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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，如何選擇實用電路，并對設(shè)計電子電池仿真器常見問題分析，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，因為這類電池有性能高、重量輕的特點。實際上，很多更加復(fù)雜的應(yīng)用涉及到連接多節(jié)電池，以實現(xiàn)想要的電池組工作電壓，這個電壓常常為數(shù)百伏。如果讓鋰電池過度充電和過度放電，就會容易受到不利影響，所以這類串聯(lián)電池組都會采用監(jiān)視系統(tǒng)，記錄每節(jié)電池的電位以避免此類問題。開發(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，以測試控制和保護(hù)算法的有效性。理想情況下，激勵源將是實際的電池，不過隨后通過改變電荷狀態(tài)(SoC)以觸發(fā)BMS中的不同功能動作則變成了一件冗長繁瑣的事情。還有一種辦法是頻繁使用多個實驗室電源，但這是一種非常昂貴的解決方案。因此對于簡單的功能測試而言，常常僅通過偏置電阻串提供基本的電池仿真。電阻串受到明顯限制，因為電阻串呈現(xiàn)相當(dāng)大的源阻抗，因此給系統(tǒng)引入了不代表真實電池的人為分量。即使采用專有電源，如果接受測試的系統(tǒng)包括主動電池平衡，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，以簡便地在實驗室測試BMS功能。擁有電池仿真器的另一個有用方面是此類物品很容易通過空運(yùn)的方式運(yùn)送到遠(yuǎn)離實驗室的地方進(jìn)行操作，反之則常常不得不利用水運(yùn)來裝運(yùn)實際的鋰離子電池組。
二、選擇實用電路
我們需要的主要特點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，就像真實的電池組一樣。后一個要求表明，需要使用變壓器，以及為了實現(xiàn)緊湊性而需要使用開關(guān)型架構(gòu)。有一種開關(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。
在一個被用作升壓器的簡單反激式轉(zhuǎn)換器中，一個低壓側(cè)開關(guān)以一個設(shè)定了輸出部分之輸出電流的占空比來運(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程中以單向的方式于傳感器中流動。在調(diào)節(jié)時，開關(guān)經(jīng)受一個高于12V電源的反激式峰值電壓dV，在多數(shù)設(shè)計中dV與電源電壓近似。
為了隔離轉(zhuǎn)換器，本文用一個變壓器取代電感器(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程是與使用電感器時完全相同。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，這個電路無法防止輸出電壓被一個外部電流強(qiáng)制到高于設(shè)定點(這個電路僅支持一個工作象限)。
一種同步版本也已開發(fā)出來，這時用另一個開關(guān)取代整流器，如圖3所示。該電路既由于開關(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)在電路是對稱而產(chǎn)生了第二個工作象限。這個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，即使存在強(qiáng)制反向輸出電流。我們必需認(rèn)識到這樣的可能性，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，以便單個大容量電源可以便利地為整個陣列供電。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)
一種非常適合實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換器功能的IC是凌力爾特的LT3837。這個電路的典型應(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。對于電池仿真器功能而言，唯一的差別是本文設(shè)計希望獲得一個可調(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)計可通過優(yōu)化設(shè)計將此用作一個電源。考慮到鋰離子電池化學(xué)組成的電壓范圍從略低于2V到稍高于4V，可以建立一個對應(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)支持一個運(yùn)放控制信號，以使ov代表大約4.2V輸出，而3V則控制約1.9V輸出。為了實現(xiàn)良好的用戶控制，通過配置使每個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)對一個陣列組進(jìn)行群控制(主控器調(diào)節(jié)信號MCTL可連接至幾個轉(zhuǎn)換器部分)。對于所示的數(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來供電。對于計算機(jī)化的電壓控制，可利用16通道LTC2668 等DAC來取代運(yùn)放信號。Qlol和Tl00是主要的反激式元件，Q102是同步整流器。為了實現(xiàn)Q102的快速和隔離式控制，柵極由Tl01通過電流緩沖器Q103和Q104來驅(qū)動。反饋利用Tl00中的一個輔助繞組來調(diào)節(jié)。輸出端包括一個lOmQ串聯(lián)電阻器，以便通過至電壓表的開爾文連接(通過使用信號I+和I-)進(jìn)行電流檢測測量。該電路的總輸出阻抗大約為25mΩ，提供堅固的±6A電流能力。靜態(tài)損耗約為每節(jié)電池1W，因此對于一個由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開發(fā)工具的實用性解決方案。一個24V電池仿真器可連同一個12V整體電源包裝在一個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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