑等终端。上述的微控器具有flash内存，该flash内存可以为256k字符的flash内存，微控器负责整个仿真器的配置控制，其带宽可以设置为2.5mpbs，工作频率可以为20mhz，微控器内置adcs及uart串列接口，固件程式常驻在其内置的flash内存内。除此之外，微控器的网络控制界面使用以太网控制芯片(ethernet phy)来与电池模拟器所在的终端做通讯连接，微控器通过以太网控制芯片，扮演命令的执行者。
[0050]
在实际的应用过程中，上述电池模拟器包括dualfoil模型。上述dualfoil模型为采用dualfoil仿真软件构建的。dualfoil仿真软件是最精确且可免费使用的电池仿真程序。dualfoil仿真软件是由uc berkeley化工所dr.john newman所建立的一种电气化学电池模式(electro-chemical model)，其使用集中电解液理论(concentrated electrolyte theory)及多孔电极理论(porous electrode theory)，利用数学的模式及电脑(pc)模拟方式，将60种以上的参数加上电流及时间的参数，以计算机程序语言解偏微分方程式。
[0051]
控制设备与电池模拟器所在的终端之间的数据流交换，为了达到即时且正确的目的，双方必须按照一个标准的通讯协议。当一开始启动系统，终端先送一个命令到控制设备，设定它的计时器分辨率及模拟的周期，同时也传送一个初始电压值，然后启动电池模拟器模拟锂电池在开环回路状态。这时，控制设备收到初始电压将其加到相对应的连接线路，
接着在每一个计时器的中断期间量测负载的电流以及电压数据。在第一次仿真周期结束后，终端完成模拟后，送出模拟后的电压值给控制设备并读取控制设备最近获取的电流以及电压值。终端继续计算模拟负载电压，同时控制设备继续获取电流及电压在每一个计时器的数据，下一个仿真的步骤再重复这个过程而持续下去。
[0052]
根据本技术的另一种典型的实施例，还提供了一种锂电池的仿真系统，上述锂电池的仿真系统包括负载以及任一种上述的锂电池的仿真器。
[0053]
上述的锂电池的仿真系统包括负载以及任一种上述的锂电池的仿真器，通过上述仿真器可以模拟锂电池放电过程，这样无需使用真实的锂电池来进行放电，实现了对锂电池的仿真，可以较为便利地研究上述目标负载在不同的锂电池条件下的响应情况，且由于无需使用真实的锂电池，较为环保。
[0054]
在实际的应用过程中，上述负载包括led阵列，上述led阵列通过点亮不同数量的led可以模拟不同工作参数的负载设备。
[0055]
为了验证本技术的上述锂电池的仿真器的准确度，本技术通过记录锂电池实际工作时的输出电压数据，与本技术的上述仿真器输出的电压数据进行对比，具体如下：在400ma负载电流下，设置初始充满电的锂电池电压是4.2v，接上400ma负载后开始放电，电压逐渐缓慢下降，如图5所示，曲线300是实际的锂电池放电曲线，曲线400是锂电池的仿真器的放电曲线，两条曲线基本重叠在一起，表示本技术的仿真器的输出电压曲线与实际锂电池电压曲线特性基本一致。
[0056]
从以上的描述中，可以看出，本技术上述的实施例实现了如下技术效果：
[0057]
1)、本技术上述的锂电池的仿真器中，上述电流检测设备实时获取目标负载的电流数据，电压检测设备实时获取目标负载的电压数据，该电压数据表示锂电池当前的供电电压，上述控制设备接收上述电压数据以及上述电流数据并发送至电池模拟器，使得上述电池模拟器根据上述电压数据以及上述电流数据，模拟锂电池输出预定数据给上述控制设备，使得上述控制设备将上述预定数据对应的预定电压提供给上述目标负载，来模拟真实锂电池的输出状态以及放电特性。本技术的上述锂电池的仿真器可以模拟锂电池放电过程，这样无需使用真实的锂电池来进行放电，实现了对锂电池的仿真，可以较为便利地研究上述目标负载在不同的锂电池条件下的响应情况，且由于无需使用真实的锂电池，较为环保。
[0058]
2)、本技术上述的锂电池的仿真系统包括负载以及任一种上述的锂电池的仿真器，通过上述仿真器可以模拟锂电池放电过程，这样无需使用真实的锂电池来进行放电，实现了对锂电池的仿真，可以较为便利地研究上述目标负载在不同的锂电池条件下的响应情况，且由于无需使用真实的锂电池，较为环保。
[0059]
以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。