構建電子電池仿真器

摘要：本文介紹一種構建電子電池仿真器的方法。文中詳細分析了為什么需要電池仿真器，如何選擇實(shí)用電路，并對設計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節電壓的結論。

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(lèi)電池有性能高、重量輕的特點(diǎn)。實(shí)際上，很多更加復雜的應用涉及到連接多節電池，以實(shí)現想要的電池組工作電壓，這個(gè)電壓常常為數百伏。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(lèi)串聯(lián)電池組都會(huì )采用監視系統，記錄每節電池的電位以避免此類(lèi)問(wèn)題。開(kāi)發(fā)這些多節電池的電池組監視系統 (BMS) 需要采用一種便利方法的電路仿真法，以測試控制和保護算法的有效性。理想情況下，激勵源將是實(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(cháng)繁瑣的事情。還有一種辦法是頻繁使用多個(gè)實(shí)驗室電源，但這是一種非常昂貴的解決方案。因此對于簡(jiǎn)單的功能測試而言，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，因為電阻串呈現相當大的源阻抗，因此給系統引入了不代表真實(shí)電池的人為分量。即使采用專(zhuān)有電源，如果接受測試的系統包括主動(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(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)驗室測試 BMS 功能。擁有電池仿真器的另一個(gè)有用方面是此類(lèi)物品很容易通過(guò)空運的方式運送到遠離實(shí)驗室的地方進(jìn)行操作，反之則常常不得不利用水運來(lái)裝運實(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)現緊湊性而需要使用開(kāi)關(guān)型架構。有一種開(kāi)關(guān)拓撲既提供隔離，又提供兩象限工作，這種拓撲就是同步反激式轉換器。

　　在一個(gè)被用作升壓器的簡(jiǎn)單反激式轉換器中，一個(gè)低壓側開(kāi)關(guān)以一個(gè)設定了輸出部分之輸出電流的占空比來(lái)運作，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)閉期間導通，并允許輸出電流在磁能轉移到輸出電容器的過(guò)程中以單向的方式于傳感器中流動(dòng)。在調節時(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，在多數設計中 dV 與電源電壓近似。

　　為了隔離轉換器，本文用一個(gè)變壓器取代電感器 (如圖 2 所示)，以使輸出出現在變壓器副端。盡管輸出現在已經(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。選擇變壓器匝數比 N，以用想要的特定輸入和輸出電壓優(yōu)化運行。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)外部電流強制到高于設定點(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導通的二極管而提高了效率，又由于現在電路是對稱(chēng)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，這導致主端繞組反擊電流回到主電源中，因此輸出將保持在設定點(diǎn)，即使存在強制反向輸出電流。我們必需認識到這樣的可能性，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(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)。

考察細節

　　一種非常適合實(shí)現這種轉換器功能的 IC 是凌力爾特的 LT3837。這個(gè)電路的典型應用是從較高電壓的大容量電源軌提供類(lèi)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計希望獲得一個(gè)可調的輸出電壓。由于總體解決方案的高功率整體電源可提供 12V 電壓，因此本文設計可通過(guò)優(yōu)化設計將此用作一個(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)對應的微調范圍，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，該圖提供了所有細節信息。為了提供電壓調節，反饋網(wǎng)絡(luò )支持一個(gè)運放控制信號，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)現良好的用戶(hù)控制，通過(guò)配置使每個(gè)電池電路具備了一種“游標”微調能力，然后利用粗調和細調對一個(gè)陣列組進(jìn)行群控制 (主控器調節信號 MCTL 可連接至幾個(gè)轉換器部分)。對于所示的數值，輸出電壓群粗調精度約為 ±0.9V，群細調精度約為 ±0.15V，而電池“游標”微調精度則為 ±0.1V 左右，因此總體而言實(shí)現了期望的最大范圍 (為了提供微調，犧牲了至滿(mǎn)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。對于計算機化的電壓控制，可利用 16 通道 LTC2668 等 DAC 來(lái)取代運放信號。Q101 和 T100 是主要的反激式元件，Q102 是同步整流器。為了實(shí)現 Q102 的快速和隔離式控制，柵極由 T101 通過(guò)電流緩沖器 Q103 和 Q104 來(lái)驅動(dòng)。反饋利用 T100 中的一個(gè)輔助繞組來(lái)調節。輸出端包括一個(gè) 10m? 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 I+ 和 I-) 進(jìn)行電流檢測測量。該電路的總輸出阻抗大約為 25m?，提供堅固的 ±6A 電流能力。靜態(tài)損耗約為每節電池 1W，因此對于一個(gè)由 24 節電池組成的陣列，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節，適用于 TDK-Lambda SWS300-12 等現成有售的 12V/300W 電源。

結論

　　構建電池仿真器是一種提供高密度和易于運輸之 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 架裝式機箱中，并提供可精確調節的電壓 (在 1.9V 至 4.2V 的范圍內) 和 ±6A 電流能力。