電源設(shè)計(jì)說明：仿真軟件和電池

今天的技術(shù)需要復(fù)雜的電源電路，甚至在構(gòu)建之前就需要進(jìn)行模擬。這些組件昂貴且測試耗時。在PSIM電子模擬器是用于測試的電池和車輛用充電裝置以及項(xiàng)目用于再充電，并使用太陽能的測試和仿真環(huán)境。

介紹

PSIM是Powersim公司開發(fā)的一款電子電路仿真軟件。它專為電力電子和電機(jī)驅(qū)動仿真而設(shè)計(jì)，但也可用于仿真任何類型的電子電路。它有幾個外部模塊，可擴(kuò)展其在特定仿真和電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的功能，例如設(shè)備控制、電動機(jī)、光伏和風(fēng)力渦輪機(jī)。它被工業(yè)界廣泛用于研究和產(chǎn)品開發(fā)，通常被學(xué)校用于研究和教學(xué)。PSIM 特別適用于需要較長處理時間的模擬。最新的軟件版本提供了使用 LTspice 引擎的可能性。SPICE 模型庫非常廣泛，還包括工業(yè)設(shè)備。通過使用 SPICE 模型，

柵極驅(qū)動的特點(diǎn)

過渡緊張局勢的演變

開關(guān)和傳導(dǎo)損耗

寄生相互作用

在單個集成環(huán)境中，用戶可以無縫、輕松地從 PSIM 仿真切換到 SPICE 仿真。由此產(chǎn)生的好處很多，PSIM 和 SPICE 的組合為您的所有設(shè)計(jì)需求提供了理想的環(huán)境。可以在 PSIM 中從概念的角度檢查電路，然后使用 SPICE 對其進(jìn)行更深入的開發(fā)和研究。SPICE 模塊是 PSIM 的附加選項(xiàng)。如前所述，它允許以非常簡單的方式與 LTspice 進(jìn)行連接和交互。您只需要在 PSIM 環(huán)境中創(chuàng)建電路圖，然后按一個按鈕即可運(yùn)行 LTspice 仿真。通過這種方式，可以模擬其他制造商的組件。如圖1所示，PSIM仿真環(huán)境包括：

PSIM原理圖程序

兩個仿真引擎（PSIM 和 SPICE）

SIMVIEW波形處理程序、波形顯示和后處理模塊

圖 1：PSIM 的基本組成部分

內(nèi)置 C 編譯器的存在允許您插入和測試您自己的自定義 C 代碼。大量在線資源可讓您根據(jù)需要獲得幫助和建議。除了基本包，PSIM 還可以包括以下附加模塊：

數(shù)字控制模塊

HEV設(shè)計(jì)套件

磁耦合模塊

MagCoupler-RT 模塊

ModCoupler5 模塊

電機(jī)控制設(shè)計(jì)套件

電機(jī)驅(qū)動模塊

SimCoupler 模塊

可再生能源模塊

SimCoder3 模塊

F2833x 目標(biāo)

F2803x 目標(biāo)

F2802x 目標(biāo)

F2806x 目標(biāo)

F2837x 目標(biāo)

PE-Expert4 目標(biāo)

PIL模塊

散熱模塊

PSIM 使用梯形積分的數(shù)值節(jié)點(diǎn)分析算法。需要強(qiáng)調(diào)的是，PSIM 同時求解所有方程并且不會像其他模擬器那樣生成系統(tǒng)級矩陣。當(dāng)有很多導(dǎo)數(shù)時，后者會導(dǎo)致收斂問題。另一方面，PSIM 基于 EMTP 技術(shù)，該技術(shù)用于解決電磁瞬變的計(jì)算方法，由 H. Dommel 博士開發(fā)。

如何使用太陽能模塊

該模型更精確地模擬太陽的行為，因?yàn)樗瑫r作用于光強(qiáng)度和溫度變化。計(jì)算中涉及的參數(shù)很多：

細(xì)胞數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)

參考溫度

每個太陽能電池的串聯(lián)電阻

每個太陽能電池的分流電阻

每個太陽能電池在參考溫度下的短路電流

參考溫度下各太陽能電池二極管的飽和電流

每個太陽能電池的能帶能量

理想因子，也稱為排放系數(shù)

定義光強(qiáng)度如何影響太陽能電池溫度的Ks系數(shù)

為了清楚地了解 PSIM 是什么，我們可以在太陽能模塊上對其進(jìn)行測試。該模塊的物理模型包括光強(qiáng)度和環(huán)境溫度的變化。但是，它需要很多輸入?yún)?shù)。一些參數(shù)可以從制造商的技術(shù)文檔中獲得，但其他參數(shù)必須通過反復(fù)試驗(yàn)獲得。因此，首先要進(jìn)行的操作是在制造商的技術(shù)表中輸入信息，如圖 2所示。

圖2：太陽能裝置的數(shù)據(jù)必須在程序中上報(bào)。

然后估計(jì)參數(shù)Eg、A、Rsh和Ks的值。它們通常不會在技術(shù)表中報(bào)告。他們描述：

例如：帶能量

A : 理想因子

Rsh : 分流電阻

Ks : 系數(shù)

對于晶體硅，Eg帶能量的良好初始估計(jì)可能為 1.12 eV，對于非晶硅約為 2 eV。理想因子的良好初始值對于晶體硅約為 2，對于非晶硅小于 2。分流電阻的推薦值為幾千歐。最后，如果未知，可以將Ks系數(shù)的初始值設(shè)置為 0。在示例中，我們可以設(shè)置以下參數(shù)：

例如= 1.12

A = 1.2

Rsh = 1,000

KS = 0

根據(jù)此信息，程序通過單擊“計(jì)算參數(shù)”按鈕計(jì)算其他參數(shù)。您將獲得以下值：

盧比= 0.0108

Isc0 = 3.8

Is0 = 2.16E-8

Ct = 0.00247

請注意，所有計(jì)算都是近似值，僅提供基本值。用戶可以根據(jù)自己的需要調(diào)整它們以適應(yīng)IV曲線。然后可以微調(diào)這些參數(shù)，提供光強(qiáng)度S和環(huán)境溫度Ta以獲得 IV 和 PV 曲線。最大功率點(diǎn)也將在這里計(jì)算。如果我們定義S = 1,000 W/m 2且Ta = 25°C，則最大功率點(diǎn)等于：

Pmax = 59.27 瓦

Vmax = 16.73 V

Imax = 3.54 A

最大功率和電壓均低于數(shù)據(jù)表中的 60 W 和 17.1 V。需要調(diào)整參數(shù)Eg、A、Rsh、Ks、Rs、Is0和Ct以獲得更好的擬合。在本例中，如果我們將串聯(lián)電阻 Rs 更改為 0.008 Ω，則計(jì)算出的數(shù)據(jù)將等于：

Pmax = 60.54 瓦

Vmax = 17.04 V

Imax = 3.55 A

更接近數(shù)據(jù)表的值。最終曲線如圖 3所示。

圖 3：太陽能組件計(jì)算

彼此相同的不同太陽能模塊通常串聯(lián)連接以形成太陽能電池陣列。太陽能模塊塊可用于模擬太陽能電池陣列。圖 4顯示了兩個串聯(lián)的 Solarex MSX-60 太陽能模塊及其組合塊。組合塊模型的參數(shù)與單個太陽能組件相同，只是電池片數(shù)Ns為2。當(dāng)多個組件串聯(lián)時，如果光強(qiáng)和環(huán)境溫度不同，每個組件都需要一個旁路二極管輸入不同。此外，每個模塊上都需要一個 30nF 的小電容器以提高數(shù)值收斂性。

圖 4：串聯(lián)的兩個太陽能模塊

設(shè)計(jì)電源極其簡單

PSIM 允許用戶輕松地在理想器件到詳細(xì)開關(guān)模型、真實(shí)熱器件和 SPICE 模型之間切換。這使您可以選擇適合您的仿真需求的合適模型（參見圖 5）。在模擬方面，它是市場上最快的之一，即使對于極其復(fù)雜的項(xiàng)目也是如此。這意味著設(shè)備設(shè)計(jì)和測試及其實(shí)際實(shí)施之間的時間最短。電源轉(zhuǎn)換器和控制系統(tǒng)的仿真，即使是非常大和復(fù)雜的系統(tǒng)，也可以在短時間內(nèi)完成，因?yàn)樵撥浖菫檫@些活動而專門開發(fā)的。

電源轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是通過提供適合用戶負(fù)載的電壓和電流來控制電能的流動。最初，能量轉(zhuǎn)換是通過機(jī)電轉(zhuǎn)換器獲得的。今天，由于高性能半導(dǎo)體的存在，轉(zhuǎn)換是通過電路進(jìn)行的，無需機(jī)械元件的干預(yù)。由此產(chǎn)生的優(yōu)勢數(shù)不勝數(shù)：重量和體積大大降低，靜態(tài)和動態(tài)性能顯著提高。靜態(tài)變流器由一組電氣元件組成，充當(dāng)兩個電源之間的適應(yīng)和轉(zhuǎn)換階段，通常在發(fā)電機(jī)和負(fù)載之間。

圖 5：降壓轉(zhuǎn)換器的示意圖示例

瞬態(tài)電壓電平準(zhǔn)確地顯示在仿真圖上，如圖 6所示。

圖 6：模擬圖

電機(jī)驅(qū)動模塊

這是基本 PSIM 程序的附加模塊。它為電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)研究提供機(jī)器模型和機(jī)械負(fù)載模型以及電機(jī)（見圖 7）。它節(jié)省了設(shè)計(jì)基于電力電子的復(fù)雜電機(jī)控制系統(tǒng)的時間。由于機(jī)器和控制器建模的復(fù)雜性，驅(qū)動系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)都是一個挑戰(zhàn)。它包含常用的電機(jī)模型、機(jī)械負(fù)載和控制塊（例如 MTPA 和 FWControl）。還可以使用永磁同步電機(jī) (PMSM)、開關(guān)磁阻、感應(yīng)電機(jī)和無刷電機(jī)。

圖 7：PSIM 提供不同類型的電機(jī)。

為了模擬目的，需要指定的一些重要參數(shù)包括以下信息：

Ra：電樞繞組電阻，單位為歐姆

La：電樞繞組電感，單位為亨利

Rf：繞組場電阻，以歐姆為單位

Lf：繞組磁場的電感，單位為亨利

機(jī)器轉(zhuǎn)動慣量，kg × m 2

Vt：電樞端子的額定電壓，單位為伏特

Ia：額定電樞電流，單位為安培

n：額定轉(zhuǎn)速，每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)

該模塊允許電機(jī)控制的相對簡單的設(shè)計(jì)。給定系統(tǒng)的輸入規(guī)格，在高層，程序自動設(shè)計(jì)所有必要的控制器。輸入每個模塊的參數(shù)后，可以根據(jù)工作條件生成具有所有參數(shù)大小的電路，并且電路已準(zhǔn)備好進(jìn)行仿真。通常，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)由直流母線、逆變器、電機(jī)、控制器和機(jī)械負(fù)載組成。

組件和組件

PSIM 包括任何電子的、虛擬的、理想的和真實(shí)的組件。提供的庫非常廣泛，可以通過 SPICE 模型無限擴(kuò)展。以下簡短列表（但并非詳盡無遺）是一個證明：電阻器、電感器、電容器、變阻器、飽和電感器、三相 P/Q 控制負(fù)載、三相交流電、電纜、非線性元件、二極管、發(fā)光二極管 (LED)、齊納二極管、雙向可控硅、晶閘管和 TRIAC、NPN 和 PNP 晶體管、理想 BJT、MOSFET、IGBT、GTO、雙向開關(guān)、門控塊、預(yù)制開關(guān)模塊、二極管橋模塊、晶閘管橋模塊、逆變器模塊、 NPC 橋模塊、變壓器、磁性元件、繞組、漏磁通路徑、氣隙、線性磁芯、飽和磁芯、運(yùn)算放大器、并聯(lián)穩(wěn)壓器、光耦合器、dV/dt 塊、繼電器、電機(jī)驅(qū)動模塊、

電池型號

需要特別注意用戶可以根據(jù)需要選擇不同的電池型號（見圖8）。在這種情況下，可以選擇許多運(yùn)行參數(shù)，以完美地遵循發(fā)電機(jī)的特性。

圖 8：電池模塊主要用于模擬鋰電池。

今天的電池管理是一個極其敏感的領(lǐng)域。蓄能器的使用，在幾乎任何技術(shù)分支中，都要求設(shè)計(jì)者和用戶最大限度地保護(hù)它們。主要目標(biāo)集中在優(yōu)化自主性和更長的電池壽命。

與此類模擬并行，查看ION Energy 項(xiàng)目很有用，該項(xiàng)目旨在創(chuàng)建從設(shè)計(jì)到分配的高質(zhì)量電池。ION Energy 的電池設(shè)計(jì)和生態(tài)系統(tǒng)側(cè)重于可定制和模塊化的方法，旨在設(shè)計(jì)特定用途的鋰離子 (Li-ion) 和 BMS 電池組（見圖 9）。根據(jù)應(yīng)用類型和鋰離子電池的要求，將仔細(xì)選擇正確的電池化學(xué)成分和最有效的材料，以實(shí)現(xiàn)最大效率。一旦選擇了理想的鋰離子電池，就必須評估對應(yīng)用的所有適應(yīng)性，以驗(yàn)證最大效率。鋰離子電池最重要的參數(shù)之一是溫度。對于高效和持久的電池，熱管理起著關(guān)鍵作用。因此，還需要設(shè)計(jì)足夠的冷卻系統(tǒng)。最后的步驟之一是電池的設(shè)計(jì)和機(jī)電組裝，通過適合最終應(yīng)用的合適外殼?！拔覀兊钠炫炿姵毓芾砗?a href="http://wenjunhu.com/v/" target="_blank">智能平臺融合了嵌入式電子和數(shù)據(jù)分析，以提高鋰離子電池的壽命和性能，”聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Akhil Aryan 說。ION Energy 的高質(zhì)量軟件和模塊化硬件可確保故障安全操作并保護(hù)電池免受過充電、熱放電和過流的影響。

“電池之間的退化率并不一致，”Aryan 說。“即使在同一個機(jī)架內(nèi)，由于不同的操作條件，不同的電池也可能以不同的速度退化。每個項(xiàng)目中有數(shù)千個包，因此可靠地發(fā)現(xiàn)問題并采取必要的措施變得很復(fù)雜。這就是數(shù)據(jù)分析和軟件被證明有用的地方——它可以監(jiān)控每個電池組并提出優(yōu)先行動，從而在出現(xiàn)問題時及時采取行動，幫助維持安全操作和長效電池。

“現(xiàn)在，愛迪生分析的目標(biāo)是電網(wǎng)規(guī)模和公用事業(yè)規(guī)模的電池儲能系統(tǒng)，”他補(bǔ)充道?！拔覀兣c esVolta 的合作是迄今為止該領(lǐng)域最大的電池智能交易之一。今天的電池儲能行業(yè)是一個即將到來的空間，也是提高電網(wǎng)可靠性和效率的重要技術(shù)?！?/p>

到2022年，全球電池產(chǎn)能將超過400GWh。因此，需要更智能的電池管理才能實(shí)現(xiàn)可靠高效的電池運(yùn)行。該公司基于軟件的方法結(jié)合了先進(jìn)的電子技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)軟件和人工智能。這是通過引入電子平臺即服務(wù) (PaaS) 模型來實(shí)現(xiàn)的，該模型通過節(jié)省相關(guān)成本來優(yōu)化生產(chǎn)。高性能電池的設(shè)計(jì)是ION Energy的強(qiáng)項(xiàng)?？赡艿膽?yīng)用包括輕型電動和混合動力汽車、摩托車、踏板車和三輪汽車。這些系統(tǒng)不僅包括電池，還支持超級電容器。借助先進(jìn)的算法，該公司能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行充電狀態(tài) (SOC) 和健康狀態(tài) (SOH) 估計(jì)。除了傳統(tǒng)的過壓、欠壓、過流、過溫、欠溫保護(hù)措施外，公司還開發(fā)并實(shí)施了檢測電路和測試算法，以防止故障，使電池安全。但簡單的保護(hù)電路是不夠的。電池是最終應(yīng)用的重要且昂貴的組件。因此，BMS 配備了內(nèi)存來記錄電池壽命的每一秒。軟件平臺允許工程師訪問這些數(shù)據(jù)并提取信息以改進(jìn)電池和應(yīng)用設(shè)計(jì)。主要目標(biāo)是使電池的使用壽命盡可能長。平均而言，鋰離子電池在整體狀況開始惡化之前可持續(xù)使用大約 800 到 1,000 次充電/放電循環(huán)。對于電動滑板車，這種自主性相當(dāng)于覆蓋了10,000到15,000公里，這并不多。使用從實(shí)現(xiàn)中收集的信息，可以在各種天氣條件下顯著增加此限制。將獲得的所有知識轉(zhuǎn)化為算法，以防止電池單元可能出現(xiàn)的劣化并延長其壽命。

具有保形形狀和多種功能的電池可以為機(jī)器人設(shè)備的設(shè)計(jì)提供新的自由度，如今這些設(shè)備已經(jīng)能夠執(zhí)行令人難以置信的壯舉。它們可以達(dá)到更高高度的一種方法是，如果它們的某些結(jié)構(gòu)材料使它們的能量儲存增加一倍，就像動物的脂肪一樣?？茖W(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)用多功能電池證明了這種方法，該電池將蝎子形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)材料加倍。這項(xiàng)工作由密歇根大學(xué)的工程師進(jìn)行，他們正在研究廉價、無毒的鋅 (Zn) 電池為新一代機(jī)器人設(shè)備提供動力的潛力。

“我們在這些電池中使用鋅空氣化學(xué)代替典型的鋰離子電池，這使我們能夠在電池容量和充電率方面取得巨大進(jìn)步，”密歇根大學(xué)的 Nick Kotov 教授說?！八膶?shí)施使我們能夠完全擺脫傳統(tǒng)的獨(dú)立電池，并使我們的電池成為機(jī)器人“器官”的一部分。這與生物體內(nèi)儲存能量的方式相同；因此，這些電池是生物形態(tài)的。使鋅空氣化學(xué)作用于可用于這種容量的電池的關(guān)鍵部分是強(qiáng)離子分離膜的化學(xué)設(shè)計(jì)，使這些電池能夠充電。適合仿生分布式儲能，膜的結(jié)構(gòu)也是使用來自大自然的模板設(shè)計(jì)的。

他補(bǔ)充說：“鋰礦非常稀有，而且開采成本很高?！?“鋰離子電池還需要使用易燃電解質(zhì)來增加功率。鋅空氣電池由地球上豐富的金屬制成。它們還可以存儲比經(jīng)典鋰離子電池多 3 倍的能量。最重要的是，使它們可充電的仿生納米纖維膜可以通過回收使用過的 Kevlar 背心來批量生產(chǎn)，否則會導(dǎo)致塑料污染?！?/p>

新的存儲解決方案與強(qiáng)大的分析解決方案的重要性將使電力電子設(shè)備能夠提供越來越多的新的最先進(jìn)的解決方案。

審核編輯：劉清