張 濤 朱小平

（浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 311112）

當(dāng)今，新能源汽車已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，至2013年底，雷克薩斯的混合動(dòng)力汽車全球累計(jì)銷量突破50 萬輛，混合動(dòng)力汽車成為電動(dòng)汽車的先頭兵；零污染、零排放的純電動(dòng)汽車作為未來電動(dòng)汽車的發(fā)展方向，得到越來越多的研究、關(guān)注和政策支持，不久的將來，必將取得快速的增長[1]。動(dòng)力電池技術(shù)，作為新能源汽車的核心技術(shù)之一，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[2-3]；在動(dòng)力電池的開發(fā)、設(shè)計(jì)、管理、測試、生產(chǎn)、應(yīng)用過程中，離不開電池模擬系統(tǒng)；需要應(yīng)用先進(jìn)電力電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多路電池單元的模擬輸出，來調(diào)試、檢驗(yàn)電池應(yīng)用相關(guān)的技術(shù)和設(shè)備[4]。傳統(tǒng)的電池模擬單元具有功耗大、精度低、控制不靈活等缺點(diǎn)。

本文論述了一種基于直流-直流變換電路技術(shù)和線性穩(wěn)壓技術(shù)相結(jié)合的動(dòng)力電池模擬器，具有精度高、損耗小、輸出功率大、輸出單元隔離等優(yōu)點(diǎn)。

1 新型動(dòng)力電池模擬器架構(gòu)

目前應(yīng)用較多的動(dòng)力電池模擬器為電阻串聯(lián)分壓方式和線性穩(wěn)壓電源方式，電阻串聯(lián)方式應(yīng)用多個(gè)可調(diào)電阻串聯(lián)模擬電池電壓，調(diào)整電阻阻值改變每一串的電壓；這種方式結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但輸出精度很難控制，并且?guī)砗艽蟮哪芎?。線性穩(wěn)壓方式，應(yīng)用線性穩(wěn)壓電源模擬每一串電池的輸出，這種方式可以高精度的調(diào)整每一串的輸出，具有控制靈活、調(diào)整精度高的優(yōu)點(diǎn)，但線性穩(wěn)壓的一個(gè)限制就是輸出電流較小，難以做到較大的功率等級(jí)。隨著電動(dòng)汽車的市場推動(dòng)，動(dòng)力電池相關(guān)的電池管理等研究成為科研的熱點(diǎn)，具有高精度、大功率、靈活控制的動(dòng)力電池模擬器成為動(dòng)力電池開發(fā)研究的基本設(shè)備，克服上述問題的新型電池模擬器具有較高的研究價(jià)值[5-6]。

本文提供了一種基于開關(guān)電源和線性穩(wěn)壓新技術(shù)相結(jié)合的動(dòng)力電池模擬器架構(gòu)，使電池模擬器具有控制靈活、輸出精度高、輸出功率大的優(yōu)點(diǎn)?；炯軜?gòu)如圖1所示。

圖1 動(dòng)力電池模擬器架構(gòu)

本文論述的新型動(dòng)力電池模擬器采用直流-直流變換單元和線性穩(wěn)壓單元相結(jié)合的方式獲得電池模擬器需要的輸出電壓；前級(jí)通過隔離型直流-直流多路輸出變換電路獲得各個(gè)電池模擬單元的輸入，實(shí)現(xiàn)各個(gè)電池單元的隔離型獨(dú)立供電；通過直流-直流變換單元將電壓預(yù)調(diào)整到一個(gè)電壓范圍，以減小線性穩(wěn)壓單元的壓降；線性穩(wěn)壓單元通過線性穩(wěn)壓技術(shù)，可以高精度的調(diào)整輸出電壓，獲得電池模擬輸出。

2 隔離供電電路設(shè)計(jì)

隔離供電電路，主要是實(shí)現(xiàn)各個(gè)電池單元的供電，保持各個(gè)電池單元的電氣隔離，可以實(shí)現(xiàn)模擬電池單元的任意組合。根據(jù)試驗(yàn)檢測用電池模擬器不需要很大的功率輸出，本動(dòng)力電池模擬器供電采用反激式（FLYBACK）電路設(shè)計(jì)，應(yīng)用多繞組變壓器實(shí)現(xiàn)多組隔離輸出，具體電路如圖2所示。

圖2 多路輸出反激式變換電路

原邊MOSFET 的占空比為D，在較好的輸出交叉調(diào)整率先，則輸出電壓滿足

其中，n為變壓器各個(gè)副邊繞組匝數(shù)與原邊匝數(shù)的比值。通過這個(gè)電路電池模擬器各個(gè)單元獲得隔離的、獨(dú)立的供電。

3 預(yù)調(diào)壓電路設(shè)計(jì)

通過多路輸出隔離型變換器，每個(gè)電池單元獲得隔離型的供電電壓，為增加輸出功率、減輕線性穩(wěn)壓的輸出端的壓力，設(shè)計(jì)預(yù)調(diào)壓電路，使輸出電壓預(yù)調(diào)整到一個(gè)稍高于輸出設(shè)定電壓的范圍，以獲得預(yù)調(diào)壓的效果。預(yù)調(diào)壓電路采用降壓直流變換電路，通過調(diào)節(jié)主開關(guān)管的占空比，可以精細(xì)調(diào)整輸出電壓，具體電路如圖3所示。

圖3 預(yù)調(diào)壓直流變換電路

主開關(guān)管Q1 的占空比為D1，則輸出電壓Vp1和輸入電壓Vb1的關(guān)系如下：

二極管D1 在輸出電流較大時(shí)，會(huì)存在較大的反向恢復(fù)問題，輸出電壓的毛刺將顯著變大，輸出效率也將降低；為解決這一問題，選用具有快恢復(fù)特性的肖特基二極管代替D1。

4 線性穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

直流-直流預(yù)調(diào)壓電路為開關(guān)電源，輸出電壓具有較大的紋波；為進(jìn)一步降低紋波，精確調(diào)整模擬器的輸出電壓，需要設(shè)計(jì)線性穩(wěn)壓單元，線性穩(wěn)壓電路主要包括調(diào)整晶體管，誤差調(diào)整網(wǎng)絡(luò)以及電壓給定單元；具體電路如圖4所示。

圖4 線性穩(wěn)壓單元

給定電壓采用高精度DAC 芯片，通過通信方式給定每一路電池單元的設(shè)定值；晶體管采用PNP 型晶體管，通過誤差調(diào)整單元的輸出端控制晶體管的工作狀態(tài)，以達(dá)到調(diào)整電壓的效果；輸出電壓反饋到誤差調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)輸出電壓和給定電壓的誤差調(diào)整，控制晶體管的工作狀態(tài)，以獲得和給定電壓一致的輸出電壓。

5 輸出特性分析

采用開關(guān)電源的電池模擬器方案，輸出電壓的紋波和輸出功率成正比，當(dāng)輸出電流增加時(shí)，輸出電壓的紋波也在增加，輸出電壓的精度也會(huì)下降；因此，采用開關(guān)電源方式的電池模擬器只適合大功率的充電和放電特性模擬，難以達(dá)到精確控制的模擬要求。

采用線性穩(wěn)壓的電池模擬器方案，輸出電壓可以線性調(diào)整，可以獲得比較高的精度和很低的紋波特性；但線性穩(wěn)壓技術(shù)需要晶體管承擔(dān)較大的壓降，在輸入電壓為Vin，輸出電壓為Vo的系統(tǒng)中，輸出效率如下所述

而電池模擬器的基本性能是能有較寬的輸出電壓范圍，因此，采用線性穩(wěn)壓器技術(shù)的模擬器在輸出電壓較低時(shí)，輸出效率很低，能耗很大，難以做到較高功率輸出。

采用直流-直流變換單元和線性穩(wěn)壓單元相結(jié)合的方式獲得電池模擬器需要的輸出電壓，直流-直流變換器的輸出電壓預(yù)調(diào)整到接近于輸出電壓的一個(gè)值，這樣，線性穩(wěn)壓環(huán)節(jié)和效率很高，避免了損耗大的問題，可以提高輸出功率，另外線性穩(wěn)壓環(huán)節(jié)又有效的降低了開關(guān)電源輸出紋波，提高輸出精度，有利于輸出的功率提升。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)電路設(shè)計(jì)，制作實(shí)驗(yàn)用樣機(jī)，如圖5所示，本模塊一個(gè)PCB 板卡模擬兩路電池單元。

圖5 模擬器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

多路輸出隔離型變換器的工作波形如圖6所示。

圖6 隔離變換器Vds 波形

直流-直流預(yù)調(diào)壓系統(tǒng)的工作波形如圖7所示。

圖7 直流-直流變換器驅(qū)動(dòng)波形

線性穩(wěn)壓電路很好的降低了輸出紋波，如圖8、圖9所示。

圖8 預(yù)調(diào)壓輸出紋波

圖9 線性穩(wěn)壓后的輸出紋波

根據(jù)動(dòng)力鋰電池的輸出特性，本文設(shè)定輸出的電壓范圍為1.5～4.5V；設(shè)定值和輸出值的測量結(jié)果如表1所示。

表1 模擬單元設(shè)定值和輸出值的關(guān)系

通過分析，本實(shí)驗(yàn)樣機(jī)可以獲得較高精度，誤差小于0.1%。

7 結(jié)論

本文根據(jù)動(dòng)力電池模擬器的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)基于直流-直流變換器和線性穩(wěn)壓技術(shù)的電池模擬器；通過隔離型多路輸出變換器實(shí)現(xiàn)各個(gè)電池單元的隔離供電，通過直流-直流變換器實(shí)現(xiàn)輸出電壓的預(yù)調(diào)整，應(yīng)用線性穩(wěn)壓電路，降低輸出電壓紋波，提高了輸出電壓的精度，獲得理想的模擬效果，并通過實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)。

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