基于TL431的电动汽车多节串联锂电池模拟器

　　在电动汽车BMS（电池管理系统）检验中，需要制作105节的串联锂离子电池模拟器，用于测试BMS对每节电池电压的测量准确度，使用6位半电压表的读数与BMS的测量值进行对比，以评估BMS电池电压测量的准确性。要求模拟器：①模拟的每节电压都独立可调，调节范围为2.5～4.5V；②电压稳定度在2mV以内；③输出电流满足BMS测量前端的要求即可，不需要考虑模拟电池的充电功能和均衡功能。

　　由于电池是串联结构，所以通常的做法是采用105个独立的直流电源，把它们首尾相联地串起来完成，方法有2个：①市电经过隔离式AC-DC得到12V直流，然后给多个隔离式DC-DC（12V转5V）供电，5V电压再经过可调稳压器，得到模拟的电池电压输出，它们首尾串联，如图1所示；②采用多个变压器，每个变压器有多个副边绕组，每个绕组模拟一节电池。副边绕组输出电压经整流、滤波、可调稳压后，其正负输出相串联，如图2所示（图中只画了1个变压器），得到各个模拟值。

　　

　　图1多个DC-DC串联

　　图1的工作方式，需要105个隔离式开关DCDC，体积大、成本高，同时DC-DC的噪声在几十毫伏以上，不能满足测量要求。图2的工作方式，需要订做几十个变压器，订做周期长，体积大。为解决上述问题，本文作者设计制作了一套模拟器。

　　

　　图2多个变压器的直流输出串联

　　1、模拟器工作原理

　　本模拟器由工作电源单元、恒流源单元和电池电压模拟单元3部分组成，工作原理如图3所示。图中，SW-SPST表示单刀单掷开关，用以模拟断线故障；T1（Trans）表示电源变压器；WR1、WR2都是可变电阻；Bridge表示二极管整流全桥；FUSE表示熔断器。变压器T1的输出电压经整流滤波后产生直流高压，各路TL431电路相串联，调整每路的多圈电位器即可改变相应的电压输出（输出范围：2.5～4.5V），同时可使之稳定在0.2mV以内。这里TL431相当于一个可调基准源，稳压管用来保护TL431。25mA恒流源与模拟的电池串联，为之提供工作电流。由于TL431的维持电流最大将近100mA，所以图3中的恒流源可以选择为25mA。

　　

　　图3模拟器原理图

　　针对电动汽车BMS测试具体需求，本文作者在电池电压模拟部分的设计采用了基于应用TL431的方案。

　　2、恒流源设计

　　模拟器中用恒流源给TL431提供恒定的工作电流，以避免电源波动对输出精度的影响。本设计中的恒流源主要有2个作用。

　　1）“吸收”220V交流电压的波动。由于电源电压有+10%～-15%的波动，TL431也在变动，所以在恒流源上要承受将近几百伏的波动而仍要保持回路电流恒定。如果不用恒流源而按照通常加限流电阻的方法，限流电阻上的电流会在很大的范围里波动，电阻的阻值甚至无法选择，而实际上固定电阻不能满足要求。