如何設(shè)計(jì)高精度電池模擬器

本文主要是關(guān)于電池模擬器的相關(guān)介紹，并著重對(duì)電池模擬器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳盡的闡述。

電池模擬器

電池模擬器是專門為新能源電動(dòng)汽車行業(yè)的電機(jī)控制器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，整車測(cè)試實(shí)驗(yàn)研發(fā)的，用于取代動(dòng)力電池的設(shè)備?；仞侂娋W(wǎng)是指：采用先進(jìn)的IGBT器件和相幅控制PWM算法，可用于提高變頻器的減速制動(dòng)能力，同時(shí)將電機(jī)在制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生并輸入到變頻器的能量回饋到電網(wǎng)，從而在滿足變頻器有效制動(dòng)的同時(shí)，能把95%以上的再生電能回收利用。我知道一款電池（電容）以下是介紹希望能幫助到您！一、產(chǎn)品介紹銀河天濤TES系列電池（電容）模擬器是一款高功率因數(shù)高精度可編程的IGBT式電池（電容）模擬器。采用全數(shù)字控制，控制精度高、響應(yīng)速度快、輸出調(diào)節(jié)范圍廣。具有動(dòng)力電池模擬、精密供饋電雙重功能，廣泛適用于電池組充放電測(cè)試、充電樁測(cè)試，電動(dòng)汽車電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力總成測(cè)試等領(lǐng)域。

系統(tǒng)采用AC-DC、DC-DC雙向變換兩級(jí)架構(gòu)，能有效的平穩(wěn)母線電壓在突加突卸負(fù)載時(shí)的波動(dòng)，從而提高整機(jī)輸出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。AC-DC雙向變換采用四象限SPWM整流技術(shù)，能量雙向流動(dòng)，功率因素高達(dá)99%以上，并網(wǎng)諧波污染小。DC-DC雙向變換采用高頻電路，輸出響應(yīng)快，精度高?？梢愿鶕?jù)用戶需要全面模擬各種電池組的伏安特性，靈活測(cè)試各種電池組供電設(shè)備。

二、產(chǎn)品特點(diǎn)

1）采用DSP+ARM數(shù)字控制芯片，全數(shù)字化控制2）采用AC-DC雙向、DC-DC雙向兩級(jí)變換，IGBT功率器件，技術(shù)可靠先進(jìn)3）采用高效工頻隔離變壓器，直流側(cè)輸出與交流側(cè)電網(wǎng)相互隔離4）直流側(cè)電壓范圍寬，適應(yīng)多種電壓范圍電池系統(tǒng)測(cè)試5）自帶耗能保護(hù)單元，當(dāng)回饋能量大時(shí)，自動(dòng)投切到耗能模塊，保證了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定6）四象限控制，輸入功率因數(shù)高，額定功率下可達(dá)0.99以上，對(duì)電網(wǎng)無(wú)諧波污染7）放電能量純正弦波回饋電網(wǎng)，電流諧波《3%（額定功率），回收效率90%以上8）具有電池反接、過(guò)功率、過(guò)流短路、過(guò)溫、電網(wǎng)斷電（孤島）、電網(wǎng)過(guò)欠壓、電網(wǎng)過(guò)欠頻等故障保護(hù)及告警功能9）支持掉電數(shù)據(jù)保護(hù)和測(cè)試接續(xù)功能10）配備功能齊全的上位機(jī)軟件，操作簡(jiǎn)單，具有編程測(cè)試、工況模擬、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)曲線處理等功能，極大方便用戶操作11）協(xié)議開(kāi)放，支持第三方指令控制選型及應(yīng)用01、TES系列電池（電容）模擬器具有兩大基本功能直流電源輸出功能

●具有恒壓、恒壓限流、恒功率多種輸出模式

●直流雙向流動(dòng)，支持電機(jī)測(cè)試能量反灌

●支持編程測(cè)試輸出電池模擬功能

●電池充電特性模擬功能

●電池放電特性模擬功能

●電池SOC特性模擬功能

●電池內(nèi)阻、溫度特性模擬功能02、TES系列電池（電容）模擬器適用于以下場(chǎng)合

●電動(dòng)汽車電機(jī)、控制器測(cè)試;電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力總承系統(tǒng)測(cè)試

●特種電動(dòng)車輛電機(jī)、控制器測(cè)試

●特種電動(dòng)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力總承系統(tǒng)測(cè)試

●船艦電傳動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試

●電機(jī)系統(tǒng)測(cè)試

●充電機(jī)、充電樁測(cè)試

●儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器測(cè)試

●電池組、電池包充放電測(cè)試;電容、超級(jí)電容充放電測(cè)試

●UPS、EPS系統(tǒng)測(cè)試

●直流屏系統(tǒng)測(cè)試

●替代普通直流電源作為測(cè)試電源

●替代真實(shí)電池供電測(cè)試TES系列電池

如何設(shè)計(jì)高精度電池模擬器

隨著鋰電池的快速發(fā)展，鋰電池模擬器開(kāi)始被研究人員提出，并進(jìn)行了深入的研究。模擬鋰電池不同的特性，比如放電電流大小不同、容量不同，鋰電池模擬器方案就會(huì)有所改變。目前，鋰電池模擬器中現(xiàn)有兩種方案，一種是數(shù)字電壓源結(jié)構(gòu)模擬方案和三相電壓型脈沖寬度調(diào)整變換結(jié)構(gòu)模擬方案。因?yàn)殇囯姵氐膭?dòng)態(tài)響應(yīng)特性要求較高，不可以使用普通的直流電源所替代。為實(shí)現(xiàn)鋰電池模擬器中的輸出電壓能夠精確控制，同時(shí)具有較快的響應(yīng)速度，文平采用具有與眾不同的適應(yīng)性與靈活性的數(shù)字電壓源結(jié)構(gòu)模擬方案。此結(jié)構(gòu)的主電路中重要器件包括控制器、轉(zhuǎn)換器、功率放大器。設(shè)計(jì)出的鋰電池模擬器能夠完成電池模擬，其動(dòng)態(tài)特性能滿足對(duì)電池的要求。為實(shí)現(xiàn)高精度，低誤差，在階躍、負(fù)載變化等暫態(tài)過(guò)程中能夠快速響應(yīng)，同時(shí)還能提供大功率的電池模擬，謝俊文和趙軒等選取三相電壓型 脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）變換結(jié)構(gòu)模擬方案。

數(shù)字電壓源結(jié)構(gòu)模擬方案使用了當(dāng)前很流行的控制器策略，但對(duì)于鋰電池來(lái)講，電池放電只是其工作的一部分，還有一部分的工作是充電。運(yùn)用此方案無(wú)法實(shí)現(xiàn)電池充電模擬。三相電壓型PWM變換結(jié)構(gòu)模擬方案主要針對(duì)的是三相交流電提供電能的大容量?jī)?chǔ)能電池的模擬，一般使用于電站、充電樁等，但對(duì)于小功率電池的模擬，并不適用。在針對(duì)便攜式設(shè)備（智能手機(jī)）的鋰電池模擬時(shí)，此類電池是屬于小功率電池，要求電能質(zhì)量高，為實(shí)現(xiàn)充放電特性，以上兩種方案都不適合。因此本文提出了一種功放型推挽式線性結(jié)構(gòu)模擬方案。

系統(tǒng)原理

功放型推挽式線性結(jié)構(gòu)模擬方案如圖1所示，輔助電源未畫出，其主要作用是為各類芯片供電。該結(jié)構(gòu)方案主要包括充電回路和放電回路。放電回路包括電壓控制電路、檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路和調(diào)整管T1；充電回路包括電流控制電路、檢測(cè)電阻、檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路和調(diào)整管T2。充放電功能是兩種工作模式，并不是并行同時(shí)工作，而是單獨(dú)工作。推挽式結(jié)構(gòu)的作用是可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)充放電功能。其中調(diào)整管是工作在線性狀態(tài)，并非開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

電路設(shè)計(jì)

1 疊加電路

主電路選用不同溝道的增強(qiáng)型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semicon-

ductor Field-Effect Transistor，MOSFET）作為調(diào)整管，因?yàn)槠淇梢猿惺茌^大的電壓和電流。

主電路是采用B類推挽式功率放大電路的結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)鋰電池的充電和放電兩種功能。當(dāng)鋰電池模擬器工作在放電回路時(shí)，即輸出外接便攜式設(shè)備，作為供電電源時(shí)，N溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q1工作在線性區(qū)，P溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q2關(guān)斷。當(dāng)鋰電池模擬器工作在充電回路時(shí)，即輸出外接直流電源，N溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q1關(guān)斷，P溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q2工作在線性區(qū)。

MOSFET的驅(qū)動(dòng)器使用的是LT1166芯片。它是一種用于在大功率放大器中控制AB類輸出電流的偏置生成系統(tǒng)芯片。LT1166非常適合驅(qū)動(dòng)功率MOSFET器件，因?yàn)樗怂徐o態(tài)電流調(diào)整和臨界晶體管匹配，同時(shí)消除了靜態(tài)點(diǎn)的熱失控，因?yàn)槠孟到y(tǒng)通過(guò)使用小阻值的電阻器檢測(cè)每個(gè)功率晶體管中的電流。高速調(diào)節(jié)器回路控制施加到每個(gè)功率器件的驅(qū)動(dòng)量。

2 采樣電路

電壓采樣電路使用的是差分電路，如圖3所示。差分電路端接負(fù)載兩端，測(cè)量的是負(fù)載兩端的電壓值。電流采樣電路稍微有些不同，放大倍數(shù)不同，同時(shí)測(cè)量的是檢測(cè)電阻兩端的電壓值。

3 電壓控制電路

電壓控制電路主要包括電壓設(shè)定電路和誤差放大器電路。

電壓基準(zhǔn)設(shè)定如圖4所示，選擇的是ADR系列的芯片，這類芯片是精密類電壓基準(zhǔn)，選擇的是ADR02，輸入7～40 V，穩(wěn)定輸出是5 V。后通過(guò)三端電阻分壓，方便調(diào)節(jié)輸出設(shè)定值，后連接電壓跟隨器，最后接反相比例放大器。改變可調(diào)電阻R21的阻值大小，可以實(shí)現(xiàn)輸出設(shè)定值-5 V～0 V。輔助電源接入ADR芯片的輸入端。選擇ADR02芯片的原因是隨溫度變化電壓變化較小，輸入電壓范圍寬，輸出電壓精確，誤差較低。電流基準(zhǔn)設(shè)定和電壓稍微有些不同，選擇的是ADR01，穩(wěn)定輸出是10 V，最后輸出設(shè)定值為-10 V～0 V。

因?yàn)楦呔鹊倪\(yùn)放具有高輸入阻抗，對(duì)差分輸入信號(hào)的增益很大，流入運(yùn)放的電流為零。由基爾霍夫第一定律，采樣值Vc和輸出設(shè)定值Vs之間的誤差值Ve通過(guò)計(jì)算可以得到式（1）、式（2）。

通過(guò)式（3），因?yàn)椴蓸又禐檎?，輸出設(shè)定值為負(fù)值，其與采樣值之和，得到了兩者的差值。如果差值不為0，差值的大小將會(huì)改變后級(jí)誤差放大器的輸出，進(jìn)而改變調(diào)整管的柵極電壓，最后實(shí)現(xiàn)輸出電壓值與輸出設(shè)定值大小一致，符號(hào)相反。

4 PID調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

在不加任何調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)時(shí)，誤差放大器的增益非常高。無(wú)內(nèi)部補(bǔ)償?shù)幕蛲獠垦a(bǔ)償?shù)恼`差放大器在沒(méi)加上外部穩(wěn)定元件時(shí)都是不穩(wěn)定的。在補(bǔ)償電路的選擇中，選用積分環(huán)節(jié)時(shí)，即R3和C1串聯(lián)。電路在負(fù)載大小變化時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，波動(dòng)幅度較大。電壓設(shè)定值是接入反相電路之前的電壓值，其符號(hào)為正。電壓設(shè)定大小為5 V時(shí)，當(dāng)負(fù)載阻值在設(shè)定時(shí)間內(nèi)從1 kΩ切換到10 Ω時(shí)，運(yùn)用LTspice軟件仿真輸出電壓結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出電壓從5 V降低到了3.7 V，這樣的壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鋰電池的壓降要求，電壓穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)。

通過(guò)修正，最終選擇的是Type II型補(bǔ)償電路，即在比例積分電路基礎(chǔ)上并聯(lián)上C2，如圖7所示。其電路補(bǔ)償特點(diǎn)是產(chǎn)生一個(gè)初始極點(diǎn)，一個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)。輸出電壓便有了較優(yōu)的改善。

運(yùn)用LTspice軟件仿真電路，電壓設(shè)定值大小為5 V，負(fù)載大小從1 kΩ切換到10 Ω時(shí)，輸出電壓仿真結(jié)果如圖8所示。電壓從5 V降低到了4.9 V，電壓降低幅度明顯減小，且消除了過(guò)沖過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)物中的電壓設(shè)定值為5 V時(shí)，空載時(shí)，電壓上升瞬間和電壓下降瞬間的響應(yīng)時(shí)間如圖9所示。

實(shí)物中的設(shè)定電壓值為4 V時(shí)，負(fù)載接入4 Ω電阻時(shí)，輸出電流大小為1 A，電壓上升和下降時(shí)的響應(yīng)時(shí)間如圖10所示。

通過(guò)圖9和圖10對(duì)比可以看到，空載和帶載時(shí)負(fù)載端電壓上升和下降時(shí)的響應(yīng)時(shí)間基本一致，均在50 μs以內(nèi)，輸出電壓響應(yīng)速度不受負(fù)載阻值大小的影響。

設(shè)計(jì)的高速電源實(shí)物模擬電池進(jìn)行放電輸出時(shí)，電壓采樣倍數(shù)為1倍，輸出電壓結(jié)果如表1所示。接入反相電路之前的電壓值作為設(shè)定值，其符號(hào)為正。設(shè)定值與電壓實(shí)際輸出值相差極小，滿足了高精度的要求。

采樣檢測(cè)電阻為0.04 Ω，采樣倍數(shù)為100倍，外接5 V電源。接入反相電路之前的電壓值作為設(shè)定值，其符號(hào)為正。采樣電阻上的實(shí)測(cè)電壓值和設(shè)定值相差極小，同時(shí)也滿足了高精度的要求。

電池模擬器設(shè)計(jì)驗(yàn)證

電池供電設(shè)備在使用電池進(jìn)行供電時(shí)，主要依靠電源控制單元（PMIC/PMU）控制電池的工作狀態(tài)，決定合理的充放電機(jī)制，以及電池保護(hù)機(jī)制。防止出現(xiàn)對(duì)電池的過(guò)充點(diǎn)或者過(guò)放電，損害電池壽命。PMU功能測(cè)試中，需要驗(yàn)證在不同電池狀態(tài)下， PMU的控制機(jī)制是否正常，能否正常為各個(gè)模塊供電，并正確處理充電，放電條件，以及正確實(shí)施保護(hù)措施。

電池模擬器的作用是取代現(xiàn)有的電池，模擬真實(shí)電池的輸出狀態(tài)和電池的充放電特性，并可以按用戶的需要，隨時(shí)改變電池SOC，放電深度，開(kāi)路電壓，內(nèi)阻等條件，快速驗(yàn)證待測(cè)設(shè)備在不同電池條件下的響應(yīng)。

結(jié)語(yǔ)

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