今天的技術在電路最終實現之前對其進行了嚴格的控制。要保持在控制之下的參數是多種多樣的，并考慮了許多因素，尤其是高功率的因素。今天的設計人員甚至需要在構建復雜的電源電路之前對其進行仿真。元器件非常昂貴，不方便進行實際測試，既費時又費錢。PSIM電子模擬器是一種特別適用于電力系統的測試和模擬環境。它可用于測試電池和機動車充電裝置，以及太陽能充電和使用項目。

介紹

PSIM是Powersim開發的電子電路仿真軟件。它專為電力電子和電機驅動仿真的使用而設計，但也可用于仿真任何類型的電子電路。它有幾個外部模塊，可將其功能擴展到模擬和電路設計的特定領域，例如設備控制、電動機、光伏和風力渦輪機。它被工業廣泛用于研究和產品開發，通常在學校用于研究和教學。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，還包括工業設備。使用 SPICE 模型，

門極驅動的特點

過渡緊張局勢的演變

開關和傳導損耗

寄生相互作用

在單一集成環境中，用戶可以從 PSIM 仿真無縫輕松地切換到 SPICE 仿真。由此產生的好處是很多的，PSIM 和 SPICE 的結合為您的所有設計需求提供了理想的環境。可以在 PSIM 中從概念的角度檢查電路，然后使用 SPICE 對其進行開發和更徹底的研究。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 進行連接和交互。您只需要在 PSIM 環境中創建一個電路圖，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需要獲得幫助和建議。除了基本包之外，PSIM 還可以包括以下附加模塊：

數字控制模塊

混合動力汽車設計套件

磁耦合器模塊

MagCoupler-RT 模塊

ModCoupler5 模塊

電機控制設計套件

電機驅動模塊

SimCoupler 模塊

可再生能源模塊

SimCoder3 模塊

F2833x 目標

F2803x 目標

F2802x 目標

F2806x 目標

F2837x 目標

PE-Expert4 目標

PIL 模塊

散熱模塊

PSIM uses the numerical nodal analysis algorithm with trapezoidal integration. It is important to underline that PSIM solves all equations simultaneously and does not generate system-level matrices, as other simulators do. The latter can lead to convergence problems when there are many derivatives. PSIM, on the other hand, is based on the EMTP techniques for computational methods used for solving electromagnetic transients, developed by Dr. H. Dommel.

How to use the solar module

This model simulates the behavior of the sun with greater precision, as it works both on the intensity of light and the variation in temperature. The parameters involved in the calculations are numerous:

Number of cells

Standard light intensity

Reference temperatures

Series resistance of each solar cell

Shunt resistance of each solar cell

每個太陽能電池在參考溫度下的短路電流

每個太陽能電池的二極管在參考溫度下的飽和電流

每個太陽能電池的能帶能量

理想因子，也稱為發射系數

定義光強度如何影響太陽能電池溫度的Ks系數

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行測試。該模塊的物理模型包括光強度和環境溫度的變化。但是，它需要大量的輸入參數。一些參數可以從制造商的技術文檔中獲得，但其他參數必須通過反復試驗獲得。因此，首先要進行的操作是在制造商的技術表中輸入信息，如圖2所示。

圖 2：太陽能設備的數據必須在程序中上報。

然后估計參數Eg、A、Rsh和Ks的值。它們通常不會在技術表中報告。他們描述：

例如：帶能

A：理想因素

Rsh：分流電阻

Ks：系數

Eg帶能量的良好初始估計對于晶體硅可能是 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，而對于非晶硅則小于 2。分流電阻的推薦值為幾千歐姆。最后，如果未知，可以將Ks系數的初始值設置為0。在示例中，我們可以設置如下參數：

例如= 1.12

A = 1.2

Rsh = 1,000

KS = 0

基于此信息，程序通過單擊“計算參數”按鈕計算其他參數。您將獲得以下值：

盧比= 0.0108

Isc0 = 3.8

Is0 = 2.16E-8

Ct = 0.00247

請注意，所有計算均為近似值，僅提供基本值。用戶可以根據自己的需要進行調整，以適應 IV 曲線。然后可以微調這些參數，提供光強度S和環境溫度Ta以獲得 IV 和 PV 曲線。此處還將計算最大功率點。如果我們定義S = 1,000 W/m 2和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據表中的值 60 W 和 17.1 V。需要調整參數Eg、A、Rsh、Ks、Rs、Is0和Ct以獲得更好的擬合。在本例中，如果我們將串聯電阻 Rs 更改為 0.008 Ω，則計算數據將等于：

Pmax = 60.54 瓦

Vmax = 17.04 V

Imax = 3.55 A

更接近數據表的值。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連接以形成太陽能陣列。太陽能模塊塊可用于對太陽能陣列進行建模。圖 4顯示了兩個串聯的 Solarex MSX-60 太陽能模塊及其組合塊。組合塊模型的參數與單個太陽能組件相同，只是電池片數Ns為 2。當多個組件串聯時，如果光照強度和環境溫度，每個組件都需要一個旁路二極管輸入不同。此外，每個模塊都需要一個 30nF 的小型電容器來提高數值收斂性。

圖 4：串聯連接的兩個太陽能模塊

設計電源非常容易

PSIM 允許用戶在理想器件之間輕松切換到詳細的開關模型、真實熱器件和 SPICE 模型。這使您可以根據自己的仿真需求選擇合適的模型(參見圖 5)。在模擬方面，它是市場上最快的之一，即使對于極其復雜的項目也是如此。這意味著設備設計和測試與實際實施之間的時間最短。功率轉換器和控制系統的仿真，即使是非常大和復雜的系統，都可以在很短的時間內完成，因為軟件是為這些活動而開發的。

電源轉換器的任務是通過提供適合用戶負載的電壓和電流來控制電能的流動。最初，能量轉換是通過機電轉換器獲得的。今天，由于高性能半導體的存在，轉換是通過電路進行的，無需機械元件的干預。由此產生的優勢數不勝數：重量和體積大大降低，靜態和動態性能顯著提高。靜態轉換器由一組電氣元件組成，充當兩個電源之間的適應和轉換階段，通常在發電機和負載之間。

圖 5：降壓轉換器的示意圖示例

瞬態電壓電平準確地顯示在仿真圖上，如圖 6所示。

圖 6：仿真圖

電機驅動模塊

這是基本 PSIM 程序的附加模塊。它為電機驅動系統研究提供機器模型和機械負載模型和電機(見圖 7)。它可以節省設計基于電力電子的復雜電機控制系統的時間。由于機器和控制器建模的復雜性，驅動系統的分析和設計都是一項挑戰。它包含常用的電機模型、機械負載和控制塊(例如 MTPA 和 FWControl)。也可以使用永磁同步電機 (PMSM)、開關磁阻電機、感應電機和無刷電機。

圖 7：PSIM 提供不同類型的電機。

出于模擬目的，需要指定的一些重要參數包括以下信息：

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，單位為歐姆

Lf：繞組場的電感，單位為亨利

機器轉動慣量，kg × m 2

Vt：電樞端子的額定電壓，以伏特為單位

Ia：額定電樞電流，單位為安培

n：額定轉速，以每分鐘轉數為單位

該模塊允許相對簡單的電機控制設計。給定系統的輸入規格，在高層次上，程序會自動設計所有必要的控制器。輸入每個模塊的參數后，可以根據運行條件生成所有參數大小的電路，電路準備好進行仿真。通常，電機驅動系統由直流母線、逆變器、電機、控制器和機械負載組成。

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、可飽和電感器、三相 P-/Q 控制負載、三相交流電、電纜、非線性元件、二極管、發光二極管 (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、門控模塊、預置開關模塊、二極管橋模塊、晶閘管橋模塊、逆變器模塊、 NPC 電橋模塊、變壓器、磁性元件、繞組、漏磁通路徑、氣隙、線性磁芯、可飽和磁芯、運算放大器、分流穩壓器、光耦合器、dV/dt 塊、繼電器、電機驅動模塊、

電池型號

需要特別注意的是用戶可以根據自己的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以完美地遵循發電機的特性。

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域。蓄電池的使用，幾乎在任何技術分支中，都要求設計者和用戶最大限度地保護它們。主要目標集中在優化自主性和更長的電池壽命。

與這種類型的模擬并行，看看ION Energy 項目很有用，該項目旨在從設計到分銷創建高質量的電池。ION Energy 的電池設計和生態系統專注于可定制和模塊化的方法，旨在設計特定用途的鋰離子 (Li-ion) 和 BMS 電池組(見圖 9)。根據鋰離子電池的應用類型和要求，將仔細選擇正確的電池化學成分和最有效的材料，以實現最大效率。一旦選擇了理想的鋰離子電池，就必須評估對應用的所有適應性，以驗證最大效率。鋰離子電池最重要的參數之一是溫度。對于高效和持久的電池，熱管理起著關鍵作用。因此，還需要設計一個合適的冷卻系統。最后的步驟之一是電池的設計和機電組裝，通過適合最終應用的合適外殼。“我們的旗艦電池管理和智能平臺融合了嵌入式電子設備和數據分析，以提高鋰離子電池的壽命和性能，”聯合創始人兼首席執行官 Akhil Aryan 說。ION Energy 的高質量軟件和模塊化硬件可確保故障安全操作和保護電池免受過充電、熱放電和過電流的影響。

“電池之間的退化率并不統一，”Aryan 說。“即使在同一個機架內，不同的電池也可能因不同的運行條件而以不同的速率退化。每個項目都有數千個包，因此可靠地發現問題并采取必要的措施變得很復雜。這就是數據分析和軟件被證明有用的地方——它可以監控每個包裝并浮動優先行動，從而在問題出現時及時采取行動，幫助維持安全操作和持久的電池。

“目前，Edison Analytics 的目標是電網規模和公用事業規模的電池儲能系統，”他補充說。“我們與 esVolta 的合作是迄今為止該領域最大的電池智能交易之一。今天的電池儲能產業是一個即將到來的空間，也是提高電網可靠性和效率的一項重要技術。”

到2022年，全球電池產能將超過400 GWh。因此，需要更智能的電池管理來實現可靠和高效的電池運行。該公司基于軟件的方法結合了先進的電子技術、機器學習軟件和人工智能。這是通過引入電子平臺即服務 (PaaS) 模型來實現的，該模型可以優化生產并節省相關成本。高性能電池的設計是ION Energy的強項。可能的應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。該系統不僅包括電池，還支持超級電容器。借助先進的算法，該公司能夠對電池進行充電狀態 (SOC) 和健康狀態 (SOH) 估計。除了傳統的過壓、欠壓、過流、過溫、欠溫保護措施外，公司還開發并實施了檢測電路和測試算法，防止故障，保障電池安全。但是一個簡單的保護電路是不夠的。電池是最終應用的重要且昂貴的組件。因此，BMS配備了內存來記錄每一秒的電池壽命。軟件平臺允許工程師訪問這些數據并提取信息以改進電池和應用程序設計。主要目標是使電池盡可能長時間地使用。平均而言，鋰離子電池在其整體狀況開始惡化之前持續大約 800 到 1,000 次充電/放電循環。對于電動滑板車來說，這種自治相當于覆蓋10000到15000公里，并不算多。使用從實施中收集的信息，可以在各種天氣條件下顯著增加此限制。獲得的所有知識都轉化為算法，以防止電池可能出現的劣化并延長其使用壽命。

具有保形形狀和多種功能的電池可以為機器人設備的設計提供新的自由度，如今這些設備已經能夠執行令人難以置信的壯舉。他們可以達到更高高度的一種方法是，如果他們的一些結構材料將能量儲存增加一倍，就像動物體內的脂肪一樣。科學家們現在已經用一種多功能電池證明了這種方法，該電池使蝎形機器人的結構材料翻了一番。這項工作由密歇根大學的工程師進行，他們正在研究廉價、無毒的鋅 (Zn) 電池為新一代機器人設備供電的潛力。

“我們在這些電池中使用了鋅空氣化學而不是典型的鋰離子電池，這使我們能夠在電池容量和充電率方面取得巨大的進步，”密歇根大學的 Nick Kotov 教授說。“它的實施使我們能夠完全擺脫傳統的獨立電池，讓我們的細胞成為機器人‘器官’的一部分。這與生物體內能量的儲存方式相同。因此，這些電池是生物形態的。使鋅空氣化學作用于可用于這種容量的電池的一個關鍵部分是強離子分離膜的化學設計，使這些電池能夠充電。在仿生分布式儲能系統中，膜的結構也是使用 Nature 的模板設計的。

“鋰礦非常稀有，開采成本很高，”他補充道。“鋰離子電池還需要使用易燃電解質來增加功率。鋅空氣電池由富含地球的金屬制成。它們還可以存儲比經典鋰離子電池多 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凱夫拉爾背心來批量生產，否則會導致塑料污染。”

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提供越來越多的新的最先進的解決方案。

審核編輯：湯梓紅