基于TL431的電動汽車多節串聯鋰電池模擬器設計|壹芯微

在電動汽車BMS(電池管理系統)檢驗中，需要制作105節的串聯鋰離子電池模擬器，用于測試BMS對每節電池電壓的測量準確度，使用6位半電壓表的讀數與BMS的測量值進行對比，以評估BMS電池電壓測量的準確性。要求模擬器：①模擬的每節電壓都獨立可調，調節范圍為2.5～4.5V;②電壓穩定度在2mV以內;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

由于電池是串聯結構，所以通常的做法是采用105個獨立的直流電源，把它們首尾相聯地串起來完成，方法有2個：①市電經過隔離式AC-DC得到12V直流，然后給多個隔離式DC-DC(12V轉5V)供電，5V電壓再經過可調穩壓器，得到模擬的電池電壓輸出，它們首尾串聯，如圖1所示;②采用多個變壓器，每個變壓器有多個副邊繞組，每個繞組模擬一節電池。副邊繞組輸出電壓經整流、濾波、可調穩壓后，其正負輸出相串聯，如圖2所示(圖中只畫了1個變壓器)，得到各個模擬值。

圖1多個DC-DC串聯

圖2多個變壓器的直流輸出串聯

圖1的工作方式，需要105個隔離式開關DCDC，體積大、成本高，同時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，需要訂做幾十個變壓器，訂做周期長，體積大。為解決上述問題，本文介紹了應用TL431設計制作了一套模擬裝置，達到了低成本、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，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的輸出電壓經整流濾波后產生直流高壓，各路TL431電路相串聯，調整每路的多圈電位器即可改變相應的電壓輸出(輸出范圍：2.5～4.5V)，同時可使之穩定在0.2mV以內。這里TL431相當于一個可調基準源，穩壓管用來保護TL431。25mA恒流源與模擬的電池串聯，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

針對電動汽車BMS測試具體需求，本文作者在電池電壓模擬部分的設計采用了基于應用TL431的方案。

3.恒流源設計

模擬器中用恒流源給TL431提供恒定的工作電流，以避免電源波動對輸出精度的影響。本設計中的恒流源主要有2個作用。

(1)“吸收”220V交流電壓的波動。由于電源電壓有+10%～-15%的波動，TL431也在變動，所以在恒流源上要承受將近幾百伏的波動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，電阻的阻值甚至無法選擇，而實際上固定電阻不能滿足要求。

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

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;1.3——交流有效值電壓整流成直流電壓的全橋整流系數;Ub——鋰電池的最高電壓;N——電池節數;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直流高壓產生電路圖

可是，這種規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，我們可采用幾個此種變壓器，將其副邊AC110V經整流、濾波后得到150V直流，再將4個這樣的直流輸出串聯，即可得到想要的直流高壓，如圖6所示。當Ux=417V時就需要用4個220V/110V變壓器及相應整流濾波組合，此時，恒流源NMOS管承受的最大壓降Ud出現在交流輸入是上限(即額定電壓的107%)、每一節電池電壓最低點為2.5V時，其值為：Ud=110×107%×1.3×4-2.5×105=349.5V。

25mA時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，結果顯示：當調節電位器時，相應模擬電池電壓也按要求改變;調整交流輸入電壓，每節電池模擬電壓保持不變，抗電源波動能力較強，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

結語

TL431是一個性價比很高的芯片，應用TL431完成了方案的設計和制作，對于BMS的評價起到了很好的作用。實際制作的模擬器模擬的電池電壓輸出穩定在0.2mV以內，效果很好。與真實車載電池相比，電壓調節極為方便，且體積小、質量輕、成本低廉。

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