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驅(qū)動仿真而設(shè)計，但也可用于仿真任何類型的電子電路。它有幾個外部模塊，可擴展其在特定仿真和電路設(shè)計領(lǐng)域的功能，例如設(shè)備控制、電動機、光伏和風(fēng)力渦輪機。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

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)計需求提供了理想的環(huán)境?？梢栽?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。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)計套件

磁耦合模塊

MagCoupler-RT 模塊

ModCoupler5 模塊

電機控制設(shè)計套件

電機驅(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)點分析算法。需要強調(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，因為它同時作用于光強度和溫度變化。計算中涉及的參數(shù)很多：

細(xì)胞數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)光強

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。

然后估計參數(shù)Eg、A、Rsh和Ks的值。它們通常不會在技術(shù)表中報告。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“計算參數(shù)”按鈕計算其他參數(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)，提供光強度S和環(huán)境溫度Ta以獲得 IV 和 PV 曲線。最大功率點也將在這里計算。如果我們定義S = 1,000 W/m 2且Ta = 25°C，則最大功率點等于：

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)雜的項目也是如此。這意味著設(shè)備設(shè)計和測試及其實際實施之間的時間最短。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，因為該軟件是為這些活動而專門開發(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

電機驅(qū)動模塊

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

圖 7：PSIM 提供不同類型的電機。

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)

該模塊允許電機控制的相對簡單的設(shè)計。給定系統(tǒng)的輸入規(guī)格，在高層，程序自動設(shè)計所有必要的控制器。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，電機驅(qū)動系統(tǒng)由直流母線、逆變器、電機、控制器和機械負(fù)載組成。

組件和組件

PSIM 包括任何電子的、虛擬的、理想的和真實的組件。提供的庫非常廣泛，可以通過 SPICE 模型無限擴展。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、運算放大器、并聯(lián)穩(wěn)壓器、光耦合器、dV/dt 塊、繼電器、電機驅(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，可以選擇許多運行參數(shù)，以完美地遵循發(fā)電機的特性。

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)計者和用戶最大限度地保護它們。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 項目很有用，該項目旨在創(chuàng)建從設(shè)計到分配的高質(zhì)量電池。ION Energy 的電池設(shè)計和生態(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)計足夠的冷卻系統(tǒng)。最后的步驟之一是電池的設(shè)計和機電組裝，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://www.brongaenegriffin.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現(xiàn)可靠高效的電池運行。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)計是ION Energy的強項?？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。除了傳統(tǒng)的過壓、欠壓、過流、過溫、欠溫保護措施外，公司還開發(fā)并實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。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器人設(shè)備的設(shè)計提供新的自由度，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，該電池將蝎子形機器人的結(jié)構(gòu)材料加倍。這項工作由密歇根大學(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膶嵤┦刮覀兡軌蛲耆珨[脫傳統(tǒng)的獨立電池，并使我們的電池成為機器人“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)鍵部分是強離子分離膜的化學(xué)設(shè)計，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)計的。

他補充說：“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