作者：是德科技KEYSIGHT•

APS （Advanced Power System）

是德科技新一代電源系統，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）

開發動力電池管理電路（BMU）工程師的必備，用于BMU開發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是鋰離子電芯的標稱電壓，容量則是正常電壓區電壓范圍內的電量總和。將多個電芯通過串、并聯組合成電池模組，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，包括充、放電、溫度、工作電壓等等，讓電池工作在安全的區域，確保在不同環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設計和性能品質對電池組來說是至關重要的。然而BMS的設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，另一邊是復雜的用電負載和充電設備。讓我們先深入這個黑匣子看看究竟。

電池的電壓等級和標稱容量

這是所有電池廠家可以提供給BMS開發工程師的最基本的參數。如下圖所示

但對于BMS研發和工程師來說，電池廠家給出的這兩個簡單的參數夠用嗎？！！！

電池內阻：關于這個問題，我想多嘮叨幾句

電池內阻是電池內部等效串聯電阻Rs，通常稱為電池交流內阻（ACR），或直流內阻（DCR）

如下圖，內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：電池的內阻和一般意義上的物理電阻不同。電池內阻可分為極化內阻和歐姆內阻，歐姆內阻于電流隨線性變化，而極化內阻主要取決于電極材料，電解液，隔膜等，這會導致電池在充、放電過程中的端電壓呈現出較為復雜的變化狀態。

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）高速采樣能力監測電池的端電壓，可以看到其變化呈現3個不同階段。

1）∆V1為電池電壓隨電流突變，表現為交流內阻ACR，∆V1/I2;
2）∆V2為電池極化過程電壓的變化，表現為直流內阻DCR，（∆V2+∆V1）/I2；
3）∆V3為電池在電流I充電時電壓上升率，體現了電池的容量C=I2*t/∆V3.

還要特別注意的是，SoC及溫度對電池的內阻影響極大。例如一種電芯，從常溫25℃、Soc為100%時的內阻，相比于低溫-20℃、SoC為10%，內阻值可以相差55倍！

電池內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：電池內阻不僅僅是電芯的內阻，還應包括電池保護/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阻做最充分的考慮！

電池容量分布

——單位容量對應的電壓區間大小，或單位電壓區間對應的容量大小。

如上圖所示，假設A、B、C、D四個電芯標稱容量相同，而且當前開路電壓也都相同，但想一想，當前電量也相同嗎？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？結合上述提到的知識，應該不難得出結論吧！

這些搞清楚了，就可以幫助工程師更好設計和測試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能源，本身不可控，很難讓它處于測試要求的工作狀態，也缺乏必要的保護，導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，可能會導致電池使用的安全隱患和危險。

利用電池模擬系統（BSS）來替代電池進行BMS、PCS，OBC等電源轉換模塊的功能和性能驗證是科學的選擇。有用電源+負載組合構建BSS方案，也有用雙向電源構建的。既然是模擬電池，就需要BSS特性在關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換

理想的電池一個恒壓源，而且在輸出電流和吸收電流轉換時是無縫，即電池電壓不會因為電流的正負變化而突變，如上圖所示。但如果采用獨立的電源+負載組合的BSS，模擬電池恒壓源特性，電源和負載工作于恒壓CV模式下，且電子負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一個阻塞二極管。如下圖所示，該電池模擬器在電流正、負切換時，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：
電池內阻模擬和UVP（欠壓保護）

前面我們提到，電池內阻對電池的充電，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，當電壓進入到電壓預警區時，電池模擬器應該切斷電池的供電。

過壓保護OVP是測試電源標配的功能，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警的保護。另外，OVP和UVP保護響應時間也是非常重要的性能，例如APS的電壓保護的典型響應時間小于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，內阻0.1Ω時，電壓和電流變化。

APS電池內阻模擬性能

提示3：
電壓瞬態響應

瞬態響應是指電源在負載電流突變時，電壓跌落和過沖的波形特征，評價指標有響應時間為電壓恢復到輸出值的持續時間，和過沖幅度百分比或絕對電壓值。

鋰電池的瞬態響應時間幾乎接近0，任何直流電源的瞬態響應速度都不可能優于鋰電池。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%）