电子电路仿真软件PSIM介绍

今天的技术在电路最终实现之前对其进行了严格的控制。要保持在控制之下的参数是多种多样的，并考虑了许多因素，尤其是高功率的因素。今天的设计人员甚至需要在构建复杂的电源电路之前对其进行仿真。元器件非常昂贵，不方便进行实际测试，既费时又费钱。PSIM电子模拟器是一种特别适用于电力系统的测试和模拟环境。它可用于测试电池和机动车充电装置，以及太阳能充电和使用项目。

介绍

PSIM是Powersim开发的电子电路仿真软件。它专为电力电子和电机驱动仿真的使用而设计，但也可用于仿真任何类型的电子电路。它有几个外部模块，可将其功能扩展到模拟和电路设计的特定领域，例如设备控制、电动机、光伏和风力涡轮机。它被工业广泛用于研究和产品开发，通常在学校用于研究和教学。PSIM 特别适用于需要较长处理时间的模拟。最新的软件版本提供了使用 LTspice 引擎的可能性。SPICE 模型库非常广泛，还包括工业设备。使用 SPICE 模型，

门极驱动的特点

过渡紧张局势的演变

开关和传导损耗

寄生相互作用

在单一集成环境中，用户可以从 PSIM 仿真无缝轻松地切换到 SPICE 仿真。由此产生的好处是很多的，PSIM 和 SPICE 的结合为您的所有设计需求提供了理想的环境。可以在 PSIM 中从概念的角度检查电路，然后使用 SPICE 对其进行开发和更彻底的研究。SPICE 模块是 PSIM 的附加选项。如前所述，它允许以非常简单的方式与 LTspice 进行连接和交互。您只需要在 PSIM 环境中创建一个电路图，然后按一个按钮即可运行 LTspice 仿真。通过这种方式，可以模拟其他制造商的组件。如图 1所示，PSIM 仿真环境包括：

PSIM原理图程序

两个仿真引擎(PSIM 和 SPICE)

SIMVIEW波形处理程序，波形显示和后处理模块

图 1：PSIM 的基本组成部分

内置 C 编译器的存在允许您插入和测试您自己的自定义 C 代码。大量在线资源可让您根据需要获得帮助和建议。除了基本包之外，PSIM 还可以包括以下附加模块：

数字控制模块

混合动力汽车设计套件

磁耦合器模块

MagCoupler-RT 模块

ModCoupler5 模块

电机控制设计套件

电机驱动模块

SimCoupler 模块

可再生能源模块

SimCoder3 模块

F2833x 目标

F2803x 目标

F2802x 目标

F2806x 目标

F2837x 目标

PE-Expert4 目标

PIL 模块

散热模块

PSIM uses the numerical nodal analysis algorithm with trapezoidal integration. It is important to underline that PSIM solves all equations simultaneously and does not generate system-level matrices, as other simulators do. The latter can lead to convergence problems when there are many derivatives. PSIM, on the other hand, is based on the EMTP techniques for computational methods used for solving electromagnetic transients, developed by Dr. H. Dommel.

How to use the solar module

This model simulates the behavior of the sun with greater precision, as it works both on the intensity of light and the variation in temperature. The parameters involved in the calculations are numerous:

Number of cells

Standard light intensity

Reference temperatures

Series resistance of each solar cell

Shunt resistance of each solar cell

每个太阳能电池在参考温度下的短路电流

每个太阳能电池的二极管在参考温度下的饱和电流

每个太阳能电池的能带能量

理想因子，也称为发射系数

定义光强度如何影响太阳能电池温度的Ks系数

为了清楚地了解 PSIM 是什么，我们可以在太阳能模块上对其进行测试。该模块的物理模型包括光强度和环境温度的变化。但是，它需要大量的输入参数。一些参数可以从制造商的技术文档中获得，但其他参数必须通过反复试验获得。因此，首先要进行的操作是在制造商的技术表中输入信息，如图2所示。

图 2：太阳能设备的数据必须在程序中上报。

然后估计参数Eg、A、Rsh和Ks的值。它们通常不会在技术表中报告。他们描述：

例如：带能

A：理想因素

Rsh：分流电阻

Ks：系数

Eg带能量的良好初始估计对于晶体硅可能是 1.12 eV，对于非晶硅约为 2 eV。理想因子的良好初始值对于晶体硅约为 2，而对于非晶硅则小于 2。分流电阻的推荐值为几千欧姆。最后，如果未知，可以将Ks系数的初始值设置为0。在示例中，我们可以设置如下参数：

例如= 1.12

A = 1.2

Rsh = 1,000

KS = 0

基于此信息，程序通过单击“计算参数”按钮计算其他参数。您将获得以下值：

卢比= 0.0108

Isc0 = 3.8

Is0 = 2.16E-8

Ct = 0.00247

请注意，所有计算均为近似值，仅提供基本值。用户可以根据自己的需要进行调整，以适应 IV 曲线。然后可以微调这些参数，提供光强度S和环境温度Ta以获得 IV 和 PV 曲线。此处还将计算最大功率点。如果我们定义S = 1,000 W/m 2和Ta = 25°C，则最大功率点等于：

Pmax = 59.27 瓦

Vmax = 16.73 V

Imax = 3.54 A

最大功率和电压均低于数据表中的值 60 W 和 17.1 V。需要调整参数Eg、A、Rsh、Ks、Rs、Is0和Ct以获得更好的拟合。在本例中，如果我们将串联电阻 Rs 更改为 0.008 Ω，则计算数据将等于：

Pmax = 60.54 瓦

Vmax = 17.04 V

Imax = 3.55 A

更接近数据表的值。最终曲线如图 3所示。

图 3：太阳能组件计算

彼此相同的不同太阳能模块通常串联连接以形成太阳能阵列。太阳能模块块可用于对太阳能阵列进行建模。图 4显示了两个串联的 Solarex MSX-60 太阳能模块及其组合块。组合块模型的参数与单个太阳能组件相同，只是电池片数Ns为 2。当多个组件串联时，如果光照强度和环境温度，每个组件都需要一个旁路二极管输入不同。此外，每个模块都需要一个 30nF 的小型电容器来提高数值收敛性。

图 4：串联连接的两个太阳能模块

设计电源非常容易

PSIM 允许用户在理想器件之间轻松切换到详细的开关模型、真实热器件和 SPICE 模型。这使您可以根据自己的仿真需求选择合适的模型(参见图 5)。在模拟方面，它是市场上最快的之一，即使对于极其复杂的项目也是如此。这意味着设备设计和测试与实际实施之间的时间最短。功率转换器和控制系统的仿真，即使是非常大和复杂的系统，都可以在很短的时间内完成，因为软件是为这些活动而开发的。

电源转换器的任务是通过提供适合用户负载的电压和电流来控制电能的流动。最初，能量转换是通过机电转换器获得的。今天，由于高性能半导体的存在，转换是通过电路进行的，无需机械元件的干预。由此产生的优势数不胜数：重量和体积大大降低，静态和动态性能显着提高。静态转换器由一组电气元件组成，充当两个电源之间的适应和转换阶段，通常在发电机和负载之间。

图 5：降压转换器的示意图示例

瞬态电压电平准确地显示在仿真图上，如图 6所示。

图 6：仿真图

电机驱动模块

这是基本 PSIM 程序的附加模块。它为电机驱动系统研究提供机器模型和机械负载模型和电机(见图 7)。它可以节省设计基于电力电子的复杂电机控制系统的时间。由于机器和控制器建模的复杂性，驱动系统的分析和设计都是一项挑战。它包含常用的电机模型、机械负载和控制块(例如 MTPA 和 FWControl)。也可以使用永磁同步电机 (PMSM)、开关磁阻电机、感应电机和无刷电机。

图 7：PSIM 提供不同类型的电机。

出于模拟目的，需要指定的一些重要参数包括以下信息：

Ra：电枢绕组电阻，单位为欧姆

La：电枢绕组电感，单位为亨利

Rf：绕组场电阻，单位为欧姆

Lf：绕组场的电感，单位为亨利

机器转动惯量，kg × m 2

Vt：电枢端子的额定电压，以伏特为单位

Ia：额定电枢电流，单位为安培

n：额定转速，以每分钟转数为单位

该模块允许相对简单的电机控制设计。给定系统的输入规格，在高层次上，程序会自动设计所有必要的控制器。输入每个模块的参数后，可以根据运行条件生成所有参数大小的电路，电路准备好进行仿真。通常，电机驱动系统由直流母线、逆变器、电机、控制器和机械负载组成。

组件和组件

PSIM 包括任何电子的、虚拟的、理想的和真实的组件。提供的库非常广泛，可以通过 SPICE 模型无限扩展。以下简短列表(但并非详尽无遗)是一个证明：电阻器、电感器、电容器、变阻器、可饱和电感器、三相 P-/Q 控制负载、三相交流电、电缆、非线性元件、二极管、发光二极管 (LED)、齐纳二极管、双向可控硅、晶闸管和 TRIAC、NPN 和 PNP 晶体管、理想 BJT、MOSFET、IGBT、GTO、双向开关、门控模块、预置开关模块、二极管桥模块、晶闸管桥模块、逆变器模块、 NPC 电桥模块、变压器、磁性元件、绕组、漏磁通路径、气隙、线性磁芯、可饱和磁芯、运算放大器、分流稳压器、光耦合器、dV/dt 块、继电器、电机驱动模块、

电池型号

需要特别注意的是用户可以根据自己的需要选择不同的电池型号(见图8)。在这种情况下，可以选择许多运行参数以完美地遵循发电机的特性。

图 8：电池模块主要用于模拟锂电池。

今天的电池管理是一个极其敏感的领域。蓄电池的使用，几乎在任何技术分支中，都要求设计者和用户最大限度地保护它们。主要目标集中在优化自主性和更长的电池寿命。

与这种类型的模拟并行，看看ION Energy 项目很有用，该项目旨在从设计到分销创建高质量的电池。ION Energy 的电池设计和生态系统专注于可定制和模块化的方法，旨在设计特定用途的锂离子 (Li-ion) 和 BMS 电池组(见图 9)。根据锂离子电池的应用类型和要求，将仔细选择正确的电池化学成分和最有效的材料，以实现最大效率。一旦选择了理想的锂离子电池，就必须评估对应用的所有适应性，以验证最大效率。锂离子电池最重要的参数之一是温度。对于高效和持久的电池，热管理起着关键作用。因此，还需要设计一个合适的冷却系统。最后的步骤之一是电池的设计和机电组装，通过适合最终应用的合适外壳。“我们的旗舰电池管理和智能平台融合了嵌入式电子设备和数据分析，以提高锂离子电池的寿命和性能，”联合创始人兼首席执行官 Akhil Aryan 说。ION Energy 的高质量软件和模块化硬件可确保故障安全操作和保护电池免受过充电、热放电和过电流的影响。

“电池之间的退化率并不统一，”Aryan 说。“即使在同一个机架内，不同的电池也可能因不同的运行条件而以不同的速率退化。每个项目都有数千个包，因此可靠地发现问题并采取必要的措施变得很复杂。这就是数据分析和软件被证明有用的地方——它可以监控每个包装并浮动优先行动，从而在问题出现时及时采取行动，帮助维持安全操作和持久的电池。

“目前，Edison Analytics 的目标是电网规模和公用事业规模的电池储能系统，”他补充说。“我们与 esVolta 的合作是迄今为止该领域最大的电池智能交易之一。今天的电池储能产业是一个即将到来的空间，也是提高电网可靠性和效率的一项重要技术。”

到2022年，全球电池产能将超过400 GWh。因此，需要更智能的电池管理来实现可靠和高效的电池运行。该公司基于软件的方法结合了先进的电子技术、机器学习软件和人工智能。这是通过引入电子平台即服务 (PaaS) 模型来实现的，该模型可以优化生产并节省相关成本。高性能电池的设计是ION Energy的强项。可能的应用包括轻型电动和混合动力汽车、摩托车、踏板车和三轮汽车。该系统不仅包括电池，还支持超级电容器。借助先进的算法，该公司能够对电池进行充电状态 (SOC) 和健康状态 (SOH) 估计。除了传统的过压、欠压、过流、过温、欠温保护措施外，公司还开发并实施了检测电路和测试算法，防止故障，保障电池安全。但是一个简单的保护电路是不够的。电池是最终应用的重要且昂贵的组件。因此，BMS配备了内存来记录每一秒的电池寿命。软件平台允许工程师访问这些数据并提取信息以改进电池和应用程序设计。主要目标是使电池尽可能长时间地使用。平均而言，锂离子电池在其整体状况开始恶化之前持续大约 800 到 1,000 次充电/放电循环。对于电动滑板车来说，这种自治相当于覆盖10000到15000公里，并不算多。使用从实施中收集的信息，可以在各种天气条件下显着增加此限制。获得的所有知识都转化为算法，以防止电池可能出现的劣化并延长其使用寿命。

具有保形形状和多种功能的电池可以为机器人设备的设计提供新的自由度，如今这些设备已经能够执行令人难以置信的壮举。他们可以达到更高高度的一种方法是，如果他们的一些结构材料将能量储存增加一倍，就像动物体内的脂肪一样。科学家们现在已经用一种多功能电池证明了这种方法，该电池使蝎形机器人的结构材料翻了一番。这项工作由密歇根大学的工程师进行，他们正在研究廉价、无毒的锌 (Zn) 电池为新一代机器人设备供电的潜力。

“我们在这些电池中使用了锌空气化学而不是典型的锂离子电池，这使我们能够在电池容量和充电率方面取得巨大的进步，”密歇根大学的 Nick Kotov 教授说。“它的实施使我们能够完全摆脱传统的独立电池，让我们的细胞成为机器人‘器官’的一部分。这与生物体内能量的储存方式相同。因此，这些电池是生物形态的。使锌空气化学作用于可用于这种容量的电池的一个关键部分是强离子分离膜的化学设计，使这些电池能够充电。在仿生分布式储能系统中，膜的结构也是使用 Nature 的模板设计的。

“锂矿非常稀有，开采成本很高，”他补充道。“锂离子电池还需要使用易燃电解质来增加功率。锌空气电池由富含地球的金属制成。它们还可以存储比经典锂离子电池多 3 倍的能量。最重要的是，使它们可充电的仿生纳米纤维膜可以通过回收使用过的凯夫拉尔背心来批量生产，否则会导致塑料污染。”

新的存储解决方案与强大的分析解决方案的重要性将使电力电子提供越来越多的新的最先进的解决方案。

审核编辑：汤梓红