0 引言

    隨著鋰電池的快速發(fā)展，鋰電池模擬器開(kāi)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(huì)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?yàn)殇囯姵氐膭?dòng)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(shí)現(xiàn)鋰電池模擬器中的輸出電壓能夠精確控制,，同時(shí)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(jì)出的鋰電池模擬器能夠完成電池模擬,，其動(dòng)態(tài)特性能滿足對(duì)電池的要求,。為實(shí)現(xiàn)高精度，低誤差,，在階躍,、負(fù)載變化等暫態(tài)過(guò)程中能夠快速響應(yīng)，同時(shí)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(duì)于鋰電池來(lái)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(yùn)用此方案無(wú)法實(shí)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(duì)的是三相交流電提供電能的大容量?jī)?chǔ)能電池的模擬，一般使用于電站,、充電樁等,，但對(duì)于小功率電池的模擬，并不適用,。在針對(duì)便攜式設(shè)備（智能手機(jī)）的鋰電池模擬時(shí),，此類電池是屬于小功率電池，要求電能質(zhì)量高,，為實(shí)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(cè)電路,、驅(qū)動(dòng)電路和調(diào)整管T₁,；充電回路包括電流控制電路、檢測(cè)電阻,、檢測(cè)電路,、驅(qū)動(dòng)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(shí)工作,，而是單獨(dú)工作。推挽式結(jié)構(gòu)^[5]的作用是可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng),，從而實(shí)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(kāi)關(guān)狀態(tài)^[7,，8],。

2 電路設(shè)計(jì)

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(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semicon-

ductor Field-Effect Transistor，MOSFET）作為調(diào)整管,，因?yàn)槠淇梢猿惺茌^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(gè)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(shí),，即輸出外接便攜式設(shè)備，作為供電電源時(shí),，N溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q₁工作在線性區(qū),，P溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q₂關(guān)斷。當(dāng)鋰電池模擬器工作在充電回路時(shí),，即輸出外接直流電源,，N溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q₁關(guān)斷，P溝道場(chǎng)效應(yīng)管Q₂工作在線性區(qū),。

    MOSFET的驅(qū)動(dòng)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(dòng)功率MOSFET器件,，因?yàn)樗怂徐o態(tài)電流調(diào)整和臨界晶體管匹配,，同時(shí)消除了靜態(tài)點(diǎn)的熱失控，因?yàn)槠孟到y(tǒng)通過(guò)使用小阻值的電阻器檢測(cè)每個(gè)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(gè)功率器件的驅(qū)動(dòng)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(cè)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(shí)測(cè)量的是檢測(cè)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(guò)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(shí)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?yàn)楦呔鹊倪\(yùn)放具有高輸入阻抗，對(duì)差分輸入信號(hào)的增益很大,，流入運(yùn)放的電流為零,。由基爾霍夫第一定律，采樣值V_c和輸出設(shè)定值V_s之間的誤差值V_e通過(guò)計(jì)算可以得到式(1),、式(2),。

    通過(guò)式(3)，因?yàn)椴蓸又禐檎?，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(huì)改變后級(jí)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(shí)現(xiàn)輸出電壓值與輸出設(shè)定值大小一致,，符號(hào)相反。

2.4 PID調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

    在不加任何調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)時(shí),，誤差放大器的增益非常高,。無(wú)內(nèi)部補(bǔ)償?shù)幕蛲獠垦a(bǔ)償?shù)恼`差放大器在沒(méi)加上外部穩(wěn)定元件時(shí)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(shí),，即R₃和C₁串聯(lián)。電路在負(fù)載大小變化時(shí),，輸出電壓穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng),，波動(dòng)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(hào)為正,。電壓設(shè)定大小為5 V時(shí)，當(dāng)負(fù)載阻值在設(shè)定時(shí)間內(nèi)從1 kΩ切換到10 Ω時(shí),，運(yùn)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(shí)間較長(zhǎng),。

    通過(guò)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(diǎn)是產(chǎn)生一個(gè)初始極點(diǎn),，一個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn),。輸出電壓便有了較優(yōu)的改善。

    運(yùn)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(shí)，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(guò)沖過(guò)程,。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

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

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

    通過(guò)圖9和圖10對(duì)比可以看到，空載和帶載時(shí)負(fù)載端電壓上升和下降時(shí)的響應(yīng)時(shí)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(jì)的高速電源實(shí)物模擬電池進(jìn)行放電輸出時(shí),，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(hào)為正。設(shè)定值與電壓實(shí)際輸出值相差極小,，滿足了高精度的要求,。

    采樣檢測(cè)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(hào)為正,。采樣電阻上的實(shí)測(cè)電壓值和設(shè)定值相差極小,，同時(shí)也滿足了高精度的要求。

4 結(jié)論

    經(jīng)實(shí)物測(cè)試驗(yàn)證,，設(shè)計(jì)的高速高精度電源運(yùn)用一種功放型推挽式線性方案實(shí)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(hào)的鋰電池模擬,。其放電時(shí)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(cè)試,。

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作者信息：

王勝利,，吳云峰,，張晨雨,，胡波洋，唐遠(yuǎn)鴻

（電子科技大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,，四川 成都611731）