基于TL431的電動(dòng)汽車多節(jié)串聯(lián)鋰電池模擬器設(shè)計(jì)|壹芯微

在電動(dòng)汽車BMS(電池管理系統(tǒng))檢驗(yàn)中，需要制作105節(jié)的串聯(lián)鋰離子電池模擬器，用于測試BMS對每節(jié)電池電壓的測量準(zhǔn)確度，使用6位半電壓表的讀數(shù)與BMS的測量值進(jìn)行對比，以評估BMS電池電壓測量的準(zhǔn)確性。要求模擬器：①模擬的每節(jié)電壓都獨(dú)立可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍為2.5～4.5V;②電壓穩(wěn)定度在2mV以內(nèi);③輸出電流滿足BMS測量前端的要求即可，不需要考慮模擬電池的充電功能和均衡功能。

1.引言

由于電池是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以通常的做法是采用105個(gè)獨(dú)立的直流電源，把它們首尾相聯(lián)地串起來完成，方法有2個(gè)：①市電經(jīng)過隔離式AC-DC得到12V直流，然后給多個(gè)隔離式DC-DC(12V轉(zhuǎn)5V)供電，5V電壓再經(jīng)過可調(diào)穩(wěn)壓器，得到模擬的電池電壓輸出，它們首尾串聯(lián)，如圖1所示;②采用多個(gè)變壓器，每個(gè)變壓器有多個(gè)副邊繞組，每個(gè)繞組模擬一節(jié)電池。副邊繞組輸出電壓經(jīng)整流、濾波、可調(diào)穩(wěn)壓后，其正負(fù)輸出相串聯(lián)，如圖2所示(圖中只畫了1個(gè)變壓器)，得到各個(gè)模擬值。

圖1多個(gè)DC-DC串聯(lián)

圖2多個(gè)變壓器的直流輸出串聯(lián)

圖1的工作方式，需要105個(gè)隔離式開關(guān)DCDC，體積大、成本高，同時(shí)DC-DC的噪聲在幾十毫伏以上，不能滿足測量要求。圖2的工作方式，需要訂做幾十個(gè)變壓器，訂做周期長，體積大。為解決上述問題，本文介紹了應(yīng)用TL431設(shè)計(jì)制作了一套模擬裝置，達(dá)到了低成本、高精度模擬的效果。

2.模擬器工作原理

本模擬器由工作電源單元、恒流源單元和電池電壓模擬單元3部分組成，工作原理如圖3所示。圖中，SW-SPST表示單刀單擲開關(guān)，用以模擬斷線故障;T1(Trans)表示電源變壓器;WR1、WR2都是可變電阻;Bridge表示二極管整流全橋;FUSE表示熔斷器。變壓器T1的輸出電壓經(jīng)整流濾波后產(chǎn)生直流高壓，各路TL431電路相串聯(lián)，調(diào)整每路的多圈電位器即可改變相應(yīng)的電壓輸出(輸出范圍：2.5～4.5V)，同時(shí)可使之穩(wěn)定在0.2mV以內(nèi)。這里TL431相當(dāng)于一個(gè)可調(diào)基準(zhǔn)源，穩(wěn)壓管用來保護(hù)TL431。25mA恒流源與模擬的電池串聯(lián)，為之提供工作電流。由于TL431的維持電流最大將近100mA，所以圖3中的恒流源可以選擇為25mA。

圖3模擬器原理圖

針對電動(dòng)汽車BMS測試具體需求，本文作者在電池電壓模擬部分的設(shè)計(jì)采用了基于應(yīng)用TL431的方案。

3.恒流源設(shè)計(jì)

模擬器中用恒流源給TL431提供恒定的工作電流，以避免電源波動(dòng)對輸出精度的影響。本設(shè)計(jì)中的恒流源主要有2個(gè)作用。

(1)“吸收”220V交流電壓的波動(dòng)。由于電源電壓有+10%～-15%的波動(dòng)，TL431也在變動(dòng)，所以在恒流源上要承受將近幾百伏的波動(dòng)而仍要保持回路電流恒定。如果不用恒流源而按照通常加限流電阻的方法，限流電阻上的電流會在很大的范圍里波動(dòng)，電阻的阻值甚至無法選擇，而實(shí)際上固定電阻不能滿足要求。

(2)提高穩(wěn)壓精度。TL431的典型內(nèi)阻是0.2Ω，所以10mA的電流波動(dòng)就會引起2mV的電壓波動(dòng)，所以不使用恒流源就不能滿足電壓穩(wěn)定度的要求。

圖4恒流源電路圖

恒流源電路使用TL431及耐壓在400V以上的功率管來完成，原理如圖4所示。圖中晶體管使用NMOS管(1N60)，Rs=100Ω(金屬膜)，電流值=2500/Rs(mA)，改變Rs可以調(diào)整恒流電流值。恒流源電路板如圖5所示。

圖5恒流源電路板

4.變壓器選擇及其接線

模擬器中電源部分的變壓器T1(見圖3)的額定功率可選擇20～30W，考慮到220V單相供電的電壓允許偏差為額定電壓的+7%、-10%，變壓器的交流輸出電壓Ux可按下式估算：

式中：0.90——220V供電交流電壓下限系數(shù);1.3——交流有效值電壓整流成直流電壓的全橋整流系數(shù);Ub——鋰電池的最高電壓;N——電池節(jié)數(shù);Us——恒流源正常工作的最小壓降。

若Ub為4.5V，N為105，Us為15V，代入(1)式得Ux=417V。

圖6直流高壓產(chǎn)生電路圖

可是，這種規(guī)格的變壓器市場上不容易買到，需要訂做。市場上容易買到的是額定電壓為110V的變壓器，我們可采用幾個(gè)此種變壓器，將其副邊AC110V經(jīng)整流、濾波后得到150V直流，再將4個(gè)這樣的直流輸出串聯(lián)，即可得到想要的直流高壓，如圖6所示。當(dāng)Ux=417V時(shí)就需要用4個(gè)220V/110V變壓器及相應(yīng)整流濾波組合，此時(shí)，恒流源NMOS管承受的最大壓降Ud出現(xiàn)在交流輸入是上限(即額定電壓的107%)、每一節(jié)電池電壓最低點(diǎn)為2.5V時(shí)，其值為：Ud=110×107%×1.3×4-2.5×105=349.5V。

25mA時(shí)NMOS管道耗散功率約為9W，需要加散熱片。

本模擬器電路通過multisim仿真，結(jié)果顯示：當(dāng)調(diào)節(jié)電位器時(shí)，相應(yīng)模擬電池電壓也按要求改變;調(diào)整交流輸入電壓，每節(jié)電池模擬電壓保持不變，抗電源波動(dòng)能力較強(qiáng)，仿真效果較好。模擬器電路板如圖7所示。

圖7模擬器電路板

結(jié)語

TL431是一個(gè)性價(jià)比很高的芯片，應(yīng)用TL431完成了方案的設(shè)計(jì)和制作，對于BMS的評價(jià)起到了很好的作用。實(shí)際制作的模擬器模擬的電池電壓輸出穩(wěn)定在0.2mV以內(nèi)，效果很好。與真實(shí)車載電池相比，電壓調(diào)節(jié)極為方便，且體積小、質(zhì)量輕、成本低廉。

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