構(gòu)建電子電池仿真器

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。如果讓鋰電池過度充電和過度放電，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(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，不過隨后通過改變電荷狀態(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 (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(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面船舶來裝運(yùn)實(shí)際的鋰離子電池組。

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(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)開關(guān)以一個(gè)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)移到輸出電容器的過程中以單向的方式于傳感器中流動(dòng)。在調(diào)節(jié)時(shí)，開關(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。

圖 1：產(chǎn)生 dV 伏升壓的基本反激式電路

為了隔離轉(zhuǎn)換器，我們用一個(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，開關(guān)再一次經(jīng)受高于 12V 電源電壓的反激峰值電壓 dV。請(qǐng)注意，這個(gè)電路無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)。

圖 2：產(chǎn)生 dV/N 伏電壓的基本隔離反激式電路

一種同步版本也已開發(fā)出來，這時(shí)用另一個(gè)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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)。

圖 3：同步隔離反激式電路支持雙向電流流動(dòng)

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，唯一的差別是我們希望獲得一個(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，因此我們可通過優(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，我們可以建立一個(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 0V 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 ±0.1V 左右，因此總體而言實(shí)現(xiàn)了期望的最大范圍 (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(duì)于計(jì)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(hào)。

圖 4：完整的電池仿真器原理圖

Q101 和 T100 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 T101 通過電流緩沖器 Q103 和 Q104 來驅(qū)動(dòng)。反饋利用 T100 中的一個(gè)輔助繞組來調(diào)節(jié)。輸出端包括一個(gè) 10mΩ 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(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-Lambda SWS300-12 等現(xiàn)成有售的 12V/300W 電源。

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(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。