构建电子电池仿真器

摘要：本文介绍一种构建电子电池仿真器的方法。文中详细分析了为什么需要电池仿真器，如何选择实用电路，并对设计电子电池仿真器常见问题分析，最终得出电池仿真器可以精确调节电压的结论。

为什么需要电池仿真器
很多新产品都采用锂电池，因为这类电池有性能高、重量轻的特点。实际上，很多更加复杂的应用涉及到连接多节电池，以实现想要的电池组工作电压，这个电压常常为数百伏。如果让锂电池过度充电和过度放电，就会容易受到不利影响，所以这类串联电池组都会采用监视系统，记录每节电池的电位以避免此类问题。开发这些多节电池的电池组监视系统 (BMS) 需要采用一种便利方法的电路仿真法，以测试控制和保护算法的有效性。理想情况下，激励源将是实际的电池，不过随后通过改变电荷状态 (SoC) 以触发 BMS 中的不同功能动作则变成了一件冗长繁琐的事情。还有一种办法是频繁使用多个实验室电源，但这是一种非常昂贵的解决方案。因此对于简单的功能测试而言，常常仅通过偏置电阻串提供基本的电池仿真。电阻串受到明显限制，因为电阻串呈现相当大的源阻抗，因此给系统引入了不代表真实电池的人为分量。即使采用专有电源，如果接受测试的系统包括主动电池平衡，那么电源也必须顾及虚假充电电流 (即电流反向) 问题。最重要的是，人们希望有办法获得多种多样的紧凑型电池仿真器，以简便地在实验室测试 BMS 功能。拥有电池仿真器的另一个有用方面是此类物品很容易通过空运的方式运送到远离实验室的地方进行操作，反之则常常不得不利用水运来装运实际的锂离子电池组。

选择实用电路
我们需要的主要特点是低源阻抗和两象限工作 (正电压但双向电流，所以我们可以仿真放电和充电方向)。我们还需要隔离各种电池仿真器，以便他们可以串联连接，就像真实的电池组一样。后一个要求表明，需要使用变压器，以及为了实现紧凑性而需要使用开关型架构。有一种开关拓扑既提供隔离，又提供两象限工作，这种拓扑就是同步反激式转换器。


在一个被用作升压器的简单反激式转换器中，一个低压侧开关以一个设定了输出部分之输出电流的占空比来运作，如图 1 所示。整流器二极管以这种理想化的形式在开关关闭期间导通，并允许输出电流在磁能转移到输出电容器的过程中以单向的方式于传感器中流动。在调节时，开关经受一个高于 12V 电源的反激式峰值电压 dV，在多数设计中 dV 与电源电压近似。
为了隔离转换器，本文用一个变压器取代电感器 (如图 2 所示)，以使输出出现在变压器副端。尽管输出现在已经隔离了，但是磁性能量传送过程是与使用电感器时完全相同。选择变压器匝数比 N，以用想要的特定输入和输出电压优化运行。在这里，开关再一次经受高于 12V 电源电压的反激峰值电压 dV。但是，这个电路无法防止输出电压被一个外部电流强制到高于设定点 (这个电路仅支持一个工作象限)。


一种同步版本也已开发出来，这时用另一个开关取代整流器，如图 3 所示。该电路既由于开关消耗的功率低于正向导通的二极管而提高了效率，又由于现在电路是对称而产生了第二个工作象限。这个电路在副端可以接受反向电流，这导致主端绕组反击电流回到主电源中，因此输出将保持在设定点，即使存在强制反向输出电流。我们必需认识到这样的可能性，即：如果仿真电池被重度地“充电”(电流流入正输出电压)，则用于电路的电源其本身有可能经受一个反向电流。既然输出全部隔离了，那么电源供电可以在任何数量的电路之间均分，以便单个大容量电源可以便利地为整个阵列供电。这样的阵列连接还纳入了寄生电路损耗，因此电源在正常使用方式时不可能经受反向电流 (即是只要净“充电”量 < 总的工作损耗)。

考察细节
一种非常适合实现这种转换器功能的 IC 是凌力尔特的 LT3837。这个电路的典型应用是从较高电压的大容量电源轨提供类似电池的、电流为几安培的低电压。对于电池仿真器功能而言，唯一的差别是本文设计希望获得一个可调的输出电压。由于总体解决方案的高功率整体电源可提供 12V 电压，因此本文设计可通过优化设计将此用作一个电源。考虑到锂离子电池化学组成的电压范围从略低于 2V 到稍高于 4V，可以建立一个对应的微调范围，从而提供通用的用法以及仿真众多 SoC 状态的能力。


图4显示了一个阵列的一部分，该图提供了所有细节信息。为了提供电压调节，反馈网络支持一个运放控制信号，以使 0V 代表大约 4.2V 输出，而 3V 则控制约 1.9V 输出。为了实现良好的用户控制，通过配置使每个电池电路具备了一种“游标”微调能力，然后利用粗调和细调对一个阵列组进行群控制 (主控器调节信号 MCTL 可连接至几个转换器部分)。对于所示的数值，输出电压群粗调精度约为 ±0.9V，群细调精度约为 ±0.15V，而电池“游标”微调精度则为 ±0.1V 左右，因此总体而言实现了期望的最大范围 (为了提供微调，牺牲了至满限值的电池交叉控制能力)。所有的控制电路均由从 12V 整体电源获得的 3.3V 来供电。对于计算机化的电压控制，可利用 16 通道 LTC2668 等 DAC 来取代运放信号。Q101 和 T100 是主要的反激式元件，Q102 是同步整流器。为了实现 Q102 的快速和隔离式控制，栅极由 T101 通过电流缓冲器 Q103 和 Q104 来驱动。反馈利用 T100 中的一个辅助绕组来调节。输出端包括一个 10m 串联电阻器，以便通过至电压表的开尔文连接 (通过使用信号 I+ 和 I-) 进行电流检测测量。该电路的总输出阻抗大约为 25m ，提供坚固的 ±6A 电流能力。静态损耗约为每节电池 1W，因此对于一个由 24 节电池组成的阵列，12V 电源反向的可能性是最小的，而且功率大小得到了很好的调节，适用于 TDK-Lambda SWS300-12 等现成有售的 12V/300W 电源。
结论
构建电池仿真器是一种提供高密度和易于运输之 BMS 开发工具的实用性解决方案。一个 24V 电池仿真器可连同一个 12V 整体电源包装在一个 2RU 架装式机箱中，并提供可精确调节的电压 (在 1.9V 至 4.2V 的范围内) 和 ±6A 电流能力。