一種模擬車載動力電池動態充放電的方法

吳洪亭, 劉 雷， 劉靜雯， 朱志峰， 邢化嶺

(1.中通客車股份有限公司， 山東 聊城 252000； 2.聊城職業技術學院， 山東 聊城 252000)

電動汽車現有的臺架試驗或整車轉鼓試驗的電源一般采用實車上配置的動力電池[1-2]，其成本高，循環壽命有限，在實驗室高強度應用環境下電池衰減較快；一般測試環境無法有效模擬實際應用場景(如極端環境下電耗較室溫要快得多)。現有技術下的充放電測試設備可實現特定功率范圍內的恒壓變流或恒流變壓輸出，但無法有效地模擬動力電池動態充放電特性；一般也無法與整車控制器握手通訊，相關測試需屏蔽整車控制器對電池報文的識別、判斷[3]，和實車程序不一致，進一步降低了測試結果的價值。

為了解決上述問題，本文提出一種基于充放電測試設備模擬電池動態充放電的方法[4]。

1 實施方式

本文提出的基于充放電測試設備模擬電池動態充放電的方法，需設置包括充放電測試設備控制器、充放電測試設備、傳感系統等作為基礎硬件模擬動力電池，在綜合臺架或轉鼓試驗中代替車載動力電池使用，實現流程如圖1所示。

圖1 方法流程圖

1.1 建立電池模擬數據庫

通過電池數據獲取、負載特性曲線跟蹤與SOC估算等步驟[5]，獲取不同類型動力電池的試驗數據，獲取表征動力電池充、放電特征參數，建立動力電池模擬數據庫。

其中，試驗獲取參數包括：電池額定容量、運行環境溫度對電池容量影響系數、本體溫度對電池放電影響系數、內阻對電池放電影響系數。定量分析不同環境溫度和運行工況下動力電池的放電特性及各電器部件的能耗特性[6]。

不同類型動力電池可采用實際的動力電池進行試驗，將功率分析儀等測量儀器集成在測試平臺中[7]，采集的數據包括：端電壓隨電池溫度變化數據，端電壓隨電池荷電狀態變化數據，端電壓波動與放電電流變化梯度的關系數據，輸入、輸出電流限值隨電池溫度變化數據，輸入、輸出電流限值隨動力電池荷電狀態變化數據，電池溫度隨電池放電功率變化數據。

可設置多種類型動力電池系統放電工況[8]，包括磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元鋰等電池類型，根據實際匹配需求選定電池類型后，錄入電池串聯數、并聯數及荷電狀態等初始狀態參數，即可快捷、有效地模擬動力電池系統工作特性。

1.2 動力電池配置數據及模擬數據獲取

根據動力電池配置數據查找電池模擬數據庫的數據，確定動力電池系統工作的初始狀態，根據初始狀態開啟充放電測試設備輸出直流電。

動力電池配置數據包括模擬動力電池初始容量和電池類型，電池類型包括生產廠家、額定容量、電池型號、電芯特性、電芯總串并數等。

初始狀態包括模擬動力電池輸出的初始電壓和電流。

模擬數據包括充放電測試設備輸出端的輸出電流和電壓變化數據、環境溫度、電池溫度、電池內阻。

1.3 動力電池荷電狀態預瞄

根據放電電流變化梯度和模擬動力電池的工作狀態數據，計算下一時刻的動力電池荷電狀態，步驟如下：

1) 查找電池模擬數據庫，根據工作狀態確定電池輸出的各項影響系數。

2) 根據影響系數和放電電流變化梯度，計算下一時刻的動力電池荷電狀態。動力電池荷電狀態計算公式如下：

式中：SOCt為t時刻系統的荷電狀態水平；SOCi為初始配置的荷電狀態水平；KT0為動力電池試驗獲得的電池運行環境溫度對電池容量影響系數；KT1為電池溫度對電池放電影響系數；α為電池內阻對電池放電影響系數；I為電池放電電流；QN為電池額定容量。為更好地模擬電池狀態，相關系數KT0、KT1以及α隨SOC變化分階段選取，在某一階段內系數是固定的。

由于電網輸入為不必“焦慮”的能量源，因此，輸入的電流、電壓不作為輸出狀態的判定條件，但需要在充放電測試設備輸入端設置電流、電壓傳感器，用于監控供電單元健康狀態。

1.4 動力電池模擬狀態參數確定

根據模擬動力電池下一時刻的荷電狀態以及當前的工作狀態數據，確定動力電池模擬狀態參數并傳輸至充放電測試設備執行輸出。電池模擬狀態參數包括輸出端電壓、電流限值，工作狀態數據包括電池溫度、動力電池荷電狀態、電流變化梯度和動力電池模擬數據庫的數據。將動力電池模擬狀態參數發送至充放電測試設備控制器，充放電測試設備根據控制器指令調節系統的端電壓和電流限值模擬動力電池進行輸出、輸入，步驟如下：

1) 根據動力電池荷電狀態、電流變化梯度和動力電池模擬數據庫的數據，計算模擬電池動態充放電的系統端電壓大小：

式中：Ut、Ut-1分別為t時刻、t-1時刻系統端電壓；UT0為初始配置環境溫度下的電壓值；ΔUSOCi為初始配置電池荷電狀態水平下的端電壓變化值；U(SOCt)、U(SOCt-1)分別為t時刻、t-1時刻電池荷電狀態水平對應的端電壓值；ΔU(SOCt,dI)為t時刻電池荷電狀態水平下，放電電流變化值對應的電壓變化值。

2) 根據電池溫度、動力電池荷電狀態、電流變化梯度和動力電池模擬數據庫的數據，計算模擬動力電池輸出端輸出電流限值：

Itmax≤min(βITt，βISOCt)

式中：Itmax為t時刻系統輸出電流限值；β為電池內阻對電池放電影響系數，β=1/α；ITt、ISOCt分別為電池在Tt溫度下和在SOCt荷電狀態水平下的最大放電電流，Tt為電池試驗獲得的電池溫度隨電池放電功率變化的數據。

3) 采集輸入、輸出的電壓和電流，傳感器采集模擬電池動態充放電系統輸入、輸出的端電壓、電流和電池溫度數據，并將數據發送給充放電測試設備控制器；循環執行完成實時的動力電池動態模擬。

2 模擬系統及方法

基于充放電測試設備模擬電池動態充放電的系統及方法如圖2所示，包括充放電測試設備控制器、充放電測試設備、傳感單元。

圖2 裝置框圖

2.1 充放電測試設備控制器

充放電測試設備控制器用于計算和控制動力電池模擬狀態參數，包括模擬輸出控制模塊和運算模塊。

1) 模擬輸出控制模塊。將運算模塊計算的數據轉換為模擬信號傳輸至充放電測試設備。

建立制度化、規范化的巡視檢查制度，并明確巡視檢查的重點范圍、重點環節和重點內容以及檢查方式，建立健全巡查觀測記錄、分析、報告、處理、存檔等一整套規章制度，對于落實入海水道工程的管理責任至關重要。

2) 運算模塊。根據采集的模擬動力電池的工作狀態數據，計算動力電池模擬狀態參數。電池模擬狀態參數包括輸出端電壓、輸出端輸入及輸出電流限值。

2.2 充放電測試設備

充放電測試設備連接供電電網和用電端，根據其發出的狀態參數，將供電電網的交流電變換為符合電壓和電流限值的直流電，供給用電端，包括電壓調節模塊和限流模塊。

1) 電壓調節模塊。根據充放電測試設備控制器發出的電池模擬狀態參數，將供電電網的交流電變換為符合限值要求的輸出端電壓；電壓調節模塊至少包括濾波電路、整流電路和穩壓電路。

2) 限流模塊。根據充放電測試設備控制器發出的電池模擬狀態參數，將供電電網的交流電變換為符合限值要求的輸出端電流。

2.3 傳感單元

傳感單元用于采集模擬電池動態充放電系統輸出端的輸出及輸入的電壓、電流數據，包括環境溫度傳感器、電池溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器。電壓傳感器設置在輸出端測量端電壓，電流傳感器分別設置在充電回路和放電回路上，分別用于測量輸出端的輸出、輸入電流。

電池內阻可根據測量獲得的電流、電壓和電池溫度計算，電池溫度可通過設置的溫度傳感器直接測量，也可在測試系統增加專用的電池內阻測試儀來測量[9]。

環境溫度傳感器設置在距離發熱源2 m以外位置，是電池初始工作溫度采集位置的參考標準。

動力電池的輸出端包括充電回路和放電回路，是因為車輛的制動過程可以對動力電池進行充電，動力電池的輸出主要是供給車輛上的用電設備使用。

3 效果對比

與現有技術相比，本文方法有以下優點：

1) 本文提出的基于充放電測試設備模擬電池動態充放電的方法，可代替動力電池在綜合臺架或轉鼓試驗臺開展的整車工況試驗中使用，電源模擬電池不同狀態[10]，可模擬BMS與整車控制器(HCU)握手通訊。可節約循環試驗時動力電池充電、維護、轉運、調試時間，解決電量焦慮問題，避免試驗充放電過程及較高的使用強度對動力電池系統產生不可逆的損害。

2) 模擬電池動態充放電系統作為模擬動力電池，能夠有效地模擬動力電池系統工作特性，可模擬動力電池端電壓隨電池溫度變化，動力電池端電壓隨電池荷電狀態變化，動力電池端電壓波動與放電電流變化梯度的關系，動力電池輸入、輸出電流限值隨電池溫度變化，動力電池輸入、輸出電流限值隨動力電池荷電狀態變化的特性，有效地模擬了動力電池系統工作特性，可替代綜合臺架或轉鼓試驗臺開展整車工況試驗中使用的真實電池。解決了現有技術存在的模擬動力電池方法簡化嚴重，試驗數據不準確，不能有效達到整車工況試驗所需條件的問題。

3) 模擬電池動態充放電系統作為模擬動力電池，內嵌多類型動力電池系統(如磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元鋰等)模型，根據實際匹配需求選定電池類型后，錄入電池串聯數、并聯數及初始荷電狀態即可快捷、有效地模擬動力電池系統工作特性。

本文方法還存在以下問題：

1) 由于建立電池模擬數據庫的難度及工作量較大，模型的準確性依賴于數據庫的不斷積累完善。

2) 每次試驗前均需對主要傳感單元設置報警限值和停機限值，以實現對測試系統和被測單元的有效保護。

4 結束語

本文提出了一種模擬電池動態充放電的方法，可在臺架或整車轉鼓的整車工況試驗中替代動力電池，縮短試驗周期；節省高低壓線束、工裝支架等附件配置；解決電量焦慮；避免對電池系統造成不可逆損害；避免儲備各類電池帶來的成本、空間、維護、廢舊處置等資源占用；為相關試驗提供適配、可靠、可控且源源不斷的電力源。