原创 新能源汽车**率器件的测试手段 – 程控电源技术和应用（上）（76）

在电动汽车及混合动力电动汽车（HEV）中， 配备着大功率电池系统，它们依赖于双向的、可再生的能源系统和器件储蓄能量，并且在需要的时候，它们又能提供持续的供电。这些系统和器件包括：充电式电池组、超级电容器、电动机-发电机系统、双向 DC/DC 转换器、电池管理系统（BMS）、制动能源回收系统等等

这些系统和器件通常工作在输千瓦的功率范围。 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，为这些被测件提供功率输入，并且吸收它们释放出来的能量。其功率可高达数千瓦，甚至更高。对于测试工程师来说，这是一项极其艰巨的挑战。最常用的方法， 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。但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，而且可以实现功能的无缝转换，才能克服这些缺陷。

双象限工作与四象限工作的比较

在测试这种双向的、可再生的能源系统和器件时，对于需要什么样的电源和吸收负载，测试工程师们有时对此存在一些误解。他们往往以为双向就是双极，因此需要使用双极性电源进行测试。这实际上是风马牛不相及的。如图 1 所示，在这个四象限中，单极、双向电源的电流、电压工作区域在图中的 I 和 II 象限。它可以输出和吸收电流，而电压必须是正电压。它既可以作为直流电源， 又可以作为电子负载，是一种双象限直流电源。

相比之下，双极电源可以跨越零电压进行过渡，在正电压或负电压上工作。它可以在 I 和 III 象限提供功率，在 II 和 IV 象限吸收功率。

由于这些双向的、可再生的能源器件和系统测试过程中，一方面需要对其供电，另一方面需要吸收被测试输出的电流， 因此，其工作状态明显是单极电压，其测试工作需要的是一个单极双象限直流电源即可完成，实际上，这也是最好的选择。当双象限直流电源作为电子负载在 II 象限中进行连续工作时，必须完全可控的、连续的工作模式。仅使用电源的下编程能力吸收电流，是不足以对这些双向能源系统和器件进行全面测试。

使用直流电源和电子负的方法，会存在电压死区，影响输出/吸收特性

    目前，在市场上很难找到千瓦级功率的双象限直流电源。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， 而电子负载可以连续地吸收，并且都有出色的直流精度、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，这种性能是必需， 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 2 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。

     电池仿真系统典型的电压系统；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，它们不同的电压偏置，会造成一个死区电压，他们不会在这个区域中工作。 电池管理系统（BMS）的测试就会用到BSS。一些其它工作在2象限的双向功率器件，也可以用这套系统来测试。当被测件吸收电流时，电压依靠电压来维持。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。 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。但是，使用这种测试方案的确存在着一些无法避免的缺陷：  

1. 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
2. 功率输出和吸收之间的电压死区存在高阻抗。
3. 需要向直流电源和电子负载分别发送电平电压编程指令，使它在 BSS 电压发生变化时相互进行跟踪。
4. 了在测试中协调直流电源和电子负载的工作状态， 通常需要更为复杂的系统配置。
5. 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。
6. 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， 需要增加几百毫伏的死区电压。

    特别是后两项因素，限制了2双象限灵活性和精度， 并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，使电压值合理接近，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。 如图 3 所示。

通过重叠供给-吸收工作隔离直流电源和电子负载

    如前所述，您可以通过完全重叠的工作避免许多与非重叠工作有关的问题。图 4 为配置用于完全重叠工作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，超过预期被测件供给的最大值。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，并且始终供给电流。因此不再需要阻流二极管。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。不过它也有一些缺点：

•        直流电源需要非常大，以便能够同时供应被测件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。

•        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。

•        测量需要读取直流电源和电子负载的电流并求差值，往往是用两个大值得到一个小值。因此，测量精度会受到影响。

(未完，续下篇）