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構(gòu)建電子電池仿真器
摘要：本文介紹一種構(gòu)建電子電池仿真器的方法。文中詳細(xì)分析了為什么需要電池仿真器，如何選擇實(shí)用電路，并對(duì)設(shè)計(jì)電子電池仿真器常見(jiàn)問(wèn)題分析，最終得出電池仿真器可以精確調(diào)節(jié)電壓的結(jié)論。
關(guān)鍵詞：電池仿真器;緊湊型電池仿真器;鋰電池
一、為什么需要電池仿真器?
很多新產(chǎn)品都采用鋰電池，因?yàn)檫@類電池有性能高、重量輕的特點(diǎn)。實(shí)際上，很多更加復(fù)雜的應(yīng)用涉及到連接多節(jié)電池，以實(shí)現(xiàn)想要的電池組工作電壓，這個(gè)電壓常常為數(shù)百伏。如果讓鋰電池過(guò)度充電和過(guò)度放電，就會(huì)容易受到不利影響，所以這類串聯(lián)電池組都會(huì)采用監(jiān)視系統(tǒng)，記錄每節(jié)電池的電位以避免此類問(wèn)題。開(kāi)發(fā)這些多節(jié)電池的電池組監(jiān)視系統(tǒng)(BMS)需要采用一種便利方法的電路仿真法，以測(cè)試控制和保護(hù)算法的有效性。理想情況下，激勵(lì)源將是實(shí)際的電池，不過(guò)隨后通過(guò)改變電荷狀態(tài)(SoC)以觸發(fā)BMS中的不同功能動(dòng)作則變成了一件冗長(zhǎng)繁瑣的事情。還有一種辦法是頻繁使用多個(gè)實(shí)驗(yàn)室電源，但這是一種非常昂貴的解決方案。因此對(duì)于簡(jiǎn)單的功能測(cè)試而言，常常僅通過(guò)偏置電阻串提供基本的電池仿真。電阻串受到明顯限制，因?yàn)殡娮璐尸F(xiàn)相當(dāng)大的源阻抗，因此給系統(tǒng)引入了不代表真實(shí)電池的人為分量。即使采用專有電源，如果接受測(cè)試的系統(tǒng)包括主動(dòng)電池平衡，那么電源也必須顧及虛假充電電流f即電流反向)問(wèn)題。最重要的是，人們希望有辦法獲得多種多樣的緊湊型電池仿真器，以簡(jiǎn)便地在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試BMS功能。擁有電池仿真器的另一個(gè)有用方面是此類物品很容易通過(guò)空運(yùn)的方式運(yùn)送到遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)室的地方進(jìn)行操作，反之則常常不得不利用水運(yùn)來(lái)裝運(yùn)實(shí)際的鋰離子電池組。
二、選擇實(shí)用電路
我們需要的主要特點(diǎn)是低源阻抗和兩象限工作(正電壓但雙向電流，所以我們可以仿真放電和充電方向)。我們還需要隔離各種電池仿真器，以便他們可以串聯(lián)連接，就像真實(shí)的電池組一樣。后一個(gè)要求表明，需要使用變壓器，以及為了實(shí)現(xiàn)緊湊性而需要使用開(kāi)關(guān)型架構(gòu)。有一種開(kāi)關(guān)拓?fù)浼忍峁└綦x，又提供兩象限工作，這種拓?fù)渚褪峭椒醇な睫D(zhuǎn)換器。
在一個(gè)被用作升壓器的簡(jiǎn)單反激式轉(zhuǎn)換器中，一個(gè)低壓側(cè)開(kāi)關(guān)以一個(gè)設(shè)定了輸出部分之輸出電流的占空比來(lái)運(yùn)作，如圖1所示。整流器二極管以這種理想化的形式在開(kāi)關(guān)關(guān)閉期間導(dǎo)通，并允許輸出電流在磁能轉(zhuǎn)移至愉出電容器的過(guò)程中以單向的方式于傳感器中流動(dòng)。在調(diào)節(jié)時(shí)，開(kāi)關(guān)經(jīng)受一個(gè)高于12V電源的反激式峰值電壓dV，在多數(shù)設(shè)計(jì)中dV與電源電壓近似。
為了隔離轉(zhuǎn)換器，本文用一個(gè)變壓器取代電感器(如圖2所示)，以使輸出出現(xiàn)在變壓器副端。盡管輸出現(xiàn)在已經(jīng)隔離了，但是磁性能量傳送過(guò)程是與使用電感器時(shí)完全相同。選擇變壓器匝數(shù)比N，以用想要的特定輸入和輸出電壓優(yōu)化運(yùn)行。在這里，開(kāi)關(guān)再一次經(jīng)受高于12V電源電壓的反激峰值電壓dV。但是，這個(gè)電路無(wú)法防止輸出電壓被一個(gè)外部電流強(qiáng)制到高于設(shè)定點(diǎn)(這個(gè)電路僅支持一個(gè)工作象限)。
一種同步版本也已開(kāi)發(fā)出來(lái)，這時(shí)用另一個(gè)開(kāi)關(guān)取代整流器，如圖3所示。該電路既由于開(kāi)關(guān)消耗的功率低于正向?qū)ǖ亩䴓O管而提高了效率，又由于現(xiàn)在電路是對(duì)稱而產(chǎn)生了第二個(gè)工作象限。這個(gè)電路在副端可以接受反向電流，這導(dǎo)致主端繞組反擊電流回到主電源中，因此輸出將保持在設(shè)定點(diǎn)，即使存在強(qiáng)制反向輸出電流。我們必需認(rèn)識(shí)到這樣的可能性，即：如果仿真電池被重度地“充電”(電流流入正輸出電壓)，則用于電路的電源其本身有可能經(jīng)受一個(gè)反向電流。既然輸出全部隔離了，那么電源供電可以在任何數(shù)量的電路之間均分，以便單個(gè)大容量電源可以便利地為整個(gè)陣列供電。這樣的陣列連接還納入了寄生電路損耗，因此電源在正常使用方式時(shí)不可能經(jīng)受反向電流(即是只要凈“充電”量<總的工作損耗)。
三、考察細(xì)節(jié)
一種非常適合實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換器功能的IC是凌力爾特的LT3837。這個(gè)電路的典型應(yīng)用是從較高電壓的大容量電源軌提供類似電池的、電流為幾安培的低電壓。對(duì)于電池仿真器功能而言，唯一的差別是本文設(shè)計(jì)希望獲得一個(gè)可調(diào)的輸出電壓。由于總體解決方案的高功率整體電源可提供12V電壓，因此本文設(shè)計(jì)可通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)將此用作一個(gè)電源�？紤]到鋰離子電池化學(xué)組成的電壓范圍從略低于2V到稍高于4V，可以建立一個(gè)對(duì)應(yīng)的微調(diào)范圍，從而提供通用的用法以及仿真眾多SoC狀態(tài)的能力。
圖4顯示了一個(gè)陣列的一部分，該圖提供了所有細(xì)節(jié)信息。為了提供電壓調(diào)節(jié)，反饋網(wǎng)絡(luò)支持一個(gè)運(yùn)放控制信號(hào)，以使ov代表大約4.2V輸出，而3V則控制約1.9V輸出。為了實(shí)現(xiàn)良好的用戶控制，通過(guò)配置使每個(gè)電池電路具備了一種“游標(biāo)”微調(diào)能力，然后利用粗調(diào)和細(xì)調(diào)對(duì)一個(gè)陣列組進(jìn)行群控制(主控器調(diào)節(jié)信號(hào)MCTL可連接至幾個(gè)轉(zhuǎn)換器部分)。對(duì)于所示的數(shù)值，輸出電壓群粗調(diào)精度約為±0.9V，群細(xì)調(diào)精度約為±0.15V，而電池“游標(biāo)”微調(diào)精度則為±O.lV左右，因此總體而言實(shí)現(xiàn)了期望的最大范圍f為了提供微調(diào)，犧牲了至滿限值的電池交叉控制能力)。所有的控制電路均由從12V整體電源獲得的3.3V來(lái)供電。對(duì)于計(jì)算機(jī)化的電壓控制，可利用16通道LTC2668 等DAC來(lái)取代運(yùn)放信號(hào)。Qlol和Tl00是主要的反激式元件，Q102是同步整流器。為了實(shí)現(xiàn)Q102的快速和隔離式控制，柵極由Tl01通過(guò)電流緩沖器Q103和Q104來(lái)驅(qū)動(dòng)。反饋利用Tl00中的一個(gè)輔助繞組來(lái)調(diào)節(jié)。輸出端包括一個(gè)lOmQ串聯(lián)電阻器，以便通過(guò)至電壓表的開(kāi)爾文連接(通過(guò)使用信號(hào)I+和I-)進(jìn)行電流檢測(cè)測(cè)量。該電路的總輸出阻抗大約為25mΩ，提供堅(jiān)固的±6A電流能力。靜態(tài)損耗約為每節(jié)電池1W，因此對(duì)于一個(gè)由24節(jié)電池組成的陣列，12V電源反向的可能性是最小的，而且功率大小得到了很好的調(diào)節(jié)，適用于TDK-LambdaSWS300-12等現(xiàn)成有售的12V/300W電源。
四、結(jié)論
構(gòu)建電池仿真器是一種提供高密度和易于運(yùn)輸之BMS開(kāi)發(fā)工具的實(shí)用性解決方案。一個(gè)24V電池仿真器可連同一個(gè)12V整體電源包裝在一個(gè)2RU架裝式機(jī)箱中，并提供可精確調(diào)節(jié)的電壓(在1.9V至4.2V的范圍內(nèi))和±6A電流能力。
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