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。

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 (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的方式運送到遠離實驗室的地方進行操作，反之則常常不得不利用水運來裝運實際的鋰離子電池組。

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(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。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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)。

考察細節(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?？紤]到鋰離子電池化學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”微調(diào)能力，然后利用粗調(diào)和細調(diào)對一個陣列組進行群控制 (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，群細調(diào)精度約為 ±0.15V，而電池“游標”微調(diào)精度則為 ±0.1V 左右，因此總體而言實現(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。對于計算機化的電壓控制，可利用 16 通道 LTC2668 等 DAC 來取代運放信號。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。反饋利用 T100 中的一個輔助繞組來調(diào)節(jié)。輸出端包括一個 10m? 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(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-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。