Поскольку литиевые элементы подвержены повреждениям от перезаряда или переразряда, в эти аккумуляторные батареи встроены системы мониторинга, контролирующие потенциал каждого элемента для предотвращения подобных проблем. Процесс разработки таких многоэлементных систем мониторинга батарей (BMS) требует практического способа стимуляции схемы для проверки эффективности алгоритмов управления и защиты. В идеале стимуляция должна соответствовать реальным элементам, но в этом случае изменение состояния заряда для запуска различных функциональных действий в BMS становится медленным и громоздким. В лабораториях часто используются несколько источников питания, но это очень дорогое решение. Поэтому для простых функциональных тестов используются резистивные цепи, обеспечивающие элементарную имитацию элементов. Резистивные цепи имеют существенные ограничения, поскольку они обладают довольно высоким сопротивлением источника, что вносит в систему элементы, не представляющие реальные элементы. Однако даже при наличии специализированных источников питания, если тестируемая система включает активную балансировку элементов, источники питания должны учитывать виртуальный зарядный ток (т.е., обратную полярность тока). Главное преимущество заключается в наличии нескольких компактных симуляторов элементов питания, позволяющих проводить простые лабораторные испытания функциональности системы управления батареей (BMS). Еще одно практическое преимущество симулятора батареи состоит в том, что его можно легко транспортировать по воздуху для операций, проводимых вне лаборатории, в то время как реальный литий-ионный аккумуляторный блок обычно доставляется морем.
Выбор практической схемы:
Главная необходимая характеристика — источник с низким импедансом и двухквадрантный режим работы (положительное напряжение, но двунаправленный ток, что позволяет имитировать как разряд, так и заряд). Также необходимо изолировать различные имитаторы ячеек, чтобы их можно было соединить последовательно, как в реальном корпусе. Последнее требование предполагает использование трансформаторов и, для уменьшения их размеров, импульсной архитектуры. Импульсная топология, в частности, обеспечивает изоляцию и двухквадрантный режим работы, как в случае с синхронным обратноходовым преобразователем.
В простом обратноходовом преобразователе, используемом в качестве повышающего преобразователя, ключ на нижнем плече работает с коэффициентом заполнения, который фиксирует выходной ток в выходной секции, как показано на рисунке 1. В этой идеализированной форме выпрямительный диод проводит ток во время времени отсечки ключа, позволяя выходному току протекать через индуктор, в то время как магнитная энергия передается однонаправленно на выходной конденсатор. При регулировании на ключ приходится скачок напряжения обратной связи dV выше напряжения источника 12 В, где dV в большинстве схем имеет порядок напряжения питания.
Для изоляции преобразователя мы заменяем индуктор трансформатором, как показано на рисунке 2, так что выходное напряжение появляется на вторичной обмотке. Хотя выход теперь изолирован, передача магнитной энергии остается такой же, как и при использовании индуктора. Коэффициент трансформации N трансформатора выбирается для оптимизации работы с желаемыми входным и выходным напряжениями. И снова на ключ приходится скачок напряжения обратной связи dV выше напряжения источника 12 В. Следует отметить, что эта схема не может предотвратить принудительное повышение выходного напряжения выше заданного значения внешним током (она допускает только один квадрант работы).
Синхронная версия получается при замене выпрямителя другим ключом, как показано на рисунке 3. Это повышает эффективность, поскольку ключ будет рассеивать меньше мощности, чем диод с прямой проводимостью, и создает второй квадрант работы, поскольку схема теперь обладает симметрией. Эта схема может принимать обратный ток во вторичной обмотке, который индуцирует обратный ток в первичной обмотке, возвращающийся к основному источнику. Следовательно, выходное напряжение будет поддерживать заданное значение даже при принудительном обратном выходном токе. Необходимо учитывать возможность возникновения обратного тока в источнике питания схемы, если имитируемая ячейка сильно «нагружена» (ток течет в сторону положительного выходного напряжения). Поскольку все выходы изолированы, источник питания может быть распределен между любым количеством схем, поэтому один мощный источник питания может питать всю матрицу. Подключение к матрице также снижает паразитные потери схемы, поэтому маловероятно, что источник питания будет испытывать обратный ток при нормальном использовании (т. е., пока суммарная мощность «нагрузки» < общих эксплуатационных потерь).
Подробный анализ:
Особенно подходящей микросхемой для этой функции преобразователя является Linear Technology LT3837. Типичное применение этой схемы — питание низкими напряжениями, например, от батареи с током порядка нескольких ампер, от высоковольтных линий электропитания. Единственное отличие для функции имитации ячейки заключается в том, что нам необходимо регулируемое выходное напряжение. Поскольку доступны готовые к использованию мощные источники питания на 12 В, мы можем оптимизировать конструкцию, используя их в качестве источника. Так как химический диапазон литиевых элементов составляет от чуть менее 2 В до чуть более 4 В, мы можем установить соответствующий диапазон регулировки, обеспечивающий универсальное использование и возможность моделирования широкого спектра состояний заряда.
На рисунке 4 показано поперечное сечение массива со всеми компонентами. Для регулировки напряжения цепь обратной связи обеспечивает управляющий сигнал для операционного усилителя, так что 0 вольт соответствует выходному напряжению приблизительно 4,2 В, а 3 В генерируют приблизительно 1,9 В на выходе. Для оптимального управления пользователем каждая схема элемента сконфигурирована с точной настройкой. Затем массив управляется коллективно с помощью грубой и точной регулировки (основной сигнал регулировки MCTL может быть подключен к различным секциям преобразователя). Для заданных значений грубая регулировка выходного напряжения группы составляет приблизительно ±0,9 В, точная регулировка — приблизительно ±0,15 В, а регулировка элементов — приблизительно ±0,1 В. Это позволяет достичь желаемого максимального диапазона в целом (возможность управления отдельными ячейками до их предельных значений была принесена в жертву ради обеспечения точной настройки). Вся схема управления питается от источника 3,3 В от источника 12 В. Для компьютерного управления напряжением сигналы операционного усилителя могут быть заменены цифро-аналоговыми преобразователями, такими как 16-канальный LTC2668.
Q101 и T100 являются двумя основными компонентами обратноходового преобразователя, а Q102 — синхронным выпрямителем. Для быстрого, изолированного управления Q102 его затвор управляется транзистором T101 через буферы тока Q103 и Q104. Обратная связь регулируется вспомогательной обмоткой на T100. На выходе установлен последовательный резистор 10 мОм, позволяющий проводить измерения тока с использованием вольтметра с подключением по Кельвину (с использованием сигналов I+ и I-). Общее выходное сопротивление схемы составляет приблизительно 25 мОм, что обеспечивает надежную работу в диапазоне ±6 А. Статические потери составляют порядка 1 Вт на секцию ячейки, поэтому при использовании массива из 24 ячеек вероятность обратного подключения источника 12 В минимальна, и мощность подходит для использования с коммерческим источником 12 В/300 Вт, таким как TDK-Lambda SWS300-12.
В заключение
, создание симулятора батареи является практичным решением для обеспечения высокоплотного, легко транспортируемого инструмента разработки систем управления батареями (BMS). Симулятор на 24 ячейки может быть установлен в 2U стоечном шасси с источником питания 12 В и обеспечивать точно регулируемое напряжение в диапазоне от 1,9 В до 4,2 В с током ±6 А.
