基于直流-直流變換器的高精度電池模擬器設計

張 濤 朱小平

（浙江交通職業(yè)技術學院，杭州 311112）

當今，新能源汽車已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，至2013年底，雷克薩斯的混合動力汽車全球累計銷量突破50 萬輛，混合動力汽車成為電動汽車的先頭兵；零污染、零排放的純電動汽車作為未來電動汽車的發(fā)展方向，得到越來越多的研究、關注和政策支持，不久的將來，必將取得快速的增長[1]。動力電池技術，作為新能源汽車的核心技術之一，成為當前研究的熱點[2-3]；在動力電池的開發(fā)、設計、管理、測試、生產(chǎn)、應用過程中，離不開電池模擬系統(tǒng)；需要應用先進電力電子技術，實現(xiàn)多路電池單元的模擬輸出，來調(diào)試、檢驗電池應用相關的技術和設備[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。

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

1 新型動力電池模擬器架構

目前應用較多的動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)方式應用多個可調(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)構簡單，成本較低，但輸出精度很難控制，并且?guī)砗艽蟮哪芎摹＞€性穩(wěn)壓方式，應用線性穩(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，但線性穩(wěn)壓的一個限制就是輸出電流較小，難以做到較大的功率等級。隨著電動汽車的市場推動，動力電池相關的電池管理等研究成為科研的熱點，具有高精度、大功率、靈活控制的動力電池模擬器成為動力電池開發(fā)研究的基本設備，克服上述問題的新型電池模擬器具有較高的研究價值[5-6]。

本文提供了一種基于開關電源和線性穩(wěn)壓新技術相結(jié)合的動力電池模擬器架構，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?；炯軜嬋鐖D1所示。

圖1 動力電池模擬器架構

本文論述的新型動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；前級通過隔離型直流-直流多路輸出變換電路獲得各個電池模擬單元的輸入，實現(xiàn)各個電池單元的隔離型獨立供電；通過直流-直流變換單元將電壓預調(diào)整到一個電壓范圍，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，可以高精度的調(diào)整輸出電壓，獲得電池模擬輸出。

2 隔離供電電路設計

隔離供電電路，主要是實現(xiàn)各個電池單元的供電，保持各個電池單元的電氣隔離，可以實現(xiàn)模擬電池單元的任意組合。根據(jù)試驗檢測用電池模擬器不需要很大的功率輸出，本動力電池模擬器供電采用反激式（FLYBACK）電路設計，應用多繞組變壓器實現(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為變壓器各個副邊繞組匝數(shù)與原邊匝數(shù)的比值。通過這個電路電池模擬器各個單元獲得隔離的、獨立的供電。

3 預調(diào)壓電路設計

通過多路輸出隔離型變換器，每個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，設計預調(diào)壓電路，使輸出電壓預調(diào)整到一個稍高于輸出設定電壓的范圍，以獲得預調(diào)壓的效果。預調(diào)壓電路采用降壓直流變換電路，通過調(diào)節(jié)主開關管的占空比，可以精細調(diào)整輸出電壓，具體電路如圖3所示。

圖3 預調(diào)壓直流變換電路

主開關管Q1 的占空比為D1，則輸出電壓Vp1和輸入電壓Vb1的關系如下：

二極管D1 在輸出電流較大時，會存在較大的反向恢復問題，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，選用具有快恢復特性的肖特基二極管代替D1。

4 線性穩(wěn)壓電路設計

直流-直流預調(diào)壓電路為開關電源，輸出電壓具有較大的紋波；為進一步降低紋波，精確調(diào)整模擬器的輸出電壓，需要設計線性穩(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)，以達到調(diào)整電壓的效果；輸出電壓反饋到誤差調(diào)整網(wǎng)絡，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，當輸出電流增加時，輸出電壓的紋波也在增加，輸出電壓的精度也會下降；因此，采用開關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)壓技術需要晶體管承擔較大的壓降，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)壓器技術的模擬器在輸出電壓較低時，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調(diào)整到接近于輸出電壓的一個值，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電源輸出紋波，提高輸出精度，有利于輸出的功率提升。

6 實驗結(jié)果

根據(jù)電路設計，制作實驗用樣機，如圖5所示，本模塊一個PCB 板卡模擬兩路電池單元。

圖5 模擬器實驗樣機

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 預調(diào)壓輸出紋波

圖9 線性穩(wěn)壓后的輸出紋波

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

表1 模擬單元設定值和輸出值的關系

通過分析，本實驗樣機可以獲得較高精度，誤差小于0.1%。

7 結(jié)論

本文根據(jù)動力電池模擬器的技術要求，設計基于直流-直流變換器和線性穩(wěn)壓技術的電池模擬器；通過隔離型多路輸出變換器實現(xiàn)各個電池單元的隔離供電，通過直流-直流變換器實現(xiàn)輸出電壓的預調(diào)整，應用線性穩(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，并通過實驗測試，驗證了設計。

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