關(guān)于用于鋰電池模擬的高速電源設(shè)計

0 引言

隨著鋰電池的快速發(fā)展，鋰電池模擬器開始被研究人員提出，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。因為鋰電池的動態(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。為實現(xiàn)鋰電池模擬器中的輸出電壓能夠精確控制，同時具有較快的響應(yīng)速度，文平[1]采用具有與眾不同的適應(yīng)性與靈活性的數(shù)字電壓源[2]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)計出的鋰電池模擬器能夠完成電池模擬，其動態(tài)特性能滿足對電池的要求。為實現(xiàn)高精度，低誤差，在階躍、負(fù)載變化等暫態(tài)過程中能夠快速響應(yīng)，同時還能提供大功率的電池模擬，謝俊文和趙軒等[3，4]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，但對于鋰電池來講，電池放電只是其工作的一部分，還有一部分的工作是充電。運用此方案無法實現(xiàn)電池充電模擬。三相電壓型PWM變換結(jié)構(gòu)模擬方案主要針對的是三相交流電提供電能的大容量儲能電池的模擬，一般使用于電站、充電樁等，但對于小功率電池的模擬，并不適用。在針對便攜式設(shè)備（智能手機(jī)）的鋰電池模擬時，此類電池是屬于小功率電池，要求電能質(zhì)量高，為實現(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。

1 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、檢測電路、驅(qū)動電路和調(diào)整管T1；充電回路包括電流控制電路、檢測電阻、檢測電路、驅(qū)動電路和調(diào)整管T2。充放電功能是兩種工作模式，并不是并行同時工作，而是單獨工作。推挽式結(jié)構(gòu)[5]的作用是可以實現(xiàn)能量的雙向流動，從而實現(xiàn)充放電功能。其中調(diào)整管是工作在線性狀態(tài)[6]，并非開關(guān)狀態(tài)[7，8]。

2 電路設(shè)計

2.1 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)體場效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semicon-

ductor Field-Effect Transistor，MOSFET）作為調(diào)整管，因為其可以承受較大的電壓和電流。主電路如圖2所示。

主電路是采用B類推挽式功率放大電路的結(jié)構(gòu)。這個結(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，即輸出外接便攜式設(shè)備，作為供電電源時，N溝道場效應(yīng)管Q1工作在線性區(qū)，P溝道場效應(yīng)管Q2關(guān)斷。當(dāng)鋰電池模擬器工作在充電回路時，即輸出外接直流電源，N溝道場效應(yīng)管Q1關(guān)斷，P溝道場效應(yīng)管Q2工作在線性區(qū)。

MOSFET的驅(qū)動器使用的是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)動功率MOSFET器件，因為它消除了所有靜態(tài)電流調(diào)整和臨界晶體管匹配，同時消除了靜態(tài)點的熱失控，因為偏置系統(tǒng)通過使用小阻值的電阻器檢測每個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功率器件的驅(qū)動量。

2.2 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，同時測量的是檢測電阻兩端的電壓值。

2.3 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。

誤差放大器電路如圖5所示。因為高精度的運放具有高輸入阻抗，對差分輸入信號的增益很大，流入運放的電流為零。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通過計算可以得到式(1)、式(2)。

通過式(3)，因為采樣值為正值，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，差值的大小將會改變后級誤差放大器的輸出，進(jìn)而改變調(diào)整管的柵極電壓，最后實現(xiàn)輸出電壓值與輸出設(shè)定值大小一致，符號相反。

2.4 PID調(diào)節(jié)設(shè)計

在不加任何調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)時，誤差放大器的增益非常高。無內(nèi)部補(bǔ)償?shù)幕蛲獠垦a(bǔ)償?shù)恼`差放大器在沒加上外部穩(wěn)定元件時都是不穩(wěn)定的。在補(bǔ)償電路的選擇中，選用積分環(huán)節(jié)時，即R3和C1串聯(lián)。電路在負(fù)載大小變化時，輸出電壓穩(wěn)定時間長，波動幅度較大。電壓設(shè)定值是接入反相電路之前的電壓值，其符號為正。電壓設(shè)定大小為5 V時，當(dāng)負(fù)載阻值在設(shè)定時間內(nèi)從1 kΩ切換到10 Ω時，運用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)定時間較長。

通過修正，最終選擇的是Type II型補(bǔ)償電路[9，10]，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)償特點是產(chǎn)生一個初始極點，一個極點和一個零點。輸出電壓便有了較優(yōu)的改善。

運用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，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，且消除了過沖過程。

3 實驗結(jié)果分析

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

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

通過圖9和圖10對比可以看到，空載和帶載時負(fù)載端電壓上升和下降時的響應(yīng)時間基本一致，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)計的高速電源實物模擬電池進(jìn)行放電輸出時，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，其符號為正。設(shè)定值與電壓實際輸出值相差極小，滿足了高精度的要求。

采樣檢測電阻為0.04 Ω，采樣倍數(shù)為100倍，外接5 V電源。電流變化輸出結(jié)果如表2所示。接入反相電路之前的電壓值作為設(shè)定值，其符號為正。采樣電阻上的實測電壓值和設(shè)定值相差極小，同時也滿足了高精度的要求。

4 結(jié)論

經(jīng)實物測試驗證，設(shè)計的高速高精度電源運用一種功放型推挽式線性方案實現(xiàn)了模擬鋰電池的充放電功能，其參數(shù)精度高，便于調(diào)節(jié)，適用于不同型號的鋰電池模擬。其放電時電壓上升和電壓下降響應(yīng)速度均在50 μs以內(nèi)，極適合應(yīng)用于鋰電池的測試。