基于TL431的电动汽车多节串联锂电池模拟器 - 全文

　　在电动汽车BMS（电池管理系统）检验中，需要制作105节的串联锂离子电池模拟器，用于测试BMS对每节电池电压的测量准确度，使用6位半电压表的读数与BMS的测量值进行对比，以评估BMS电池电压测量的准确性。要求模拟器：①模拟的每节电压都独立可调，调节范围为2.5～4.5V；②电压稳定度在2mV以内；③输出电流满足BMS测量前端的要求即可，不需要考虑模拟电池的充电功能和均衡功能。

　　由于电池是串联结构，所以通常的做法是采用105个独立的直流电源，把它们首尾相联地串起来完成，方法有2个：①市电经过隔离式AC-DC得到12V直流，然后给多个隔离式DC-DC（12V转5V）供电，5V电压再经过可调稳压器，得到模拟的电池电压输出，它们首尾串联，如图1所示；②采用多个变压器，每个变压器有多个副边绕组，每个绕组模拟一节电池。副边绕组输出电压经整流、滤波、可调稳压后，其正负输出相串联，如图2所示（图中只画了1个变压器），得到各个模拟值。

　　

　　图1多个DC-DC串联

　　图1的工作方式，需要105个隔离式开关DCDC，体积大、成本高，同时DC-DC的噪声在几十毫伏以上，不能满足测量要求。图2的工作方式，需要订做几十个变压器，订做周期长，体积大。为解决上述问题，本文作者设计制作了一套模拟器。

　　

　　图2多个变压器的直流输出串联

　　1、模拟器工作原理

　　本模拟器由工作电源单元、恒流源单元和电池电压模拟单元3部分组成，工作原理如图3所示。图中，SW-SPST表示单刀单掷开关，用以模拟断线故障；T1（Trans）表示电源变压器；WR1、WR2都是可变电阻；Bridge表示二极管整流全桥；FUSE表示熔断器。变压器T1的输出电压经整流滤波后产生直流高压，各路TL431电路相串联，调整每路的多圈电位器即可改变相应的电压输出（输出范围：2.5～4.5V），同时可使之稳定在0.2mV以内。这里TL431相当于一个可调基准源，稳压管用来保护TL431。25mA恒流源与模拟的电池串联，为之提供工作电流。由于TL431的维持电流最大将近100mA，所以图3中的恒流源可以选择为25mA。

　　

　　图3模拟器原理图

　　针对电动汽车BMS测试具体需求，本文作者在电池电压模拟部分的设计采用了基于应用TL431的方案。

　　2、恒流源设计

　　模拟器中用恒流源给TL431提供恒定的工作电流，以避免电源波动对输出精度的影响。本设计中的恒流源主要有2个作用。

　　1）“吸收”220V交流电压的波动。由于电源电压有+10%～-15%的波动，TL431也在变动，所以在恒流源上要承受将近几百伏的波动而仍要保持回路电流恒定。如果不用恒流源而按照通常加限流电阻的方法，限流电阻上的电流会在很大的范围里波动，电阻的阻值甚至无法选择，而实际上固定电阻不能满足要求。

　　2）提高稳压精度。TL431的典型内阻是0.2Ω，所以10mA的电流波动就会引起2mV的电压波动，所以不使用恒流源就不能满足电压稳定度的要求。

　　

　　图4恒流源电路图

　　恒流源电路使用TL431及耐压在400V以上的功率管来完成，原理如图4所示。图中晶体管使用NMOS管（1N60），Rs=100Ω（金属膜），电流值=2500／Rs（mA），改变Rs可以调整恒流电流值。恒流源电路板如图5所示。

　　

　　图5恒流源电路板

　　3、变压器选择及其接线

　　模拟器中电源部分的变压器T1（见图3）的额定功率可选择20～30W，考虑到220V单相供电的电压允许偏差为额定电压的+7%、-10%，变压器的交流输出电压Ux可按下式估算

　　

　　式中：0.90——220V供电交流电压下限系数；1.3——交流有效值电压整流成直流电压的全桥整流系数；Ub——锂电池的最高电压；N——电池节数；Us——恒流源正常工作的最小压降。

　　若Ub为4.5V，N为105，Us为15V，代入（1）式得Ux=417V。

　

　　图6直流高压产生电路图

　　可是，这种规格的变压器市场上不容易买到，需要订做。市场上容易买到的是额定电压为110V的变压器，我们可采用几个此种变压器，将其副边AC110V经整流、滤波后得到150V直流，再将4个这样的直流输出串联，即可得到想要的直流高压，如图6所示。当Ux=417V时就需要用4个220V／110V变压器及相应整流滤波组合，此时，恒流源NMOS管承受的最大压降Ud出现在交流输入是上限（即额定电压的107%）、每一节电池电压最低点为2.5V时，其值为：Ud=110×107%×1.3×4-2.5×105=349.5V。

　　25mA时NMOS管道耗散功率约为9W，需要加散热片。

　　本模拟器电路通过multisim仿真，结果显示：当调节电位器时，相应模拟电池电压也按要求改变；调整交流输入电压，每节电池模拟电压保持不变，抗电源波动能力较强，仿真效果较好。模拟器电路板如图7所示。

　　

　　图7模拟器电路板

　　4、结语

　　TL431是一个性价比很高的芯片，应用TL431完成了方案的设计和制作，对于BMS的评价起到了很好的作用。实际制作的模拟器模拟的电池电压输出稳定在0.2mV以内，效果很好。与真实车载电池相比，电压调节极为方便，且体积小、质量轻、成本低廉。