電池模擬器技術(shù)綜述

摘 要：隨著電池行業(yè)的日益擴張，電池的測試也越來越被重視。而電池模擬器作為研究電池性能的主要手段，有著無法比擬的優(yōu)勢。本文對電池模擬器的原理、類型進行了總結(jié)，分析了電池模擬器的缺點和不足，給出了電池模擬器未來的研究方向及發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：電池模擬器；類型；趨勢；技術(shù)綜述

儲能技術(shù)是解決現(xiàn)代電力系統(tǒng)中可再生能源并網(wǎng)難題的關(guān)鍵技術(shù)。儲能電池是最主流的儲能技術(shù)，如果使用儲能電池原型進行研究，一方面購置、維護儲能設(shè)備需要大量的費用，另一方面在進行極端工況的實驗時難免造成損壞，增加了對儲能的研究成本，延緩了研究進度。其次對儲能系統(tǒng)配套和輔助領(lǐng)域進行研究時，也帶來了諸多不便和困難，如無法靈活調(diào)節(jié)儲能電池參數(shù)、無法準確控制儲能電池工況、電池充放電時間較長等。因此很有必要使用電池模擬器來代替電池原型進行實驗和研究，便于降低研究成本、加快研究進度、減少實驗的不便。

一、電池模擬器分類

電池模擬器是一種模擬儲能電池外特性的裝置，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、易于維護的特點。現(xiàn)在已經(jīng)研制出多種電池模擬器，根據(jù)原理的不同，現(xiàn)有的電池模擬器可以分為模擬式電池模擬器和數(shù)字式電池模擬器兩類。

（一）模擬式電池模擬器

模擬式電池模擬器大多以小功率的樣品電池作為參考模型，通過對樣品電池的V-I 特性進行跟蹤和功率放大來實現(xiàn)模擬。模擬式電池模擬器的主要不足是主電路簡單，輸出功率小，處理功能不強，特性誤差大。

（二）數(shù)字式電池模擬器

數(shù)字式電池模擬器則是結(jié)合計算機控制技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)研制而成，具有較強的處理能力和更大的輸出功率。其中，根據(jù)控制器的不同可分為基于上位機和基于單片機兩種。基于上位機的數(shù)字式電池模擬器原理是利用功能強大的上位計算機作為 CPU，在上位機的存儲器中手動錄入電池外特性數(shù)據(jù)，工作時根據(jù)工作狀況通過查表的方法來確定實際工作點，然后控制開關(guān)器件使其輸出給定的電壓。這是一種較為精確的方法，但需要手動輸入大量數(shù)據(jù)，工作量大，并且需要有功能強大的上位機，成本高。基于單片機的數(shù)字式電池模擬器的原理也類似，但是以功能強大的單片機取代專用的上位機，保證了一定精度的前提下降低了成本，是目前的主流電池模擬器。

從應(yīng)用的儲能電池種類不同可以分為幾種：

1.光伏電池模擬器

太陽能光伏電池模擬器，由于光伏電池板的造價高，提高了光伏電池研究成本。因此，利用光伏電池模擬器可以方便地模擬光伏電池在各種工況下的工作特性，代替實際光伏電池進行各種實驗，有助于縮短研發(fā)周期，提高研究效率。同時，由于光伏電池模擬器只需考慮放電工況，所以它們均選擇了不控整流+DC/DC 變流器或者直流穩(wěn)壓電源+DC/DC 變流器的拓撲結(jié)構(gòu)。

2.燃料電池模擬器

針對使用燃料電池將涉及氫氣存儲和場地建設(shè)等一系列問題，且燃料電池的購買成本與運行維護成本均較高等問題，燃料電池模擬器裝置采用直流穩(wěn)壓電源+buck 變流器的拓撲來實現(xiàn)對燃料電池的模擬。

3.鎳氫電池模擬器

用于航空領(lǐng)域的鎳氫電池模擬器，該裝置采用轉(zhuǎn)換裝置分別模擬充電工況和放電工況。

4.全智能電池模擬器

全智能電池模擬器一般用于新能源汽車電機領(lǐng)域，該裝置作為一種電源裝置，可以方便用于新能源汽車的電機及其控制器測試中。其拓撲結(jié)構(gòu)采用三相電壓型 PWM 變流器+雙向 DC/DC 變流器，可以方便地實現(xiàn)并網(wǎng)充放電電流的正弦波形和高功率因數(shù)控制，對電網(wǎng)無污染。

此外準確的電池模型是研制電池模擬器的基礎(chǔ)。根據(jù)模型的形式，電池模型有電化學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型和電氣模型三種。電池的電氣模型還可以細分為三種：等效電路模型，交流阻抗模型和運行時間模型。對于交流阻抗模型，它通過電化學(xué)阻抗譜的方法得到頻域交流等效阻抗模型，隨后用一個等效的復(fù)阻抗來匹配這個阻抗譜。但是這個匹配過程復(fù)雜而且不直觀，也不能體現(xiàn)直流特性和電池運行時間。對于運行時間模型，它采用復(fù)雜的電路拓撲來仿真電池的運行時間直流特性。采用大電容來表征電池容量，電容電壓變化反映了開路電壓隨充電荷電狀態(tài)的變化情況。

二、電池模擬器存在的問題

綜上述所述，大部分現(xiàn)有的電池模擬器裝置均以不控整流器+DC/DC 變流器或者直流穩(wěn)壓電源+DC/DC 變流器作為模擬器的拓撲。這些模擬器存在以下幾個不足：

（1）模擬對象單一，只能模擬一種特定的電池，如光伏電池模擬器只能模擬光伏電池外特性，而無法模擬其它種類的電池。

（2）拓撲存在不足，在不控整流器+DC/DC 變流器的拓撲下能量只能單向流動，無法雙向流動，只能模擬電池放電工況，無法模擬電池的其它工況，故對可充可放電池的模擬無能為力。

（3）電池種類過少，缺乏新型電池（如液流電池、鋰電池和鈉硫電池等）的模擬器，給新型大規(guī)模儲能電池的研究帶來困難。

三、發(fā)展趨勢

（1）發(fā)展多功能的電池模擬器，以實現(xiàn)不同種類、不同參數(shù)、不同工況的電池的智能模擬，即一臺電池模擬器可以同時具備模擬多種電池的功能，為電池儲能系統(tǒng)高效、安全、可靠地應(yīng)用于可再生能源系統(tǒng)和電網(wǎng)提供有力的技術(shù)支撐。

（2）研究新型電池的模擬器研究，比如液流電池、鈉硫電池等電池的模擬器。

（3）研究電池模擬器和電網(wǎng)之間能量的雙向流動，電池模擬器能夠同時模擬電池的充電情況和放電情況。

（4）研究準確的電池模型。

四、結(jié)語

本文對電池模擬器的概況進行了介紹，研究了現(xiàn)存電池模擬器的缺點不足，指明了電池模擬器未來的發(fā)展趨勢。

作者簡介：李龍（1989-），男，漢族，河北人，碩士，研究實習(xí)員，工作單位：國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心；畢業(yè)院校：中國石油大學(xué)（北京）。