《电子技术应用》

用于锂电池模拟的高速电源设计

2017年电子技术应用第12期 作者:王胜利,吴云峰,张晨雨,胡波洋,唐远鸿
2018/1/5 11:57:00

王胜利,吴云峰,张晨雨,胡波洋,唐远鸿

(电子科技大学 能源科学与工程学院,四川 成都611731)


    摘  要: 为实现模拟锂电池充放电特性,设计了一台高速高精度的电源作为锂电池模拟器来实现充放电功能。电源电路由四部分组成,主要包括电压、电流采样电路,电压、电流控制电路,推挽式结构主电路,以及驱动电路。实验证明:放电时0~5 V输出电压可调,输出电流最大为5 A,充电时实现了0~2 A的电流控制功能。电源的上升速度和下降速度响应时间均小于50 μs,与普通的直流电源响应时间几十毫秒相比,该电源有着优越的响应速度。此高速电源运用于电池测试和电池充电设备测试有着很好的前景。

    关键词: 模拟锂电池;充放电特性;高速电源;推挽式结构;响应速度

    中图分类号: TN86

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.171489


    中文引用格式: 王胜利,吴云峰,张晨雨,等. 用于锂电池模拟的高速电源设计[J].电子技术应用,2017,43(12):125-129.

    英文引用格式: Wang Shengli,Wu Yunfeng,Zhang Chenyu,et al. Design of high speed power supply for lithium battery simulation[J].Application of Electronic Technique,2017,43(12):125-129.

0 引言

    随着锂电池的快速发展,锂电池模拟器开始被研究人员提出,并进行了深入的研究。模拟锂电池不同的特性,比如放电电流大小不同、容量不同,锂电池模拟器方案就会有所改变。目前,锂电池模拟器中现有两种方案,一种是数字电压源结构模拟方案和三相电压型脉冲宽度调整变换结构模拟方案。因为锂电池的动态响应特性要求较高,不可以使用普通的直流电源所替代。为实现锂电池模拟器中的输出电压能够精确控制,同时具有较快的响应速度,文平[1]采用具有与众不同的适应性与灵活性的数字电压源[2]结构模拟方案。此结构的主电路中重要器件包括控制器、转换器、功率放大器。设计出的锂电池模拟器能够完成电池模拟,其动态特性能满足对电池的要求。为实现高精度,低误差,在阶跃、负载变化等暂态过程中能够快速响应,同时还能提供大功率的电池模拟,谢俊文和赵轩等[3,4]选取三相电压型 脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)变换结构模拟方案。

    数字电压源结构模拟方案使用了当前很流行的控制器策略,但对于锂电池来讲,电池放电只是其工作的一部分,还有一部分的工作是充电。运用此方案无法实现电池充电模拟。三相电压型PWM变换结构模拟方案主要针对的是三相交流电提供电能的大容量储能电池的模拟,一般使用于电站、充电桩等,但对于小功率电池的模拟,并不适用。在针对便携式设备(智能手机)的锂电池模拟时,此类电池是属于小功率电池,要求电能质量高,为实现充放电特性,以上两种方案都不适合。因此本文提出了一种功放型推挽式线性结构模拟方案。

1 系统原理

    功放型推挽式线性结构模拟方案如图1所示,辅助电源未画出,其主要作用是为各类芯片供电。该结构方案主要包括充电回路和放电回路。放电回路包括电压控制电路、检测电路、驱动电路和调整管T1;充电回路包括电流控制电路、检测电阻、检测电路、驱动电路和调整管T2。充放电功能是两种工作模式,并不是并行同时工作,而是单独工作。推挽式结构[5]的作用是可以实现能量的双向流动,从而实现充放电功能。其中调整管是工作在线性状态[6],并非开关状态[7,8]

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2 电路设计

2.1 叠加电路

    主电路选用不同沟道的增强型金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semicon-

ductor Field-Effect Transistor,MOSFET)作为调整管,因为其可以承受较大的电压和电流。主电路如图2所示。

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    主电路是采用B类推挽式功率放大电路的结构。这个结构能够实现锂电池的充电和放电两种功能。当锂电池模拟器工作在放电回路时,即输出外接便携式设备,作为供电电源时,N沟道场效应管Q1工作在线性区,P沟道场效应管Q2关断。当锂电池模拟器工作在充电回路时,即输出外接直流电源,N沟道场效应管Q1关断,P沟道场效应管Q2工作在线性区。

    MOSFET的驱动器使用的是LT1166芯片。它是一种用于在大功率放大器中控制AB类输出电流的偏置生成系统芯片。LT1166非常适合驱动功率MOSFET器件,因为它消除了所有静态电流调整和临界晶体管匹配,同时消除了静态点的热失控,因为偏置系统通过使用小阻值的电阻器检测每个功率晶体管中的电流。高速调节器回路控制施加到每个功率器件的驱动量。

2.2 采样电路

    电压采样电路使用的是差分电路,如图3所示。差分电路端接负载两端,测量的是负载两端的电压值。电流采样电路稍微有些不同,放大倍数不同,同时测量的是检测电阻两端的电压值。

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2.3 电压控制电路

    电压控制电路主要包括电压设定电路和误差放大器电路。

    电压基准设定如图4所示,选择的是ADR系列的芯片,这类芯片是精密类电压基准,选择的是ADR02,输入7~40 V,稳定输出是5 V。后通过三端电阻分压,方便调节输出设定值,后连接电压跟随器,最后接反相比例放大器。改变可调电阻R21的阻值大小,可以实现输出设定值-5 V~0 V。辅助电源接入ADR芯片的输入端。选择ADR02芯片的原因是随温度变化电压变化较小,输入电压范围宽,输出电压精确,误差较低。电流基准设定和电压稍微有些不同,选择的是ADR01,稳定输出是10 V,最后输出设定值为-10 V~0 V。

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    误差放大器电路如图5所示。因为高精度的运放具有高输入阻抗,对差分输入信号的增益很大,流入运放的电流为零。由基尔霍夫第一定律,采样值Vc和输出设定值Vs之间的误差值Ve通过计算可以得到式(1)、式(2)。

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    通过式(3),因为采样值为正值,输出设定值为负值,其与采样值之和,得到了两者的差值。如果差值不为0,差值的大小将会改变后级误差放大器的输出,进而改变调整管的栅极电压,最后实现输出电压值与输出设定值大小一致,符号相反。

2.4 PID调节设计

    在不加任何调节环节时,误差放大器的增益非常高。无内部补偿的或外部补偿的误差放大器在没加上外部稳定元件时都是不稳定的。在补偿电路的选择中,选用积分环节时,即R3和C1串联。电路在负载大小变化时,输出电压稳定时间长,波动幅度较大。电压设定值是接入反相电路之前的电压值,其符号为正。电压设定大小为5 V时,当负载阻值在设定时间内从1 kΩ切换到10 Ω时,运用LTspice软件仿真输出电压结果如图6所示。从图中可以看出电压从5 V降低到了3.7 V,这样的压降远远超出了锂电池的压降要求,电压稳定时间较长。

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    通过修正,最终选择的是Type II型补偿电路[9,10],即在比例积分电路基础上并联上C2,如图7所示。其电路补偿特点是产生一个初始极点,一个极点和一个零点。输出电压便有了较优的改善。

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    运用LTspice软件仿真电路,电压设定值大小为5 V,负载大小从1 kΩ切换到10 Ω时,输出电压仿真结果如图8所示。电压从5 V降低到了4.9 V,电压降低幅度明显减小,且消除了过冲过程。

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3 实验结果分析

    实物中的电压设定值为5 V时,空载时,电压上升瞬间和电压下降瞬间的响应时间如图9所示。

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    实物中的设定电压值为4 V时,负载接入4 Ω电阻时,输出电流大小为1 A,电压上升和下降时的响应时间如图10所示。

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    通过图9和图10对比可以看到,空载和带载时负载端电压上升和下降时的响应时间基本一致,均在50 μs以内,输出电压响应速度不受负载阻值大小的影响。

    设计的高速电源实物模拟电池进行放电输出时,电压采样倍数为1倍,输出电压结果如表1所示。接入反相电路之前的电压值作为设定值,其符号为正。设定值与电压实际输出值相差极小,满足了高精度的要求。

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    采样检测电阻为0.04 Ω,采样倍数为100倍,外接5 V电源。电流变化输出结果如表2所示。接入反相电路之前的电压值作为设定值,其符号为正。采样电阻上的实测电压值和设定值相差极小,同时也满足了高精度的要求。

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4 结论

    经实物测试验证,设计的高速高精度电源运用一种功放型推挽式线性方案实现了模拟锂电池的充放电功能,其参数精度高,便于调节,适用于不同型号的锂电池模拟。其放电时电压上升和电压下降响应速度均在50 μs以内,极适合应用于锂电池的测试。

参考文献

[1] 文平.动力锂离子电池模拟器的研制[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

[2] 陈浩,李开成,向洁.高精度线性功率电压源的研制[J].电测与仪表,2011,48(4):72-76.

[3] 谢俊文,陆继明,毛承雄,等.数字式通用型电池模拟器的设计与实现[J].电力自动化设备,2013,33(5):156-163.

[4] 赵轩,白新龙,谢学飞,等.模拟蓄电池特性的直流电源研究[J].扬州大学学报(自然科学版),2014(2):48-52.

[5] 袁义生,伍群芳.ZVS三管推挽直流变换器[J].中国电机工程学报,2012,32(33):23-30.

[6] JIAN G,JIE Z,LI Z.Design of a DC linear power supply with adjustable voltage[J].Ieri Procedia,2012,3:73-80.

[7] 王胜利,吴云峰,唐辉,等.交直流叠加电源的研制[J].电子技术应用,2017(3):141-144.

[8] 姜艳姝,郭东,徐兴.基于推挽电路的大功率直流电源设计[J].电气传动,2016,46(5):49-52.

[9] 张文合,胡天友,郭建波,等.一种变频式的宽输入开关电源设计[J].电力电子技术,2015,49(1):74-75.

[10] BASSO C P. N-order Transfer Functions[M].WiLey-IEEE Press.2016.

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