構建電子電池仿真器

摘要：本文解析一種構建電子電池仿真器的辦法。文中具體分解了為甚么要電池仿真器，要怎么樣選擇實用電路，并對設計電子電池仿真器常見問題分解，最終得出電池仿真器可以精確調節電壓的結論。

為甚么要電池仿真器?

很多新產品都采用鋰電池，因為這類電池有性能高、重量輕的特點。實際上，很多更加復雜的使用涉及到連接多節電池，以實現想要的電池包工作電壓，這個電壓經常為數百伏。倘若讓鋰電池過度充電和過度放電，就會容易受到不利影響，所以這類串聯電池包都會采用監視系統，記錄每節電池的電位以戒備此類問題。開發這些多節電池的電池包監視系統(BMS)要采用一種便利辦法的電路仿真法，以探測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(SoC)以觸發BMS中的不同功能動作則變成了一件冗長繁瑣的事情。還有一種方法是頻繁使用多個試驗室電源，但這是一種非常昂貴的處理辦法。因此關于簡單的功能探測而言，經常僅通過偏置電阻串供應基本的電池仿真。電阻串受到分明限制，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切電池的人為分量。即使采用專有電源，倘若接受探測的系統包括主動電池平衡，那么電源也非得顧及虛假充電電流(即電流反向)問題。最緊要的是，人們希望有方法獲得多種多樣的緊湊型電池仿真器，以簡便地在試驗室探測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試驗室的地方進行操作，反之則經常不得不利用水運來裝運實際的鋰電池包。

選擇實用電路

我們要的緊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)。我們還要隔離各種電池仿真器，以便他們可以串聯連接，就像真切的電池包相同。后一個要求聲明，要使用變壓器，以及為了實現緊湊性而要使用開關型架構。有一種開關拓撲既供應隔離，又供應兩象限工作，這種拓撲就是同步反激式轉換器。

在一個被用作升壓器的簡單反激式轉換器中，一個低壓側開關以一個設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封閉期間導通，并準許輸出電流在磁能轉移到輸出電容器的過程中以單向的方式于傳感器中流動。在調節時，開關經受一個高于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，本文用一個變壓器取代電感器(如圖2所示)，以使輸出出今朝變壓器副端。盡管輸出今朝已經隔離了，但是磁性能量傳送過程是與使用電感器時完全相同。選擇變壓器匝數比N，以用想要的特定輸入和輸出電壓優化運行。在這里，開關再一次經受高于12V電源電壓的反激峰值電壓dV。但是，這個電路無法戒備輸出電壓被一個外部電流強制到高于設定點(這個電路僅支持一個工作象限)。

一種同步版本也已開發出來，這時用另一個開關取代整流器，如圖3所示。該電路既由于開關消耗的功率低于正向導通的二極管而提高了效率，又由于今朝電路是對稱而出現了第二個工作象限。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：倘若仿真電池被重度地“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

一種非常適合實現這種轉換器功能的IC是凌力爾特的LT3837。這個電路的典型使用是從較高電壓的大容量電源軌供應類似電池的、電流為幾安培的低電壓。關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可調的輸出電壓。由于總體處理辦法的高功率整體電源可供應12V電壓，因此本文設計可通過優化設計將此用作一個電源。考慮到鋰電池化學組成的電壓范圍從略低于2V到稍高于4V，可以建立一個對應的微調范圍，從而供應通用的用法以及仿真眾多SoC狀態的能力。

圖4顯示了一個陣列的一部分，該圖供應了所有細節信息。為了供應電壓調節，反饋網絡支持一個運放控制信號，以使0V代表約莫4.2V輸出，而3V則控制約1.9V輸出。為了實現良好的用戶控制，通過配置使每個電池電路具備了一種“游標”微調能力，然后利用粗調和細調對一個陣列組進行群控制(主控器調節信號MCTL可連接至幾個轉換器部分)。關于所示的數值，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，因此總體而言實現了期待的最大范圍(為了供應微調，犧牲了至滿限值的電池交織控制能力)。所有的控制電路均由從12V整體電源獲得的3.3V來供電。關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是緊要的反激式元件，Q102是同步整流器。為了實現Q102的快速和隔離式控制，柵極由T101通過電流緩沖器Q103和Q104來驅動。反饋利用T100中的一個輔助繞組來調節。輸出端包括一個10m?串聯電阻器，以便通過至電壓表的開爾文連接(通過使用信號I+和I-)進行電流測試測量。該電路的總輸出阻抗約莫為25m?，供應堅固的±6A電流能力。靜態損耗約為每節電池1W，因此關于一個由24節電池包成的陣列，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-LambdaSWS300-12等現成有售的12V/300W電源。

結論

構建電池仿真器是一種供應高密度和易于運輸之BMS開發工具的實用性處理辦法。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，并供應可精確調節的電壓(在1.9V至4.2V的范圍內)和±6A電流能力。

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