电源设计说明：仿真软件和电池

今天的技术需要复杂的电源电路，甚至在构建之前就需要进行模拟。这些组件昂贵且测试耗时。在PSIM电子模拟器是用于测试的电池和车辆用充电装置以及项目用于再充电，并使用太阳能的测试和仿真环境。

介绍

PSIM是Powersim公司开发的一款电子电路仿真软件。它专为电力电子和电机驱动仿真而设计，但也可用于仿真任何类型的电子电路。它有几个外部模块，可扩展其在特定仿真和电路设计领域的功能，例如设备控制、电动机、光伏和风力涡轮机。它被工业界广泛用于研究和产品开发，通常被学校用于研究和教学。PSIM 特别适用于需要较长处理时间的模拟。最新的软件版本提供了使用 LTspice 引擎的可能性。SPICE 模型库非常广泛，还包括工业设备。通过使用 SPICE 模型，

栅极驱动的特点

过渡紧张局势的演变

开关和传导损耗

寄生相互作用

在单个集成环境中，用户可以无缝、轻松地从 PSIM 仿真切换到 SPICE 仿真。由此产生的好处很多，PSIM 和 SPICE 的组合为您的所有设计需求提供了理想的环境。可以在 PSIM 中从概念的角度检查电路，然后使用 SPICE 对其进行更深入的开发和研究。SPICE 模块是 PSIM 的附加选项。如前所述，它允许以非常简单的方式与 LTspice 进行连接和交互。您只需要在 PSIM 环境中创建电路图，然后按一个按钮即可运行 LTspice 仿真。通过这种方式，可以模拟其他制造商的组件。如图1所示，PSIM仿真环境包括：

PSIM原理图程序

两个仿真引擎（PSIM 和 SPICE）

SIMVIEW波形处理程序、波形显示和后处理模块

图 1：PSIM 的基本组成部分

内置 C 编译器的存在允许您插入和测试您自己的自定义 C 代码。大量在线资源可让您根据需要获得帮助和建议。除了基本包，PSIM 还可以包括以下附加模块：

数字控制模块

HEV设计套件

磁耦合模块

MagCoupler-RT 模块

ModCoupler5 模块

电机控制设计套件

电机驱动模块

SimCoupler 模块

可再生能源模块

SimCoder3 模块

F2833x 目标

F2803x 目标

F2802x 目标

F2806x 目标

F2837x 目标

PE-Expert4 目标

PIL模块

散热模块

PSIM 使用梯形积分的数值节点分析算法。需要强调的是，PSIM 同时求解所有方程并且不会像其他模拟器那样生成系统级矩阵。当有很多导数时，后者会导致收敛问题。另一方面，PSIM 基于 EMTP 技术，该技术用于解决电磁瞬变的计算方法，由 H. Dommel 博士开发。

如何使用太阳能模块

该模型更精确地模拟太阳的行为，因为它同时作用于光强度和温度变化。计算中涉及的参数很多：

细胞数

标准光强

参考温度

每个太阳能电池的串联电阻

每个太阳能电池的分流电阻

每个太阳能电池在参考温度下的短路电流

参考温度下各太阳能电池二极管的饱和电流

每个太阳能电池的能带能量

理想因子，也称为排放系数

定义光强度如何影响太阳能电池温度的Ks系数

为了清楚地了解 PSIM 是什么，我们可以在太阳能模块上对其进行测试。该模块的物理模型包括光强度和环境温度的变化。但是，它需要很多输入参数。一些参数可以从制造商的技术文档中获得，但其他参数必须通过反复试验获得。因此，首先要进行的操作是在制造商的技术表中输入信息，如图 2所示。

图2：太阳能装置的数据必须在程序中上报。

然后估计参数Eg、A、Rsh和Ks的值。它们通常不会在技术表中报告。他们描述：

例如：带能量

A : 理想因子

Rsh : 分流电阻

Ks : 系数

对于晶体硅，Eg带能量的良好初始估计可能为 1.12 eV，对于非晶硅约为 2 eV。理想因子的良好初始值对于晶体硅约为 2，对于非晶硅小于 2。分流电阻的推荐值为几千欧。最后，如果未知，可以将Ks系数的初始值设置为 0。在示例中，我们可以设置以下参数：

例如= 1.12

A = 1.2

Rsh = 1,000

KS = 0

根据此信息，程序通过单击“计算参数”按钮计算其他参数。您将获得以下值：

卢比= 0.0108

Isc0 = 3.8

Is0 = 2.16E-8

Ct = 0.00247

请注意，所有计算都是近似值，仅提供基本值。用户可以根据自己的需要调整它们以适应IV曲线。然后可以微调这些参数，提供光强度S和环境温度Ta以获得 IV 和 PV 曲线。最大功率点也将在这里计算。如果我们定义S = 1,000 W/m 2且Ta = 25°C，则最大功率点等于：

Pmax = 59.27 瓦

Vmax = 16.73 V

Imax = 3.54 A

最大功率和电压均低于数据表中的 60 W 和 17.1 V。需要调整参数Eg、A、Rsh、Ks、Rs、Is0和Ct以获得更好的拟合。在本例中，如果我们将串联电阻 Rs 更改为 0.008 Ω，则计算出的数据将等于：

Pmax = 60.54 瓦

Vmax = 17.04 V

Imax = 3.55 A

更接近数据表的值。最终曲线如图 3所示。

图 3：太阳能组件计算

彼此相同的不同太阳能模块通常串联连接以形成太阳能电池阵列。太阳能模块块可用于模拟太阳能电池阵列。图 4显示了两个串联的 Solarex MSX-60 太阳能模块及其组合块。组合块模型的参数与单个太阳能组件相同，只是电池片数Ns为2。当多个组件串联时，如果光强和环境温度不同，每个组件都需要一个旁路二极管输入不同。此外，每个模块上都需要一个 30nF 的小电容器以提高数值收敛性。

图 4：串联的两个太阳能模块

设计电源极其简单

PSIM 允许用户轻松地在理想器件到详细开关模型、真实热器件和 SPICE 模型之间切换。这使您可以选择适合您的仿真需求的合适模型（参见图 5）。在模拟方面，它是市场上最快的之一，即使对于极其复杂的项目也是如此。这意味着设备设计和测试及其实际实施之间的时间最短。电源转换器和控制系统的仿真，即使是非常大和复杂的系统，也可以在短时间内完成，因为该软件是为这些活动而专门开发的。

电源转换器的任务是通过提供适合用户负载的电压和电流来控制电能的流动。最初，能量转换是通过机电转换器获得的。今天，由于高性能半导体的存在，转换是通过电路进行的，无需机械元件的干预。由此产生的优势数不胜数：重量和体积大大降低，静态和动态性能显着提高。静态变流器由一组电气元件组成，充当两个电源之间的适应和转换阶段，通常在发电机和负载之间。

图 5：降压转换器的示意图示例

瞬态电压电平准确地显示在仿真图上，如图 6所示。

图 6：模拟图

电机驱动模块

这是基本 PSIM 程序的附加模块。它为电机驱动系统研究提供机器模型和机械负载模型以及电机（见图 7）。它节省了设计基于电力电子的复杂电机控制系统的时间。由于机器和控制器建模的复杂性，驱动系统的分析和设计都是一个挑战。它包含常用的电机模型、机械负载和控制块（例如 MTPA 和 FWControl）。还可以使用永磁同步电机 (PMSM)、开关磁阻、感应电机和无刷电机。

图 7：PSIM 提供不同类型的电机。

为了模拟目的，需要指定的一些重要参数包括以下信息：

Ra：电枢绕组电阻，单位为欧姆

La：电枢绕组电感，单位为亨利

Rf：绕组场电阻，以欧姆为单位

Lf：绕组磁场的电感，单位为亨利

机器转动惯量，kg × m 2

Vt：电枢端子的额定电压，单位为伏特

Ia：额定电枢电流，单位为安培

n：额定转速，每分钟转数

该模块允许电机控制的相对简单的设计。给定系统的输入规格，在高层，程序自动设计所有必要的控制器。输入每个模块的参数后，可以根据工作条件生成具有所有参数大小的电路，并且电路已准备好进行仿真。通常，电机驱动系统由直流母线、逆变器、电机、控制器和机械负载组成。

组件和组件

PSIM 包括任何电子的、虚拟的、理想的和真实的组件。提供的库非常广泛，可以通过 SPICE 模型无限扩展。以下简短列表（但并非详尽无遗）是一个证明：电阻器、电感器、电容器、变阻器、饱和电感器、三相 P/Q 控制负载、三相交流电、电缆、非线性元件、二极管、发光二极管 (LED)、齐纳二极管、双向可控硅、晶闸管和 TRIAC、NPN 和 PNP 晶体管、理想 BJT、MOSFET、IGBT、GTO、双向开关、门控块、预制开关模块、二极管桥模块、晶闸管桥模块、逆变器模块、 NPC 桥模块、变压器、磁性元件、绕组、漏磁通路径、气隙、线性磁芯、饱和磁芯、运算放大器、并联稳压器、光耦合器、dV/dt 块、继电器、电机驱动模块、

电池型号

需要特别注意用户可以根据需要选择不同的电池型号（见图8）。在这种情况下，可以选择许多运行参数，以完美地遵循发电机的特性。

图 8：电池模块主要用于模拟锂电池。

今天的电池管理是一个极其敏感的领域。蓄能器的使用，在几乎任何技术分支中，都要求设计者和用户最大限度地保护它们。主要目标集中在优化自主性和更长的电池寿命。

与此类模拟并行，查看ION Energy 项目很有用，该项目旨在创建从设计到分配的高质量电池。ION Energy 的电池设计和生态系统侧重于可定制和模块化的方法，旨在设计特定用途的锂离子 (Li-ion) 和 BMS 电池组（见图 9）。根据应用类型和锂离子电池的要求，将仔细选择正确的电池化学成分和最有效的材料，以实现最大效率。一旦选择了理想的锂离子电池，就必须评估对应用的所有适应性，以验证最大效率。锂离子电池最重要的参数之一是温度。对于高效和持久的电池，热管理起着关键作用。因此，还需要设计足够的冷却系统。最后的步骤之一是电池的设计和机电组装，通过适合最终应用的合适外壳。“我们的旗舰电池管理和智能平台融合了嵌入式电子和数据分析，以提高锂离子电池的寿命和性能，”联合创始人兼首席执行官 Akhil Aryan 说。ION Energy 的高质量软件和模块化硬件可确保故障安全操作并保护电池免受过充电、热放电和过流的影响。

“电池之间的退化率并不一致，”Aryan 说。“即使在同一个机架内，由于不同的操作条件，不同的电池也可能以不同的速度退化。每个项目中有数千个包，因此可靠地发现问题并采取必要的措施变得很复杂。这就是数据分析和软件被证明有用的地方——它可以监控每个电池组并提出优先行动，从而在出现问题时及时采取行动，帮助维持安全操作和长效电池。

“现在，爱迪生分析的目标是电网规模和公用事业规模的电池储能系统，”他补充道。“我们与 esVolta 的合作是迄今为止该领域最大的电池智能交易之一。今天的电池储能行业是一个即将到来的空间，也是提高电网可靠性和效率的重要技术。”

到2022年，全球电池产能将超过400GWh。因此，需要更智能的电池管理才能实现可靠高效的电池运行。该公司基于软件的方法结合了先进的电子技术、机器学习软件和人工智能。这是通过引入电子平台即服务 (PaaS) 模型来实现的，该模型通过节省相关成本来优化生产。高性能电池的设计是ION Energy的强项。可能的应用包括轻型电动和混合动力汽车、摩托车、踏板车和三轮汽车。这些系统不仅包括电池，还支持超级电容器。借助先进的算法，该公司能够对电池进行充电状态 (SOC) 和健康状态 (SOH) 估计。除了传统的过压、欠压、过流、过温、欠温保护措施外，公司还开发并实施了检测电路和测试算法，以防止故障，使电池安全。但简单的保护电路是不够的。电池是最终应用的重要且昂贵的组件。因此，BMS 配备了内存来记录电池寿命的每一秒。软件平台允许工程师访问这些数据并提取信息以改进电池和应用设计。主要目标是使电池的使用寿命尽可能长。平均而言，锂离子电池在整体状况开始恶化之前可持续使用大约 800 到 1,000 次充电/放电循环。对于电动滑板车，这种自主性相当于覆盖了10,000到15,000公里，这并不多。使用从实现中收集的信息，可以在各种天气条件下显着增加此限制。将获得的所有知识转化为算法，以防止电池单元可能出现的劣化并延长其寿命。

具有保形形状和多种功能的电池可以为机器人设备的设计提供新的自由度，如今这些设备已经能够执行令人难以置信的壮举。它们可以达到更高高度的一种方法是，如果它们的某些结构材料使它们的能量储存增加一倍，就像动物的脂肪一样。科学家们现在已经用多功能电池证明了这种方法，该电池将蝎子形机器人的结构材料加倍。这项工作由密歇根大学的工程师进行，他们正在研究廉价、无毒的锌 (Zn) 电池为新一代机器人设备提供动力的潜力。

“我们在这些电池中使用锌空气化学代替典型的锂离子电池，这使我们能够在电池容量和充电率方面取得巨大进步，”密歇根大学的 Nick Kotov 教授说。“它的实施使我们能够完全摆脱传统的独立电池，并使我们的电池成为机器人“器官”的一部分。这与生物体内储存能量的方式相同；因此，这些电池是生物形态的。使锌空气化学作用于可用于这种容量的电池的关键部分是强离子分离膜的化学设计，使这些电池能够充电。适合仿生分布式储能，膜的结构也是使用来自大自然的模板设计的。

他补充说：“锂矿非常稀有，而且开采成本很高。” “锂离子电池还需要使用易燃电解质来增加功率。锌空气电池由地球上丰富的金属制成。它们还可以存储比经典锂离子电池多 3 倍的能量。最重要的是，使它们可充电的仿生纳米纤维膜可以通过回收使用过的 Kevlar 背心来批量生产，否则会导致塑料污染。”

新的存储解决方案与强大的分析解决方案的重要性将使电力电子设备能够提供越来越多的新的最先进的解决方案。

审核编辑：刘清