作者：是德科技KEYSIGHT•
APS （Advanced Power
System）
是德科技新一代電源系統(tǒng)，是最高水平的多功能程控電源，同時配置了強大的分析能力。功率范圍從1KW-20KW
單機，通過并機可擴展至400KW。
電池模擬
（BSS）
開發(fā)動力電池管理電路（BMU）工程師的必備，用于BMU開發(fā)和測試過程中電池的仿真。
鋰電池的最基本單元叫做電芯（Cell），常見的有軟包電芯、圓柱電芯和方形鋁殼電芯，3.7V是鋰離子電芯的標(biāo)稱電壓，容量則是正常電壓區(qū)電壓范圍內(nèi)的電量總和。將多個電芯通過串、并聯(lián)組合成電池模組，多個電池模組最后組合成高電壓等級、高容量的電池包，如Tesla的電池包就是有7000多個18650（新電池包采用21700）圓柱型電芯組合而成。國內(nèi)電動汽車主流采用單體容量更大的鋁殼方形電芯組成。
電池管理電路（BMS）管理著電芯和電池的工作狀態(tài)，包括充、放電、溫度、工作電壓等等，讓電池工作在安全的區(qū)域，確保在不同環(huán)境和工作場景中充分利用電池的能量，延長電池使用壽命，避免電池的損壞和安全隱患。
因此，BMS設(shè)計和性能品質(zhì)對電池組來說是至關(guān)重要的。然而BMS的設(shè)計和測試絕非普通的電源管理（PMS）那么簡單。因為BMU的一邊是如同黑匣子一般的電池，另一邊是復(fù)雜的用電負(fù)載和充電設(shè)備。讓我們先深入這個黑匣子看看究竟。
電池的電壓等級和標(biāo)稱容量
這是所有電池廠家可以提供給BMS開發(fā)工程師的最基本的參數(shù)。如下圖所示
但對于BMS研發(fā)和工程師來說，電池廠家給出的這兩個簡單的參數(shù)夠用嗎？！！！
電池內(nèi)阻：關(guān)于這個問題，我想多嘮叨幾句
電池內(nèi)阻是電池內(nèi)部等效串聯(lián)電阻Rs，通常稱為電池交流內(nèi)阻（ACR），或直流內(nèi)阻（DCR）
如下圖，內(nèi)阻直接影響電池充放電過程中的端電壓
1. 電芯在開路（不充放電）時，電壓端電壓等于開路電壓3.79V；
2.
1A放電時，電流出入電池，電池端電壓降低到3.316V；
3. 1A充電時，電流流入電池，電池端電壓上升到3.95V；
需要提醒的是：電池的內(nèi)阻和一般意義上的物理電阻不同。電池內(nèi)阻可分為極化內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻，歐姆內(nèi)阻于電流隨線性變化，而極化內(nèi)阻主要取決于電極材料，電解液，隔膜等，這會導(dǎo)致電池在充、放電過程中的端電壓呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的變化狀態(tài)。
如下圖所示，我們利用APS電源拉載脈沖電流，同時利用其200KSa/s（18bit）高速采樣能力監(jiān)測電池的端電壓，可以看到其變化呈現(xiàn)3個不同階段。
1）∆V1為電池電壓隨電流突變，表現(xiàn)為交流內(nèi)阻ACR，∆V1/I2;
2）∆V2為電池極化過程電壓的變化，表現(xiàn)為直流內(nèi)阻DCR，（∆V2+∆V1）/I2；
3）∆V3為電池在電流I充電時電壓上升率，體現(xiàn)了電池的容量C=I2*t/∆V3.
還要特別注意的是，SoC及溫度對電池的內(nèi)阻影響極大。例如一種電芯，從常溫25℃、Soc為100%時的內(nèi)阻，相比于低溫-20℃、SoC為10%，內(nèi)阻值可以相差55倍！
電池內(nèi)阻直接限制了電池的快充和大電流放電，進而會影響實際放電容量。（注意：電池內(nèi)阻不僅僅是電芯的內(nèi)阻，還應(yīng)包括電池保護/管理電路的引線，電池到電路輸入端的引線電阻）。
因此，在測試BMS的時候，必須對在不同工作場景下電池的內(nèi)阻做最充分的考慮！
電池容量分布
——單位容量對應(yīng)的電壓區(qū)間大小，或單位電壓區(qū)間對應(yīng)的容量大小。
如上圖所示，假設(shè)A、B、C、D四個電芯標(biāo)稱容量相同，而且當(dāng)前開路電壓也都相同，但想一想，當(dāng)前電量也相同嗎？電量分布對電池特性有何影響，有多大的影響？針對以上這4種特性的電池，哪一種不適合快充、哪一種不適合快放呢？結(jié)合上述提到的知識，應(yīng)該不難得出結(jié)論吧！
這些搞清楚了，就可以幫助工程師更好設(shè)計和測試BMS了。但BMS測試時，有不少的工程師通常直接連上鋰電池組進行測試。但鋰電池是一種化學(xué)能源，本身不可控，很難讓它處于測試要求的工作狀態(tài)，也缺乏必要的保護，導(dǎo)致工程師的測試工作舉步維艱，費時費力，不得不徹夜加班，疲憊不堪！
1）動力電池容量大，改變電池的電壓，必須對其進行完整的充、放電，費時費力費錢。
2）在進行過壓、欠壓、過流、高溫等測試時，尚未確保工作性能的電池管理電路，可能會導(dǎo)致電池使用的安全隱患和危險。
利用電池模擬系統(tǒng)（BSS）來替代電池進行BMS、PCS，OBC等電源轉(zhuǎn)換模塊的功能和性能驗證是科學(xué)的選擇。有用電源+負(fù)載組合構(gòu)建BSS方案，也有用雙向電源構(gòu)建的。既然是模擬電池，就需要BSS特性在關(guān)鍵性能上最接近于真實電池。對此，我們給出以下3個重要提示：
提示1：
電流輸出和吸收無縫轉(zhuǎn)換
理想的電池一個恒壓源，而且在輸出電流和吸收電流轉(zhuǎn)換時是無縫，即電池電壓不會因為電流的正負(fù)變化而突變，如上圖所示。但如果采用獨立的電源+負(fù)載組合的BSS，模擬電池恒壓源特性，電源和負(fù)載工作于恒壓CV模式下，且電子負(fù)載電壓要稍高于電源。
同時為了防止電源電流反灌損壞，必須在電源的輸出端串聯(lián)一個阻塞二極管。如下圖所示，該電池模擬器在電流正、負(fù)切換時，就會造成電池電壓的突變。
因此，利用雙向無縫切換能力的APS來仿真電池，就可以避免這個問題。
提示2：
電池內(nèi)阻模擬和UVP（欠壓保護）
前面我們提到，電池內(nèi)阻對電池的充電，放電時的端電壓影響巨大，尤其針對電池快充和高倍率放電等性能的驗證。同時，電池的電壓必須時刻工作于電池的正常工作電壓區(qū)，當(dāng)電壓進入到電壓預(yù)警區(qū)時，電池模擬器應(yīng)該切斷電池的供電。
過壓保護OVP是測試電源標(biāo)配的功能，但APS同時提供獨特的欠壓保護UVP功能，可以很好的起到電壓低于預(yù)警的保護。另外，OVP和UVP保護響應(yīng)時間也是非常重要的性能，例如APS的電壓保護的典型響應(yīng)時間小于30uS。
下圖為APS電腦端程控軟件BV9200，使用ARB任意波形分別施加10A，-10A，0A三個中幅值電流時，APS電源模擬48V電池，內(nèi)阻0.1Ω時，電壓和電流變化。
APS電池內(nèi)阻模擬性能
提示3：
電壓瞬態(tài)響應(yīng)
瞬態(tài)響應(yīng)是指電源在負(fù)載電流突變時，電壓跌落和過沖的波形特征，評價指標(biāo)有響應(yīng)時間為電壓恢復(fù)到輸出值的持續(xù)時間，和過沖幅度百分比或絕對電壓值。
鋰電池的瞬態(tài)響應(yīng)時間幾乎接近0，任何直流電源的瞬態(tài)響應(yīng)速度都不可能優(yōu)于鋰電池。如下圖所示，上述RP7946A模擬的48V電池，在電流0-20A變化時，電壓波動極小（0.5V/48V，約1%）
|
