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电池管理系统BMS的测试

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2020年4月19日
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如何仿真电池特性进行电池管理系统（BMS）的测试？——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）以及各种大功率电池供电系统，都离不开可再生的电能储蓄和释放单元，也就是我们一般说的可充电电池。以锂电池为例，电池必须配合相应的充放电管理系统（BMS）才能保证正常的工作特性和安全，如何仿真电池的特性以进行BMS性能的评估，往往变得非常的困难和复杂。 特别是这些系统的功率往往在上百瓦甚至上千瓦，在进行研发和生产过程中的测试时，就需要有更大功率的电源和负载，为BMS提供功率输入，而且吸收它们释放出来的能量。对于测试工程师来说，这是一项极其艰巨的挑战。
     最常见的方法，是使用单独的电源供电，再使用负载吸收被测件释放的能量。可是这种方法存在很大的缺陷。主要问题是，这种方法无法实现电源和负载功能的连续转换，与系统实际工作条件大相径庭 ; 而且，必须在系统中使用大功率的开关、继电器等，系统非常复杂，可靠性和可重复性往往无法达到要求。因此，只有将电源输出和功率吸收的功能完全集成到单一仪器或系统中，而且能够实现源与负载功能的无缝转换，才能克服这些缺陷。
接下来我给大家分析和比较三种电池管理系统BMS测试电池仿真的方案！

方案一、使用直流电源和电子负的方法，电源或负载单独工作

工程师往往使用单独的直流电源提供所需的功率，配合电子负载吸收被测件的输出功率，用于其双向再生能源系统和器件的测试。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，而且都有出众的直流精度、稳定性和快速的动态响应，无论被测件是什么。在测试过程中，这种性能是必须，因为被测件是有源和动态的，根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 所示的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

电池仿真系统是典型的电压系统；直流电源和电子负载都工作在恒压 (CV) 模式下。电子负载的电压设置要
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) 的测试就会用到 BSS。其它一些需要单极性双象限直流电源测试的待测件，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，直流电源的输出就会截止，同时，电子负载会进入 CV 的工模式，并将电压钳制在略高的电平上。一般情况下，需要在直流电源输出端添加一个阻塞二极管，以防止被测件启动输出功率时，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。可是，使用这种测试方案的确存在着一些无法避免的缺陷 ：
Ø  直流电源无法使用远端感应，因为如果远端感应线在二极管端，阻塞二极管将会导致直流电源不稳定。
Ø  功率输出和吸收之间的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 电压发生变化时相互进行跟踪。
Ø  为了在测试中协调直流电源和电子负载的工作状态，一般需要更为复杂的系统配置。
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  在电流和温度发生变化时，阻塞二极管的压降会发生变化，直接导致直流电源和电子负载电压之间，需要
Ø  增加几百毫伏的死区电压。

     特别是后两项因素，限制了双象限工作的灵活性和精度，而且影响了系统的静态工作性能。为了补偿静态工作下的死区电压，需要对 BSS 电压编程控制，使其能根据要求上、下调整，使电压值更接近需要的电压。然而，由于死区电压的存在固有的动态瞬变，进而会与电子负载 CV 模式瞬变交织在一起。

图2 单独直流电源和电子负载的输出－吸收模式跳变，存在明显的死区电压

如何仿真电池特性进行电池管理系统（BMS）的测试？——之二

业界也有工程师经过使用工作区间完全重叠的方法，来避免前面所述的由于非重叠工作区间所造成的问题。图 3 为配置成工作区间完全重叠的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。电子负载的电流设置为固定值，大于被测件能提供的电流最大值。这样，电子负载就会始终保持在 CC 模式下，吸收固定水平的电流和功率。电子负载再也不必应对任何模式交叉问题。直流电源始终保持在 CV 模式中，而且始终供给电流。因此不再需要二极管。结果，此 BSS 配置在整个供给和吸收范围内始终处于 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叠工作的 BSS 配置。

图 3:  进行重叠工作的用于电池仿真器系统 (BSS) 的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，虽然这种这种方法克服了电压死区的问题，但它也有一些缺点：
Ø  直流电源需要非常大，以便能够同时电池管理电路BMS所需要的最大电流和功率，以及电子负载连续吸收的完整电流。例如，为实现 100% 的电流吸收，直流电源需要增大两倍以上。
Ø  电子负载经常消耗全部功率，对于大系统来说必须考虑到这一点。
Ø  测量需要读取直流电源和电子负载的电流并求差值，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。

如何仿真电池特性进行电池管理系统（BMS）的测试？——之三

如果将输出和吸收功率的功能整合到单一仪器中，能够减少使用单独的直流电源和电子负载来配置功率输出和和吸收解决方案的缺点。这些功能进行整合之后，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、无瞬态现象的切换。也无需经常消耗大量功率。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所有电流，能够显著提高测量性能。主要挑战在于市场上缺少适合的仪器能够充分满足当前双象限和再生能源系统和器件的测试需求，使工程师除了使用单独的直流电源和电子负载之外别无选择。

安捷伦先进电源系统 (APS) N6900/N7900 直流电源具有综合供给和吸收特性

    图4 ： APS先进电源系统                         图5 APS支持的电压和电流范围
APS N6900A/N7900A 直流电源是专为满足当前双象限和再生能源系统和器件的测试需求而量身定制的。
其主要特性包括 ：
Ø  高能效 1U 高 1 KW 型号和 2U 高 2 KW 型号，在最小的空间内提供大功率。
Ø  内置相当于输出能力 10% 的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%的功率吸收。
Ø  可选择广泛的输出电压，满足当前各种被测件和应用的需求。
Ø  电压和电流优先工作为供给和吸收测试提供了更大的灵活性，不受被测件特性的限制。
Ø  双象限测量系统可用于精确的电压、电流、功率、电荷和能量测量。
Ø  APS N7900 动态直流电源先进的供给和测量能力可用于创立动态输出事件，进行瞬态测量，连续记录电压、电流和功率等。
Ø  具有可配置逻辑的先进触发信号路由可用于创立适用于特定应用的控制、触发和保护特性，有助于轻松应
Ø  对特别具有挑战性的测试问题。
Ø  独一无二的模块化体系结构支持对高达 10 kW 的综合供给 - 吸收系统进行轻松扩展，用于测试更大功率的被测件。

   图 6. APS 和 N7909A 完美的供给 - 吸收响应

APS 的先进测量性能

    当您使用单独的直流电源和电子负载时，无法使用电源内置的功率吸收功能。而 APS 配合 N7909A 功率耗散器单元 ( 取决于 APS 单元的额定功率 ) 便可轻松升级到高达100% 的功率吸收功能。如图 6 所示，当在类似于图 2 所示使用单独直流电源和电子负载时的条件下进行测试时，即使在高 10 倍的电压分辨率下，APS 和 N7909A 仍可提供完美无缺、稳定可靠的电压性能，同时在供给和吸收之间进行切换，进行精确的电压、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的一部分。当使用单独的直流电源和电子负载作为基础构建供给－吸收测试解决方案时，这些测量非常复杂而且有很多问题。至少，必须对从直流电源和电子负载读回的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的能力进行累积电量和能量测量，因此需要您添加外部记录测量能力，但这同时也增加了复杂性并带来其它问题。
       APS 的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的不足。进行精确的电压、电流、功率、电荷和能量测量对于 APS 来说轻而易举。
    例如，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，同时捕获其电压、电流和能量时，所供给而后在超级电容器上恢复的电流、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)、替代能源电源以及许多其它现代电源系统都依赖于双向和再生能源系统和器件。许多这些双向能源系统和器件都是在千瓦级功率下工作。因此，要开发和生产这些系统和器件，必须能够供给和吸收 kW 级和更大功率，这对于测试工程师来说是一项非常艰巨的挑战。
    最常见的方法是使用单独的直流电源和电子负载进行功率输出和吸收。然而，由于输出和吸收是独立的，实际上有可能产生许多问题并影响性能。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的最佳性能。
    安捷伦 APS N6900/N7900 直流电源系统具有一体化的功率输出和吸收能力，专为满足当前双向和再生能源系统和器件的测试需求而量身定制。因此，安捷伦 APSN6900/N7900 直流电源能够克服所有挑战，创立大功率供给 - 吸收测试解决方案，提供唯有综合解决方案才具有的最佳性能，而且能够解放测试资源，使这些资源可用于应对其它必须克服的挑战!