基于直流-直流变换器的高精度电池模拟器设计

张 涛 朱小平

（浙江交通职业技术学院，杭州 311112）

当今，新能源汽车已经产业化，至2013年底，雷克萨斯的混合动力汽车全球累计销量突破50 万辆，混合动力汽车成为电动汽车的先头兵；零污染、零排放的纯电动汽车作为未来电动汽车的发展方向，得到越来越多的研究、关注和政策支持，不久的将来，必将取得快速的增长[1]。动力电池技术，作为新能源汽车的核心技术之一，成为当前研究的热点[2-3]；在动力电池的开发、设计、管理、测试、生产、应用过程中，离不开电池模拟系统；需要应用先进电力电子技术，实现多路电池单元的模拟输出，来调试、检验电池应用相关的技术和设备[4]。传统的电池模拟单元具有功耗大、精度低、控制不灵活等缺点。

本文论述了一种基于直流-直流变换电路技术和线性稳压技术相结合的动力电池模拟器，具有精度高、损耗小、输出功率大、输出单元隔离等优点。

1 新型动力电池模拟器架构

目前应用较多的动力电池模拟器为电阻串联分压方式和线性稳压电源方式，电阻串联方式应用多个可调电阻串联模拟电池电压，调整电阻阻值改变每一串的电压；这种方式结构简单，成本较低，但输出精度很难控制，并且带来很大的能耗。线性稳压方式，应用线性稳压电源模拟每一串电池的输出，这种方式可以高精度的调整每一串的输出，具有控制灵活、调整精度高的优点，但线性稳压的一个限制就是输出电流较小，难以做到较大的功率等级。随着电动汽车的市场推动，动力电池相关的电池管理等研究成为科研的热点，具有高精度、大功率、灵活控制的动力电池模拟器成为动力电池开发研究的基本设备，克服上述问题的新型电池模拟器具有较高的研究价值[5-6]。

本文提供了一种基于开关电源和线性稳压新技术相结合的动力电池模拟器架构，使电池模拟器具有控制灵活、输出精度高、输出功率大的优点。基本架构如图1所示。

图1 动力电池模拟器架构

本文论述的新型动力电池模拟器采用直流-直流变换单元和线性稳压单元相结合的方式获得电池模拟器需要的输出电压；前级通过隔离型直流-直流多路输出变换电路获得各个电池模拟单元的输入，实现各个电池单元的隔离型独立供电；通过直流-直流变换单元将电压预调整到一个电压范围，以减小线性稳压单元的压降；线性稳压单元通过线性稳压技术，可以高精度的调整输出电压，获得电池模拟输出。

2 隔离供电电路设计

隔离供电电路，主要是实现各个电池单元的供电，保持各个电池单元的电气隔离，可以实现模拟电池单元的任意组合。根据试验检测用电池模拟器不需要很大的功率输出，本动力电池模拟器供电采用反激式（FLYBACK）电路设计，应用多绕组变压器实现多组隔离输出，具体电路如图2所示。

图2 多路输出反激式变换电路

原边MOSFET 的占空比为D，在较好的输出交叉调整率先，则输出电压满足

其中，n为变压器各个副边绕组匝数与原边匝数的比值。通过这个电路电池模拟器各个单元获得隔离的、独立的供电。

3 预调压电路设计

通过多路输出隔离型变换器，每个电池单元获得隔离型的供电电压，为增加输出功率、减轻线性稳压的输出端的压力，设计预调压电路，使输出电压预调整到一个稍高于输出设定电压的范围，以获得预调压的效果。预调压电路采用降压直流变换电路，通过调节主开关管的占空比，可以精细调整输出电压，具体电路如图3所示。

图3 预调压直流变换电路

主开关管Q1 的占空比为D1，则输出电压Vp1和输入电压Vb1的关系如下：

二极管D1 在输出电流较大时，会存在较大的反向恢复问题，输出电压的毛刺将显著变大，输出效率也将降低；为解决这一问题，选用具有快恢复特性的肖特基二极管代替D1。

4 线性稳压电路设计

直流-直流预调压电路为开关电源，输出电压具有较大的纹波；为进一步降低纹波，精确调整模拟器的输出电压，需要设计线性稳压单元，线性稳压电路主要包括调整晶体管，误差调整网络以及电压给定单元；具体电路如图4所示。

图4 线性稳压单元

给定电压采用高精度DAC 芯片，通过通信方式给定每一路电池单元的设定值；晶体管采用PNP 型晶体管，通过误差调整单元的输出端控制晶体管的工作状态，以达到调整电压的效果；输出电压反馈到误差调整网络，根据输出电压和给定电压的误差调整，控制晶体管的工作状态，以获得和给定电压一致的输出电压。

5 输出特性分析

采用开关电源的电池模拟器方案，输出电压的纹波和输出功率成正比，当输出电流增加时，输出电压的纹波也在增加，输出电压的精度也会下降；因此，采用开关电源方式的电池模拟器只适合大功率的充电和放电特性模拟，难以达到精确控制的模拟要求。

采用线性稳压的电池模拟器方案，输出电压可以线性调整，可以获得比较高的精度和很低的纹波特性；但线性稳压技术需要晶体管承担较大的压降，在输入电压为Vin，输出电压为Vo的系统中，输出效率如下所述

而电池模拟器的基本性能是能有较宽的输出电压范围，因此，采用线性稳压器技术的模拟器在输出电压较低时，输出效率很低，能耗很大，难以做到较高功率输出。

采用直流-直流变换单元和线性稳压单元相结合的方式获得电池模拟器需要的输出电压，直流-直流变换器的输出电压预调整到接近于输出电压的一个值，这样，线性稳压环节和效率很高，避免了损耗大的问题，可以提高输出功率，另外线性稳压环节又有效的降低了开关电源输出纹波，提高输出精度，有利于输出的功率提升。

6 实验结果

根据电路设计，制作实验用样机，如图5所示，本模块一个PCB 板卡模拟两路电池单元。

图5 模拟器实验样机

多路输出隔离型变换器的工作波形如图6所示。

图6 隔离变换器Vds 波形

直流-直流预调压系统的工作波形如图7所示。

图7 直流-直流变换器驱动波形

线性稳压电路很好的降低了输出纹波，如图8、图9所示。

图8 预调压输出纹波

图9 线性稳压后的输出纹波

根据动力锂电池的输出特性，本文设定输出的电压范围为1.5～4.5V；设定值和输出值的测量结果如表1所示。

表1 模拟单元设定值和输出值的关系

通过分析，本实验样机可以获得较高精度，误差小于0.1%。

7 结论

本文根据动力电池模拟器的技术要求，设计基于直流-直流变换器和线性稳压技术的电池模拟器；通过隔离型多路输出变换器实现各个电池单元的隔离供电，通过直流-直流变换器实现输出电压的预调整，应用线性稳压电路，降低输出电压纹波，提高了输出电压的精度，获得理想的模拟效果，并通过实验测试，验证了设计。

[1] 张杨.纯电动汽车用磷酸亚铁锂电池管理系统[D].北京: 北京交通大学,2009.

[2] 董博,李永东,王奎,等.光伏电池模拟器的设计与研究[J].电源技术,2010(5).

[3] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京: 机械工业出版社,2000.

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