電子電路仿真軟件PSIM介紹

今天的技術(shù)在電路最終實(shí)現(xiàn)之前對其進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。要保持在控制之下的參數(shù)是多種多樣的，并考慮了許多因素，尤其是高功率的因素。今天的設(shè)計(jì)人員甚至需要在構(gòu)建復(fù)雜的電源電路之前對其進(jìn)行仿真。元器件非常昂貴，不方便進(jìn)行實(shí)際測試，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢。PSIM電子模擬器是一種特別適用于電力系統(tǒng)的測試和模擬環(huán)境。它可用于測試電池和機(jī)動車充電裝置，以及太陽能充電和使用項(xiàng)目。

介紹

PSIM是Powersim開發(fā)的電子電路仿真軟件。它專為電力電子和電機(jī)驅(qū)動仿真的使用而設(shè)計(jì)，但也可用于仿真任何類型的電子電路。它有幾個(gè)外部模塊，可將其功能擴(kuò)展到模擬和電路設(shè)計(jì)的特定領(lǐng)域，例如設(shè)備控制、電動機(jī)、光伏和風(fēng)力渦輪機(jī)。它被工業(yè)廣泛用于研究和產(chǎn)品開發(fā)，通常在學(xué)校用于研究和教學(xué)。PSIM 特別適用于需要較長處理時(shí)間的模擬。最新的軟件版本提供了使用 LTspice 引擎的可能性。SPICE 模型庫非常廣泛，還包括工業(yè)設(shè)備。使用 SPICE 模型，

門極驅(qū)動的特點(diǎn)

過渡緊張局勢的演變

開關(guān)和傳導(dǎo)損耗

寄生相互作用

在單一集成環(huán)境中，用戶可以從 PSIM 仿真無縫輕松地切換到 SPICE 仿真。由此產(chǎn)生的好處是很多的，PSIM 和 SPICE 的結(jié)合為您的所有設(shè)計(jì)需求提供了理想的環(huán)境。可以在 PSIM 中從概念的角度檢查電路，然后使用 SPICE 對其進(jìn)行開發(fā)和更徹底的研究。SPICE 模塊是 PSIM 的附加選項(xiàng)。如前所述，它允許以非常簡單的方式與 LTspice 進(jìn)行連接和交互。您只需要在 PSIM 環(huán)境中創(chuàng)建一個(gè)電路圖，然后按一個(gè)按鈕即可運(yùn)行 LTspice 仿真。通過這種方式，可以模擬其他制造商的組件。如圖 1所示，PSIM 仿真環(huán)境包括：

PSIM原理圖程序

兩個(gè)仿真引擎(PSIM 和 SPICE)

SIMVIEW波形處理程序，波形顯示和后處理模塊

圖 1：PSIM 的基本組成部分

內(nèi)置 C 編譯器的存在允許您插入和測試您自己的自定義 C 代碼。大量在線資源可讓您根據(jù)需要獲得幫助和建議。除了基本包之外，PSIM 還可以包括以下附加模塊：

數(shù)字控制模塊

混合動力汽車設(shè)計(jì)套件

磁耦合器模塊

MagCoupler-RT 模塊

ModCoupler5 模塊

電機(jī)控制設(shè)計(jì)套件

電機(jī)驅(qū)動模塊

SimCoupler 模塊

可再生能源模塊

SimCoder3 模塊

F2833x 目標(biāo)

F2803x 目標(biāo)

F2802x 目標(biāo)

F2806x 目標(biāo)

F2837x 目標(biāo)

PE-Expert4 目標(biāo)

PIL 模塊

散熱模塊

PSIM uses the numerical nodal analysis algorithm with trapezoidal integration. It is important to underline that PSIM solves all equations simultaneously and does not generate system-level matrices, as other simulators do. The latter can lead to convergence problems when there are many derivatives. PSIM, on the other hand, is based on the EMTP techniques for computational methods used for solving electromagnetic transients, developed by Dr. H. Dommel.

How to use the solar module

This model simulates the behavior of the sun with greater precision, as it works both on the intensity of light and the variation in temperature. The parameters involved in the calculations are numerous:

Number of cells

Standard light intensity

Reference temperatures

Series resistance of each solar cell

Shunt resistance of each solar cell

每個(gè)太陽能電池在參考溫度下的短路電流

每個(gè)太陽能電池的二極管在參考溫度下的飽和電流

每個(gè)太陽能電池的能帶能量

理想因子，也稱為發(fā)射系數(shù)

定義光強(qiáng)度如何影響太陽能電池溫度的Ks系數(shù)

為了清楚地了解 PSIM 是什么，我們可以在太陽能模塊上對其進(jìn)行測試。該模塊的物理模型包括光強(qiáng)度和環(huán)境溫度的變化。但是，它需要大量的輸入?yún)?shù)。一些參數(shù)可以從制造商的技術(shù)文檔中獲得，但其他參數(shù)必須通過反復(fù)試驗(yàn)獲得。因此，首先要進(jìn)行的操作是在制造商的技術(shù)表中輸入信息，如圖2所示。

圖 2：太陽能設(shè)備的數(shù)據(jù)必須在程序中上報(bào)。

然后估計(jì)參數(shù)Eg、A、Rsh和Ks的值。它們通常不會在技術(shù)表中報(bào)告。他們描述：

例如：帶能

A：理想因素

Rsh：分流電阻

Ks：系數(shù)

Eg帶能量的良好初始估計(jì)對于晶體硅可能是 1.12 eV，對于非晶硅約為 2 eV。理想因子的良好初始值對于晶體硅約為 2，而對于非晶硅則小于 2。分流電阻的推薦值為幾千歐姆。最后，如果未知，可以將Ks系數(shù)的初始值設(shè)置為0。在示例中，我們可以設(shè)置如下參數(shù)：

例如= 1.12

A = 1.2

Rsh = 1,000

KS = 0

基于此信息，程序通過單擊“計(jì)算參數(shù)”按鈕計(jì)算其他參數(shù)。您將獲得以下值：

盧比= 0.0108

Isc0 = 3.8

Is0 = 2.16E-8

Ct = 0.00247

請注意，所有計(jì)算均為近似值，僅提供基本值。用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng) IV 曲線。然后可以微調(diào)這些參數(shù)，提供光強(qiáng)度S和環(huán)境溫度Ta以獲得 IV 和 PV 曲線。此處還將計(jì)算最大功率點(diǎn)。如果我們定義S = 1,000 W/m 2和Ta = 25°C，則最大功率點(diǎn)等于：

Pmax = 59.27 瓦

Vmax = 16.73 V

Imax = 3.54 A

最大功率和電壓均低于數(shù)據(jù)表中的值 60 W 和 17.1 V。需要調(diào)整參數(shù)Eg、A、Rsh、Ks、Rs、Is0和Ct以獲得更好的擬合。在本例中，如果我們將串聯(lián)電阻 Rs 更改為 0.008 Ω，則計(jì)算數(shù)據(jù)將等于：

Pmax = 60.54 瓦

Vmax = 17.04 V

Imax = 3.55 A

更接近數(shù)據(jù)表的值。最終曲線如圖 3所示。

圖 3：太陽能組件計(jì)算

彼此相同的不同太陽能模塊通常串聯(lián)連接以形成太陽能陣列。太陽能模塊塊可用于對太陽能陣列進(jìn)行建模。圖 4顯示了兩個(gè)串聯(lián)的 Solarex MSX-60 太陽能模塊及其組合塊。組合塊模型的參數(shù)與單個(gè)太陽能組件相同，只是電池片數(shù)Ns為 2。當(dāng)多個(gè)組件串聯(lián)時(shí)，如果光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度，每個(gè)組件都需要一個(gè)旁路二極管輸入不同。此外，每個(gè)模塊都需要一個(gè) 30nF 的小型電容器來提高數(shù)值收斂性。

圖 4：串聯(lián)連接的兩個(gè)太陽能模塊

設(shè)計(jì)電源非常容易

PSIM 允許用戶在理想器件之間輕松切換到詳細(xì)的開關(guān)模型、真實(shí)熱器件和 SPICE 模型。這使您可以根據(jù)自己的仿真需求選擇合適的模型(參見圖 5)。在模擬方面，它是市場上最快的之一，即使對于極其復(fù)雜的項(xiàng)目也是如此。這意味著設(shè)備設(shè)計(jì)和測試與實(shí)際實(shí)施之間的時(shí)間最短。功率轉(zhuǎn)換器和控制系統(tǒng)的仿真，即使是非常大和復(fù)雜的系統(tǒng)，都可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成，因?yàn)檐浖菫檫@些活動而開發(fā)的。

電源轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是通過提供適合用戶負(fù)載的電壓和電流來控制電能的流動。最初，能量轉(zhuǎn)換是通過機(jī)電轉(zhuǎn)換器獲得的。今天，由于高性能半導(dǎo)體的存在，轉(zhuǎn)換是通過電路進(jìn)行的，無需機(jī)械元件的干預(yù)。由此產(chǎn)生的優(yōu)勢數(shù)不勝數(shù)：重量和體積大大降低，靜態(tài)和動態(tài)性能顯著提高。靜態(tài)轉(zhuǎn)換器由一組電氣元件組成，充當(dāng)兩個(gè)電源之間的適應(yīng)和轉(zhuǎn)換階段，通常在發(fā)電機(jī)和負(fù)載之間。

圖 5：降壓轉(zhuǎn)換器的示意圖示例

瞬態(tài)電壓電平準(zhǔn)確地顯示在仿真圖上，如圖 6所示。

圖 6：仿真圖

電機(jī)驅(qū)動模塊

這是基本 PSIM 程序的附加模塊。它為電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)研究提供機(jī)器模型和機(jī)械負(fù)載模型和電機(jī)(見圖 7)。它可以節(jié)省設(shè)計(jì)基于電力電子的復(fù)雜電機(jī)控制系統(tǒng)的時(shí)間。由于機(jī)器和控制器建模的復(fù)雜性，驅(qū)動系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)都是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。它包含常用的電機(jī)模型、機(jī)械負(fù)載和控制塊(例如 MTPA 和 FWControl)。也可以使用永磁同步電機(jī) (PMSM)、開關(guān)磁阻電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)和無刷電機(jī)。

圖 7：PSIM 提供不同類型的電機(jī)。

出于模擬目的，需要指定的一些重要參數(shù)包括以下信息：

Ra：電樞繞組電阻，單位為歐姆

La：電樞繞組電感，單位為亨利

Rf：繞組場電阻，單位為歐姆

Lf：繞組場的電感，單位為亨利

機(jī)器轉(zhuǎn)動慣量，kg × m 2

Vt：電樞端子的額定電壓，以伏特為單位

Ia：額定電樞電流，單位為安培

n：額定轉(zhuǎn)速，以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為單位

該模塊允許相對簡單的電機(jī)控制設(shè)計(jì)。給定系統(tǒng)的輸入規(guī)格，在高層次上，程序會自動設(shè)計(jì)所有必要的控制器。輸入每個(gè)模塊的參數(shù)后，可以根據(jù)運(yùn)行條件生成所有參數(shù)大小的電路，電路準(zhǔn)備好進(jìn)行仿真。通常，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)由直流母線、逆變器、電機(jī)、控制器和機(jī)械負(fù)載組成。

組件和組件

PSIM 包括任何電子的、虛擬的、理想的和真實(shí)的組件。提供的庫非常廣泛，可以通過 SPICE 模型無限擴(kuò)展。以下簡短列表(但并非詳盡無遺)是一個(gè)證明：電阻器、電感器、電容器、變阻器、可飽和電感器、三相 P-/Q 控制負(fù)載、三相交流電、電纜、非線性元件、二極管、發(fā)光二極管 (LED)、齊納二極管、雙向可控硅、晶閘管和 TRIAC、NPN 和 PNP 晶體管、理想 BJT、MOSFET、IGBT、GTO、雙向開關(guān)、門控模塊、預(yù)置開關(guān)模塊、二極管橋模塊、晶閘管橋模塊、逆變器模塊、 NPC 電橋模塊、變壓器、磁性元件、繞組、漏磁通路徑、氣隙、線性磁芯、可飽和磁芯、運(yùn)算放大器、分流穩(wěn)壓器、光耦合器、dV/dt 塊、繼電器、電機(jī)驅(qū)動模塊、

電池型號

需要特別注意的是用戶可以根據(jù)自己的需要選擇不同的電池型號(見圖8)。在這種情況下，可以選擇許多運(yùn)行參數(shù)以完美地遵循發(fā)電機(jī)的特性。

圖 8：電池模塊主要用于模擬鋰電池。

今天的電池管理是一個(gè)極其敏感的領(lǐng)域。蓄電池的使用，幾乎在任何技術(shù)分支中，都要求設(shè)計(jì)者和用戶最大限度地保護(hù)它們。主要目標(biāo)集中在優(yōu)化自主性和更長的電池壽命。

與這種類型的模擬并行，看看ION Energy 項(xiàng)目很有用，該項(xiàng)目旨在從設(shè)計(jì)到分銷創(chuàng)建高質(zhì)量的電池。ION Energy 的電池設(shè)計(jì)和生態(tài)系統(tǒng)專注于可定制和模塊化的方法，旨在設(shè)計(jì)特定用途的鋰離子 (Li-ion) 和 BMS 電池組(見圖 9)。根據(jù)鋰離子電池的應(yīng)用類型和要求，將仔細(xì)選擇正確的電池化學(xué)成分和最有效的材料，以實(shí)現(xiàn)最大效率。一旦選擇了理想的鋰離子電池，就必須評估對應(yīng)用的所有適應(yīng)性，以驗(yàn)證最大效率。鋰離子電池最重要的參數(shù)之一是溫度。對于高效和持久的電池，熱管理起著關(guān)鍵作用。因此，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)合適的冷卻系統(tǒng)。最后的步驟之一是電池的設(shè)計(jì)和機(jī)電組裝，通過適合最終應(yīng)用的合適外殼?！拔覀兊钠炫炿姵毓芾砗?a href="http://srfitnesspt.com/v/" target="_blank">智能平臺融合了嵌入式電子設(shè)備和數(shù)據(jù)分析，以提高鋰離子電池的壽命和性能，”聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Akhil Aryan 說。ION Energy 的高質(zhì)量軟件和模塊化硬件可確保故障安全操作和保護(hù)電池免受過充電、熱放電和過電流的影響。

“電池之間的退化率并不統(tǒng)一，”Aryan 說。“即使在同一個(gè)機(jī)架內(nèi)，不同的電池也可能因不同的運(yùn)行條件而以不同的速率退化。每個(gè)項(xiàng)目都有數(shù)千個(gè)包，因此可靠地發(fā)現(xiàn)問題并采取必要的措施變得很復(fù)雜。這就是數(shù)據(jù)分析和軟件被證明有用的地方——它可以監(jiān)控每個(gè)包裝并浮動優(yōu)先行動，從而在問題出現(xiàn)時(shí)及時(shí)采取行動，幫助維持安全操作和持久的電池。

“目前，Edison Analytics 的目標(biāo)是電網(wǎng)規(guī)模和公用事業(yè)規(guī)模的電池儲能系統(tǒng)，”他補(bǔ)充說?！拔覀兣c esVolta 的合作是迄今為止該領(lǐng)域最大的電池智能交易之一。今天的電池儲能產(chǎn)業(yè)是一個(gè)即將到來的空間，也是提高電網(wǎng)可靠性和效率的一項(xiàng)重要技術(shù)?！?/p>

到2022年，全球電池產(chǎn)能將超過400 GWh。因此，需要更智能的電池管理來實(shí)現(xiàn)可靠和高效的電池運(yùn)行。該公司基于軟件的方法結(jié)合了先進(jìn)的電子技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)軟件和人工智能。這是通過引入電子平臺即服務(wù) (PaaS) 模型來實(shí)現(xiàn)的，該模型可以優(yōu)化生產(chǎn)并節(jié)省相關(guān)成本。高性能電池的設(shè)計(jì)是ION Energy的強(qiáng)項(xiàng)?？赡艿膽?yīng)用包括輕型電動和混合動力汽車、摩托車、踏板車和三輪汽車。該系統(tǒng)不僅包括電池，還支持超級電容器。借助先進(jìn)的算法，該公司能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行充電狀態(tài) (SOC) 和健康狀態(tài) (SOH) 估計(jì)。除了傳統(tǒng)的過壓、欠壓、過流、過溫、欠溫保護(hù)措施外，公司還開發(fā)并實(shí)施了檢測電路和測試算法，防止故障，保障電池安全。但是一個(gè)簡單的保護(hù)電路是不夠的。電池是最終應(yīng)用的重要且昂貴的組件。因此，BMS配備了內(nèi)存來記錄每一秒的電池壽命。軟件平臺允許工程師訪問這些數(shù)據(jù)并提取信息以改進(jìn)電池和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。主要目標(biāo)是使電池盡可能長時(shí)間地使用。平均而言，鋰離子電池在其整體狀況開始惡化之前持續(xù)大約 800 到 1,000 次充電/放電循環(huán)。對于電動滑板車來說，這種自治相當(dāng)于覆蓋10000到15000公里，并不算多。使用從實(shí)施中收集的信息，可以在各種天氣條件下顯著增加此限制。獲得的所有知識都轉(zhuǎn)化為算法，以防止電池可能出現(xiàn)的劣化并延長其使用壽命。

具有保形形狀和多種功能的電池可以為機(jī)器人設(shè)備的設(shè)計(jì)提供新的自由度，如今這些設(shè)備已經(jīng)能夠執(zhí)行令人難以置信的壯舉。他們可以達(dá)到更高高度的一種方法是，如果他們的一些結(jié)構(gòu)材料將能量儲存增加一倍，就像動物體內(nèi)的脂肪一樣?？茖W(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)用一種多功能電池證明了這種方法，該電池使蝎形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)材料翻了一番。這項(xiàng)工作由密歇根大學(xué)的工程師進(jìn)行，他們正在研究廉價(jià)、無毒的鋅 (Zn) 電池為新一代機(jī)器人設(shè)備供電的潛力。

“我們在這些電池中使用了鋅空氣化學(xué)而不是典型的鋰離子電池，這使我們能夠在電池容量和充電率方面取得巨大的進(jìn)步，”密歇根大學(xué)的 Nick Kotov 教授說?！八膶?shí)施使我們能夠完全擺脫傳統(tǒng)的獨(dú)立電池，讓我們的細(xì)胞成為機(jī)器人‘器官’的一部分。這與生物體內(nèi)能量的儲存方式相同。因此，這些電池是生物形態(tài)的。使鋅空氣化學(xué)作用于可用于這種容量的電池的一個(gè)關(guān)鍵部分是強(qiáng)離子分離膜的化學(xué)設(shè)計(jì)，使這些電池能夠充電。在仿生分布式儲能系統(tǒng)中，膜的結(jié)構(gòu)也是使用 Nature 的模板設(shè)計(jì)的。

“鋰礦非常稀有，開采成本很高，”他補(bǔ)充道?！颁囯x子電池還需要使用易燃電解質(zhì)來增加功率。鋅空氣電池由富含地球的金屬制成。它們還可以存儲比經(jīng)典鋰離子電池多 3 倍的能量。最重要的是，使它們可充電的仿生納米纖維膜可以通過回收使用過的凱夫拉爾背心來批量生產(chǎn)，否則會導(dǎo)致塑料污染。”

新的存儲解決方案與強(qiáng)大的分析解決方案的重要性將使電力電子提供越來越多的新的最先進(jìn)的解決方案。

審核編輯：湯梓紅