Bau eines elektronischen Batteriesimulators

Warum ein Schlagzeugsimulator?

Viele neue Produkte enthalten Batterien auf Lithiumbasis, um eine hohe Leistung und ein geringes Gewicht zu bieten. Tatsächlich beinhalten viele der anspruchsvolleren Anwendungen die Verbindung zahlreicher Zellen, um die gewünschte Arbeitsspannung im Gehäuse zu erreichen, die oft in der Größenordnung von Hunderten von Volt liegt. Da Lithiumzellen schädlichen Auswirkungen ausgesetzt sind, wenn sie überladen oder zu stark entladen werden, enthalten diese Akkus Überwachungssysteme, die das Potenzial jeder Zelle überwachen, um solche Probleme zu vermeiden.

Der Entwicklungsprozess für diese mehrzelligen Batterieüberwachungssysteme (BMS) erfordert einen praktischen Weg, um die Schaltung zu stimulieren, um die Wirksamkeit der Steuer- und Schutzalgorithmen zu überprüfen. Idealerweise würde der Stimulus tatsächlichen Zellen entsprechen, aber in einem solchen Fall wird das Variieren des Ladezustands zum Auslösen verschiedener funktioneller Aktionen im BMS langsam und umständlich.

In Labors werden oft mehrere Netzteile verwendet, aber das ist eine sehr teure Lösung. Daher werden die Widerstandsketten für einfache Funktionstests vorgespannt, um eine rudimentäre Simulation der Zelle bereitzustellen.

Widerstandsketten stellen wichtige Einschränkungen dar, da sie einen ziemlich hohen Quellenwiderstand darstellen und daher dem System Elemente hinzufügen, die keine realen Zellen darstellen. Aber selbst bei dedizierten Netzteilen müssen die Netzteile, wenn das zu testende System einen aktiven Zellenausgleich enthält, einen virtuellen Laststrom (dh Stromumkehr) enthalten. Das Hauptproblem besteht darin, dass es wünschenswert ist, eine Vielzahl kompakter Zellsimulatoren zu haben, die einfache Labortests der BMS-Funktionalität ermöglichen. Ein weiterer praktischer Aspekt, den ein Batteriesimulator bietet, ist, dass dieses Element für Operationen, die weit entfernt vom Labor durchgeführt werden, einfach auf dem Luftweg transportiert werden kann, während ein echtes Lithium-Zellenpaket normalerweise auf dem Seeweg verschickt wird.

Wahl einer praktischen Schaltung

Das Hauptmerkmal, das wir brauchen, ist eine niederohmige Quelle und ein 2-Quadranten-Betrieb (positive Spannung, aber bidirektionaler Strom, damit wir die Entlade- und Laderichtung simulieren können). Wir müssen auch die verschiedenen Zellsimulatoren isolieren, damit sie wie das echte Paket in Reihe geschaltet werden können. Diese letzte Anforderung schlägt die Verwendung von Transformatoren und, um ihre Größe zu reduzieren, eine geschaltete Architektur vor. Eine spezielle geschaltete Topologie bietet Isolation und 2-Quadranten-Betrieb, wie dies beim Sperrwandler der Fall ist.

In einem einfachen Flyback, der als Boost-Spannung verwendet wird, arbeitet ein Low-Side-Schalter mit einem Arbeitszyklus, der den Ausgangsstrom in einem Ausgangsabschnitt festlegt, wie in Abbildung 1 gezeigt.

In dieser idealisierten Form leitet die Gleichrichterdiode während der Ein-Aus-Zeit des Schalters, wodurch der Ausgangsstrom in der Induktivität fließen kann, während magnetische Energie in einer Richtung zum Ausgangskondensator übertragen wird. Beim Dimmen erfährt der Schalter eine Rückspannungsspitze dV über der 12-V-Quelle, wobei dV in den meisten Designs in der Größenordnung der Versorgungsspannung liegt.

Damit der Wandler isoliert wird, ersetzen wir die Induktivität durch einen Transformator wie in Abbildung 2, sodass der Ausgang auf der Sekundärseite erscheint. Obwohl der Ausgang jetzt isoliert ist, ist die magnetische Energieübertragung die gleiche wie bei einer Induktivität. Das Übersetzungsverhältnis N des Transformators wird ausgewählt, um den Betrieb bei den gewünschten Eingangs- und Ausgangsspannungen zu optimieren. Erneut erfährt der Schalter eine dV-Kickback-Spannungsspitze über der 12-V-Quelle. Beachten Sie, dass diese Schaltung nicht verhindern kann, dass die Ausgangsspannung durch einen externen Strom über den Sollwert gezwungen wird (sie lässt nur einen Betriebsquadranten zu).

Eine synchrone Version wird erhalten, wenn der Gleichrichter durch einen anderen Schalter ersetzt wird, wie in Abbildung 3 gezeigt. Dies verbessert die Effizienz, da der Schalter weniger Leistung verbraucht als eine in Vorwärtsrichtung betriebene Diode, und einen zweiten Betriebsquadranten erzeugt, da die Schaltung jetzt symmetrisch ist . Diese Schaltung kann einen Rückstrom in der Sekundärseite aufnehmen, der einen Rückstrom von der Primärwicklung zurück zur Hauptquelle induziert, sodass der Ausgang diesen Sollwert auch bei einem erzwungenen Rückausgangsstrom beibehält. Wir müssen die Möglichkeit erkennen, dass die Stromversorgung der Schaltung einen Rückstrom erfahren kann, wenn die simulierte Zelle stark „belastet“ ist (Strom fließt in die positive Ausgangsspannung). Da alle Ausgänge isoliert sind, kann die Stromquelle auf eine beliebige Anzahl von Schaltkreisen aufgeteilt werden, sodass eine einzige leistungsstarke Quelle ein ganzes Array mit Strom versorgen kann. Eine Matrixverbindung konsolidiert auch die parasitären Verluste der Schaltung, so dass es unwahrscheinlich ist, dass das Netzteil bei normalem Gebrauch einen Rückstrom erfährt (dh solange die Netto-„Last“-Leistung < Gesamtbetriebsverluste ist).

Detaillierte Analyse

Ein besonders geeigneter IC für diese Wandlerfunktion ist der LT3837 von Linear Technology. Die typische Anwendung dieser Schaltung besteht darin, niedrige Spannungen, wie die einer Batterie, in der Größenordnung von mehreren Ampere von Stromschienen mit höherer Spannung zu liefern.

Der einzige Unterschied für die Zellsimulatorfunktion besteht darin, dass wir eine einstellbare Ausgangsspannung wünschen. Da es schlüsselfertige 12-V-Hochleistungsnetzteile gibt, können wir das Design optimieren, um sie als Quelle zu verwenden. Da die Chemie der Lithiumzelle von knapp unter 2V bis knapp über 4V reicht, können wir einen entsprechenden Abstimmbereich einstellen, der einen vielseitigen Einsatz und die Möglichkeit bietet, verschiedenste Lastzustände zu simulieren.

Abbildung 4 zeigt den Ausschnitt einer Matrix mit allen Komponenten. Zur Spannungseinstellung liefert das Rückkopplungsnetzwerk ein Steuersignal an den Operationsverstärker, so dass null Volt eine Ausgabe von ungefähr 4,2 V darstellen und 3 V eine Ausgabe von ungefähr 1,9 V erzeugen.

Für eine gute Benutzersteuerung ist jeder Zellschaltkreis so konfiguriert, dass er einen Feineinstellungsknopf hat, und dann wird eine konzentrierte Matrix mit Grob- und Feineinstellung gesteuert (das MCTL-Haupteinstellungssignal kann mit verschiedenen Abschnitten des Konverters verbunden werden). Für die angegebenen Werte beträgt die Bruttoeinstellung der Gruppenausgangsspannung etwa ±0,9 V, während die Feineinstellung etwa ±0,15 V und die Zelleinstellungsknöpfe etwa ±0,1 V betragen, sodass insgesamt der gewünschte maximale Bereich erreicht wird (in um den Feinsteuerknöpfen die Möglichkeit zu geben, Zellen bis an ihre Grenzen zu treiben, wurde geopfert).

Alle Steuerschaltkreise werden mit 3,3 V versorgt, die von der 12-V-Quelle bezogen werden. Für eine computergesteuerte Spannungssteuerung können die Operationsverstärkersignale durch D/A-Wandler wie den 2668-Kanal-LTC16 ersetzt werden.

Q101 und T100 sind die beiden Hauptelemente des Sperrwandlers und Q102 ist der Synchrongleichrichter.

Zur schnellen, isolierten Steuerung von Q102 wird das Gate von T101 über die Strompuffer Q103 und Q104 angesteuert. Die Rückkopplung wird von einer Hilfswicklung bei T100 geregelt. Am Ausgang ist ein 10-mΩ-Serienwiderstand enthalten, sodass Strommessmessungen durchgeführt werden können, indem Kelvin-Verbindungen mit einem Voltmeter (unter Verwendung der I+- und I-Signale) vorgenommen werden. Die Gesamtausgangsimpedanz der Schaltung beträgt etwa 25 mΩ und bietet eine robuste Kapazität von ±6 A.

Statische Verluste liegen in der Größenordnung von 1 W pro Zellenabschnitt, sodass bei einem 24-Zellen-Array die Wahrscheinlichkeit einer Inversion einer 12-V-Quelle minimal ist und die Leistung für die Verwendung mit einer kommerziellen 12-V-/300-W-Quelle wie dem SWS300-12 von TDK geeignet ist - Lambda.

Fazit

Der Aufbau eines Batteriesimulators ist eine praktische Lösung, um ein hochdichtes und leicht zu transportierendes BMS-Entwicklungstool anzubieten.

Ein 24-Zellen-Simulator kann auf einem 2RU-Rack-Chassis und einer 12-V-Versorgung montiert werden und liefert präzise einstellbare Spannungen zwischen 1,9 V und 4,2 V mit einer Kapazität von ±6 A.