基于循環工況的電動汽車動力電池性能模擬測試試驗臺設計

王 龍，孫瑾哲，王 鑫,2，裴 豪,2

（1.西安航空學院，西安 710077；2.西安航空學院 汽車檢測工程技術中心，西安 710077；3.清華大學 汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084）

隨著電動汽車技術的不斷發展，在電動汽車的開發工程中用行駛的不同工況模擬電動汽車使用的實際道路狀況顯得越來越重要[1]。電動汽車的實際使用過程中，需要時刻檢測電動汽車動力電池的工作電壓、容量、溫度、車速（驅動電機的轉速）等參數[1-2]。電動汽車用的動力電池通常由多個單電池串聯或者并聯構成，一般串聯的單電池數可達到十至幾十個[5-8]。在動力電池工作狀態參數中，動力電池荷電狀態值的準確監測是難點。實際的荷電狀態值會受許多因素的影響而表現出不規律的非線性變化[1,9-10]，如環境溫度、電池老化、充放電電流、充放電深度、充放電效率、自放電等。為了對電動汽車實際行駛過程中動力電池的相關參數進行精確檢測，本研究設計了一種基于循環工況的電動汽車動力電池性能模擬測試試驗臺。該試驗臺是一套高精度、高可靠性的監測系統，能實時準確地監測到電動汽車動力電池的在線使用狀態，并且帶有一個可聯網的遠程監控系統，防止危險情況的發生。它不僅能夠模擬電動汽車在不同速度下的行駛工況，并且可以按照事先編制好的循環工況進行不同速度下的曲線運行[2,4,11]。

1 電池性能模擬試驗臺組成

1.1 試驗臺結構設計

基于循環工況的電動汽車動力電池性能模擬測試試驗臺主要由樹莓派監視控制器、單片機控制器、電機、電機驅動系統、電壓與溫度傳感器、磷酸亞鐵鋰電池組、藍牙模塊、監測系統等部分組成，整個動力電池性能測試試驗臺的結構框架設計如圖1所示，試驗臺實物如圖2所示。

圖1 電動汽車動力電池性能模擬試驗臺結構框圖

圖2 電動汽車動力電池性能模擬試驗臺實物圖

本研究主要采用電動智能小車作為試驗平臺模擬車，該模擬車主要以比亞迪e5作為參考對象，選取電壓12 V，電機功率400 W的永磁直流減速電機，前后各安裝兩個，共4個電機，模擬40 kW的電機轉速，同比例縮小160倍。同時對電池進行選擇，參考現有的國家相關電池單體、模塊或電池包的標準，通過對比亞迪e5電池組進行理論計算，選取磷酸鐵鋰電池來組裝電池組。本次試驗使用3.2 V 20 Ah磷酸鐵鋰單體電池，對其進行4個單體電池串聯成12 V的組裝，使用B-L4001型磷酸鐵鋰電池組專用保護板。

新能源汽車配備的都是單級變速器或減速器，電動汽車的電機轉速與車速成固定正比，所以電機的轉速越高，車速越快。直流減速電機采用電樞電壓調節法控制電機轉速，只需要控制電機的占空比（PWM）就可以將電機轉速控制在試驗所用的運轉循環工況范圍內。通過對燃油車試驗用的市區運轉循環與市郊運轉循環工況的分析，將車速120 km/h作為電機占空比達到100%的最高車速，按比例加減速，時間間隔15 s為市區一個循環單元，30 s為市郊一個循環單元，提出了基于占空比的電機轉速控制循環工況法，具體運轉循環工況如圖3所示。

采用磷酸亞鐵鋰電池組作為試驗對象，針對電動汽車在循環工況（市區工況和市郊工況不斷循環）下動力電池性能參數的檢測來搭建動力電池性能模擬測試試驗臺。利用單片機控制驅動板，改變電機轉速來模擬電動汽車市區工況和市郊工況，同時對磷酸亞鐵鋰電池組的電壓及溫度參數進行實時檢測[11-12]。然后用單片機、電壓、溫度等傳感器元件建立數據采集系統，將采集到的電機轉速、電池組溫度和電壓信息數據在Matlab上編程，分區域實時動態曲線繪圖。最后電腦與單片機的數據傳遞使用無線藍牙連接，使用樹莓派硬件實現局域網內對試驗過程的實時監控[13-14]。可聯網的監視圖像如圖4所示。

圖3 電機控制流程圖

圖4 可聯網的監視圖像

1.2 軟件系統設計

電動汽車動力電池性能模擬試驗臺的軟件系統設計參照試驗功能要求，主要分為脈沖調速、電壓與溫度傳感器的數據檢測、試驗臺數據處理的GUI畫面實時顯示三大部分。

軟件系統設計的單片機控制器自帶PWM輸出口，analogWrite的PWM輸出操作本身要占用一個定時器，電壓與溫度傳感器的編程操作使用MSTimer2定時器進行全局中斷和attachInterrupt外部中斷，并進行AB相編碼器的計數操作，與全局循環體內使用analogWrite自動進行PWM占空比變化功能相互影響，所以將PWM調節功能轉移至單片機上實現[10]。利用單片機實現指定PWM波形的輸出，采用定時器實現對IO口高速通斷和延時函數保持波形持續時間。對定時器控制的IO口的通斷頻率進行調節以改變輸出PWM波形的占空比，從而調節電壓改變電機轉速，使用Arduino單片機對數據進行采集。

對于溫度數據的讀取，Arduino控制器支持添加OneWire庫文件，通過添加OneWire和Dallas Temperature兩個頭文件，免去對溫度傳感器的時序操作，直接通過相應指令來讀取溫度。讀取電壓時，通過對電壓傳感器模塊的工作原理進行分析和相應的數據計算，然后程序化。使用電機自帶的AB相編碼器對電機轉速進行檢測。單片機通過檢測AB相編碼器輸出的脈沖波形，波形的高低沿突變觸發外部中斷操作進行計數，從而得出電機轉速。最后采用無線藍牙模塊，把數據傳回給電腦，使用Matlab進行GUI繪圖。Matlab的編程主要分為三大步驟：（1）對全局變量的初始化以及串口的配置如串口號、波特率等[11]。（2）進入主循環，循環內容包括按照指定格式保存試驗數據以及創建圖形窗口實時繪制動態曲線。（3）結束主循環后，使用importdata函數將保存的完整文本數據提取到矩陣，進行圖譜分析。為防止試驗過程中操作失誤造成電路對電腦的損傷，試驗采用藍牙無線通訊傳遞試驗數據。車輪轉速、電壓和溫度信息實時動態圖如圖5所示。

圖5 車輪轉速、電壓和溫度信息實時動態圖

1.2.1 PWM脈沖控制的循環工況

通過單片機內部的兩個定時器來實現PWM功能，分別使用T0和T1控制占空比和頻率。設置T0和T1的初值，改變輸出PWM波形的頻率和占空比，在T0定時中斷使控制的IO口輸出高電平，在這個中斷過程中使用T1使IO口輸出低電平。本試驗臺的設計需要固定頻率、不同占空比的波形，使用一個定時器。確定本試驗使用的PWM工作頻率，輸入PWM頻率太高電機會產生異響，太低電機易產生抖動，借鑒其它試驗臺的設計，頻率采取1 000 Hz。設置一個全局變量p作為主題函數和中斷子程序的參數傳遞。在中斷程序中設置一個變量t，當t到達100時清零，保證頻率為1 000 Hz。主體函數中改變p的值來影響PWM占空比的改變，p取值范圍為0～100。在中斷子程序中設定判斷條件，如果t≤p則IO口通，否則IO口關，這樣PWM的占空比即為p%。借鑒六工況循環，設定以下兩種循環模擬形式。如圖5所示，模擬市區行駛循環，有中低速行駛頻繁加速、減速的特點；模擬市郊行駛循環，特點是中高速長時間行駛，加速度大頻率低[12]。

單片機的P2.0和P2.1為PWM脈沖波輸出口，聲明單片機的P2.4～P2.7為L298N的邏輯控制口。L298N與單片機的電路連接如圖6所示，主體函數中置IN2和IN4對應腳為高電平，IN1和IN3對應腳為低電平，L298N電機電源端即可正常供電。然后操作定時器，利用中斷函數實現PWM占空比的轉換。開啟中斷后編寫中斷函數功能實現占空比的控制，代碼如下：

1.2.2 溫度、電壓數據采集系統

溫度數據采集系統軟件設計主要分為三大步驟：初始化、數據寫、數據讀。首先進行初始化操作，單片機給傳感器發出一個低電平脈沖，時間在480～960 μs之間，然后恢復總線為高電平，可以看作是復位脈沖。緊接著在傳感器正常工作的情況下，480 μs內單片機會在單總線上檢測到低電平，即傳感器應答的存在脈沖。當收到低電平“復位脈沖”信號時，總線恢復高電平后延遲15～60 μs，響應回復“存在脈沖”信號，在初始化之后對溫度傳感器進行數據寫操作，最后進行數據讀。執行讀暫存器指令（指令代碼0BEH），讀取傳感器內部RAM的9字節內容。轉換溫度后存儲的溫度值都是補碼，讀取存儲值后進行轉換原碼操作。溫度采集流程如圖6 所示。

電壓傳感器基于分壓原理工作，將輸入端電壓縮小5倍轉換為模擬電壓。Arduino通過讀取到的模擬值計算得出實際電壓。因為Arduino所使用的AVR處理器采用10位AD，所以將0～5 V的模擬電壓轉換為0～1 024的模擬值。

圖6 溫度采集流程圖

2 試驗臺性能測試

2.1 試驗臺電壓精度測試

對于電壓精度檢測，試驗一是在動態下檢測串聯不同單體電池個數的電池組電壓，每個電池組測量60次作為一次樣本，和高檔數字顯示萬用表的對比結果見表1。

表1 靜態檢測精度數據 V

試驗二是在電機模擬工況時檢測電壓傳感器精度，隨機采樣60組數據為一次樣本，和萬用表的對比結果見表2。

表2 動態檢測精度數據 V

通過上述試驗得知電壓檢測模塊在靜態檢測時最小誤差0 V，最大誤差0.07 V。由于電機通電瞬間電池組有壓降，并且在單片機通過PWM控制電機時產生高頻噪音，造成動態檢測時電壓傳感器波動幅度較大，不過最小誤差在檢測范圍內，說明不影響模塊的精確測量。

2.2 試驗臺溫度精度測試

對于溫度精度檢測，也進行了兩個試驗。試驗一是在動態下檢測串聯不同單體電池個數的電池組溫度，每個電池組測量60次作為一次樣本，和高檔數字顯示萬用表測量的真實值進行對比。試驗二在電機模擬工況時檢測電壓傳感器精度，隨機采樣60組數據為一次樣本，和萬用表測量的真實值進行對比。由于電動汽車工作過程中電池組溫度變化短時間不是很劇烈，長時間使用變化劇烈，溫度測量檢測最大誤差為 ±0.5 ℃，工作范圍為-10 ℃～85 ℃，設計中精度設置取用12位精度，0.062 5 ℃增量遞增。最終電動汽車動力電池電壓檢測的最大測量誤差為0.28%，溫度檢測的最大誤差為0.625%。

2.3 國家標準與試驗數據對比

該試驗臺的磷酸鐵鋰電池組有5個（圖2中給出的實物圖只是一個動力電池組），每個磷酸鐵鋰電池組有4個單體電池。也可以把磷酸鐵鋰電池組用8個單體電池做成一組，一般純電動汽車動力電池的數量是根據車輛使用要求來確定的，一個動力電池包由幾十甚至上百個動力電池組構成，一個動力組由4～10個左右的動力電池單體組成。對于動力電池管理系統的精度來說，該試驗臺主要考慮動力電池組的總電壓、總溫度的精度，文中針對磷酸鐵鋰電池組測試的結果，只是代表此電池組類型在循環工況下的總電壓、總溫度的精度符合國家相關電池單體、模塊或電池包的標準，對于更復雜的工況需要下一步繼續深入研究。表3為動力電池檢測國家標準與試驗數據的對比。

表3 動力電池檢測國家標準與試驗數據對比

3 循環工況的電動汽車動力電池性能模擬試驗

基于循環工況的電動汽車動力電池性能模擬試驗臺可以模擬電動汽車市區工況和市郊工況時動力電池的車輪轉速、電壓和溫度信息，實時繪制數據的動態曲線圖并完成對試驗數據的文本存儲，如圖5所示。循環工況下的車輪轉速、動力電池溫度、動力電池電壓變化情況如圖7～9所示。

圖7 循環工況下的車輪轉速變化情況

圖8 循環工況下的動力電池溫度變化情況

圖9 循環工況下的動力電池電壓變化情況

4 結論

本文設計了基于循環工況的電動汽車動力電池性能模擬試驗臺，包括試驗臺的結構組成和軟件設計，搭建了具有模擬電動汽車市區工況和市郊工況的動力電池電壓和溫度數據的檢測平臺。通過測試試驗分析驗證了試驗臺設計的有效性，試驗數據表明：該試驗臺可用于模擬電動汽車實際使用過程中動力電池的性能測試，能夠有效地檢測電壓、溫度，電壓檢測的最大測量誤差為0.28%，溫度檢測的最大誤差為0.625%。該試驗臺不僅能夠模擬電動汽車在不同速度下的行駛工況，還可以按照事先編制好的循環工況進行不同速度下的曲線運行。該試驗臺結構設計合理，軟件設計及數據采集方法科學可靠，除在室內使用外，可在此基礎上小型化并進一步完善，能夠滿足電動汽車使用中的動力電池監測和保證正常運行的需要，有利于提高電動汽車的使用性能和安全性。電動汽車動力電池性能的好壞極大地影響著電動汽車的續駛里程，對于動力電池性能的檢測不光是動力電池生產企業充放電檢測，更應該在汽車整個運行過程中進行檢測，如何更好地模擬汽車在各種運行工況下的動力電池性能和安全性檢測，是未來電動汽車動力電池方面重要的研究內容之一。