电池综合管理系统BMS的测试.docx

怎样仿真电池特征进行电池管理系统（BMS）测试？——之一

 不间断电源 (UPS)、混合动力电动汽车 (HEV)、绿色能源系统（太阳能、风能等）和多种大功率电池供电系统，全部离不开可再生电能储蓄和释放单元，也就是我们通常说可充电电池。以锂电池为例，电池必需配合对应充放电管理系统（BMS）才能确保正常工作特征和安全，怎样仿真电池特征以进行BMS性能评定，往往变得很困难和复杂。 尤其是这些系统功率往往在上百瓦甚至上千瓦，在进行研发和生产过程中测试时，就需要有更大功率电源和负载，为BMS提供功率输入，而且吸收它们释放出来能量。对于测试工程师来说，这是一项极其艰巨挑战。
     最常见方法，是使用单独电源供电，再使用负载吸收被测件释放能量。不过这种方法存在很大缺点。关键问题是，这种方法无法实现电源和负载功效连续转换，和系统实际工作条件大相径庭 ; 而且，必需在系统中使用大功率开关、继电器等，系统很复杂，可靠性和可反复性往往无法达成要求。所以，只有将电源输出和功率吸收功效完全集成到单一仪器或系统中，而且能够实现源和负载功效无缝转换，才能克服这些缺点。
接下来我给大家分析和比较三种电池管理系统BMS测试电池仿真方案！

方案一、使用直流电源和电子负方法，电源或负载单独工作

工程师往往使用单独直流电源提供所需功率，配合电子负载吸收被测件输出功率，用于其双向再生能源系统和器件测试。单独而言，直流电源可连续地输出功率，而电子负载能够连续地吸收，而且全部有出色直流精度、稳定性和快速动态响应，不管被测件是什么。在测试过程中，这种性能是必需，因为被测件是有源和动态，依据其状态和工作条件，在输出功率和吸收功率之间转换。
图 1 所表示一套电池仿真器系统 (BSS)，就是将直流电源和电子负载组合起来，进行供电和吸收。

图 1 常见直流电源和电子负载测试方案，集成电池仿真器系统 (BSS)

直流电源处于输出状态，被测件吸收功率 ： V 被测件= (V 直流电源 – V 二极管 )
被测件处于输出状态，电子负载吸收电流 ： V 被测件 = V 负载

电池仿真系统是经典电压系统；直流电源和电子负载全部工作在恒压 (CV) 模式下。电子负载电压设置要
略大于直流电源，在它们之间存在一个电压差会造成一个死区电压，使电池仿真系统无法工作在这个区域中。电池管理系统 (BMS) 测试就会用到 BSS。其它部分需要单极性双象限直流电源测试待测件，也能够用这套系
统来测试。当被测件吸收电流时，电压依靠电源电压来维持。当被测件输出电流时，其电压上升，直流电源输出就会截止，同时，电子负载会进入 CV 工模式，并将电压钳制在略高电平上。通常情况下，需要在直流电源输出端添加一个阻塞二极管，以预防被测件开启输出功率时，反向电流倒灌进入电源。在这种配置中，直流电源直接读取电流值，同时电子负载直接读取吸收电流。不过，使用这种测试方案确实存在着部分无法避免缺点 ：
Ø  直流电源无法使用远端感应，因为假如远端感应线在二极管端，阻塞二极管将会造成直流电源不稳定。
Ø  功率输出和吸收之间电压死区存在高阻抗。
Ø  需要向直流电源和电子负载分别发送电压编程指令，使它们在 BSS 电压发生改变时相互进行跟踪。
Ø  为了在测试中协调直流电源和电子负载工作状态，通常需要更为复杂系统配置。
Ø  电子负载不得不在截止和 CV 工作模式之间跳变，会影响其动态性能。
Ø  在电流和温度发生改变时，阻塞二极管压降会发生改变，直接造成直流电源和电子负载电压之间，需要
Ø  增加几百毫伏死区电压。

     尤其是后两项原因，限制了双象限工作灵活性和精度，而且影响了系统静态工作性能。为了赔偿静态工作下死区电压，需要对 BSS 电压编程控制，使其能依据要求上、下调整，使电压值更靠近需要电压。然而，因为死区电压存在固有动态瞬变，进而会和电子负载 CV 模式瞬变交织在一起。

图2 单独直流电源和电子负载输出－吸收模式跳变，存在显著死区电压

怎样仿真电池特征进行电池管理系统（BMS）测试？——之二

业界也有工程师经过使用工作区间完全重合方法，来避免前面所述因为非重合工作区间所造成问题。图 3 为配置成工作区间完全重合直流电源和电子负载。现在，电子负载在 CC 模式而非 CV 模式下工作。电子负载电流设置为固定值，大于被测件能提供电流最大值。这么，电子负载就会一直保持在 CC 模式下，吸收固定水平电流和功率。电子负载再也无须应对任何模式交叉问题。直流电源一直保持在 CV 模式中，而且一直供给电流。所以不再需要二极管。结果，此 BSS 配置在整个供给和吸收范围内一直处于 CV 模式，没有电子负载模式交叉和静区电压瞬态，也就不会影响到包含非重合工作 BSS 配置。

图 3:  进行重合工作用于电池仿真器系统 (BSS) 直流电源和电子负载

被测件吸收功率 ： I 直流电源 = (I 供给+ I 负载)
被测件供给功率 ： I 直流电源 = (I 吸收( 负值) + I 负载)

   很显然，即使这种这种方法克服了电压死区问题，但它也有部分缺点：
Ø  直流电源需要很大，方便能够同时电池管理电路BMS所需要最大电流和功率，和电子负载连续吸收完整电流。比如，为实现 100% 电流吸收，直流电源需要增大两倍以上。
Ø  电子负载常常消耗全部功率，对于大系统来说必需考虑到这一点。
Ø  测量需要读取直流电源和电子负载电流并求差值，往往是用两个大值相减得到一个小值。此时测量精度会受到影响。

怎样仿真电池特征进行电池管理系统（BMS）测试？——之三

假如将输出和吸收功率功效整合到单一仪器中，能够降低使用单独直流电源和电子负载来配置功率输出和和吸收处理方案缺点。这些功效进行整合以后，能够在闭环控制下工作，在输出和吸收电流和功率之间提供完美、无瞬态现象切换。也无需常常消耗大量功率。直流精度和动态性能将得到提升而不是降低。使用单一测量系统测量全部电流，能够显著提升测量性能。关键挑战在于市场上缺乏适合仪器能够充足满足目前双象限和再生能源系统和器件测试需求，使工程师除了使用单独直流电源和电子负载之外别无选择。

安捷伦优异电源系统 (APS) N6900/N7900 直流电源含有综合供给和吸收特征

    图4 ： APS优异电源系统                         图5 APS支持电压和电流范围
APS N6900A/N7900A 直流电源是专为满足目前双象限和再生能源系统和器件测试需求而量身定制。
其关键特征包含 ：
Ø  高能效 1U 高 1 KW 型号和 2U 高 2 KW 型号，在最小空间内提供大功率。
Ø  内置相当于输出能力 10% 电流和功率吸收综合能力。使用选件 N7909A 功耗单元可轻松增加到输出能力100%功率吸收。
Ø  可选择广泛输出电压，满足目前多种被测件和应用需求。
Ø  电压和电流优先工作为供给和吸收测试提供了更大灵活性，不受被测件特征限制。
Ø  双象限测量系统可用于正确电压、电流、功率、电荷和能量测量。
Ø  APS N7900 动态直流电源优异供给和测量能力可用于创建动态输出事件，进行瞬态测量，连续统计电压、电流和功率等。
Ø  含有可配置逻辑优异触发信号路由可用于创建适适用于特定应用控制、触发和保护特征，有利于轻松应
Ø  对尤其含有挑战性测试问题。
Ø  独一无二模块化体系结构支持对高达 10 kW 综合供给 - 吸收系统进行轻松扩展，用于测试更大功率被测件。

   图 6. APS 和 N7909A 完美供给 - 吸收响应

APS 优异测量性能

    当您使用单独直流电源和电子负载时，无法使用电源内置功率吸收功效。而 APS 配合 N7909A 功率耗散器单元 ( 取决于 APS 单元额定功率 ) 便可轻松升级到高达100% 功率吸收功效。图 6 所表示，当在类似于图 2 所表示使用单独直流电源和电子负载时条件下进行测试时，即使在高 10 倍电压分辨率下，APS 和 N7909A 仍可提供完美无缺、稳定可靠电压性能，同时在供给和吸收之间进行切换，进行正确电压、电流、功率、电量和能量测量，是测试双向和再生能源系统和器件必不可少一部分。当使用单独直流电源和电子负载作为基础构建供给－吸收测试处理方案时，这些测量很复杂而且有很多问题。最少，必需对从直流电源和电子负载读回单独电流进行管理和吸收。直流电源和电子负载很可能没有足够能力进行累积电量和能量测量，所以需要您添加外部统计测量能力，但这同时也增加了复杂性并带来其它问题。
       APS 综合双象限测量系统能够完全填补其综合供给和吸收能力不足。进行正确电压、电流、功率、电荷和能量测量对于 APS 来说轻而易举。
    比如，图 7 和图 8 显示了当使用 APS 和 N7909A 功耗单元对超级电容器进行充放电，同时捕捉其电压、电流和能量时，所供给以后在超级电容器上恢复电流、电压和能量。

图 7. 超级电容器充放电电压和电流                   图 8. 超级电容器充放电能量

总结
    微型、混合动力电动汽车 (HEV)、不间断电源 (UPS)、替换能源电源和很多其它现代电源系统全部依靠于双向和再生能源系统和器件。很多这些双向能源系统和器件全部是在千瓦级功率下工作。所以，要开发和生产这些系统和器件，必需能够供给和吸收 kW 级和更大功率，这对于测试工程师来说是一项很艰巨挑战。
    最常见方法是使用单独直流电源和电子负载进行功率输出和吸收。然而，因为输出和吸收是独立，实际上有可能产生很多问题并影响性能。只有将输出和吸收真正整合到单一系统中，它们才能提供完美无缺最好性能。
    安捷伦 APS N6900/N7900 直流电源系统含有一体化功率输出和吸收能力，专为满足目前双向和再生能源系统和器件测试需求而量身定制。所以，安捷伦 APSN6900/N7900 直流电源能够克服全部挑战，创建大功率供给 - 吸收测试处理方案，提供唯有综合处理方案才含有最好性能，而且能够解放测试资源，使这些资源可用于应对其它必需克服挑战!