車用單體動(dòng)力電池模擬單元的實(shí)現(xiàn)

毛子通，吳 鋒，張 濤，郭修其，姚棟偉，宋文濤

（1.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)系，浙江 杭州310027；2.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州310027；3.浙江萬向億能動(dòng)力電池有限公司，浙江，杭州310027）

電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）具有優(yōu)化使用和安全使用動(dòng)力電池的功能，因此針對BMS的測試是電動(dòng)汽車開發(fā)過程的重要環(huán)節(jié).測試系統(tǒng)需對BMS荷電狀態(tài)估算功能、電池均衡等功能進(jìn)行測試及驗(yàn)證［1］，為此應(yīng)向BMS 提供動(dòng)力電池的各種參數(shù)，包括動(dòng)力電池組的溫度，單體電壓和總電壓等參數(shù).廉靜等［2-4］系統(tǒng)地介紹了BMS的測試系統(tǒng)，但文獻(xiàn)［2-3］并未提及單體動(dòng)力電池模擬單元，Haupt等［4］提到了單體動(dòng)力電池模擬單元，并提出了具體的技術(shù)參數(shù)要求，但Haupt等［4］直接采用dSPACE 公司的電池模擬板卡作為單體動(dòng)力電池模擬單元，沒有對影響模擬單元輸出精度以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的因素做深入研究.本文以單體動(dòng)力電池的模擬單元作為主要研究對象，模擬單元接收來自電池模型的控制命令，旨在模擬單體動(dòng)力電池的電壓輸出特性，并對影響模擬單元輸出特性的因素進(jìn)行分析，得到符合技術(shù)參數(shù)的單體動(dòng)力電池模擬單元.常用電池模型主要分為電化學(xué)模型和等效電路模型，其中等效電路模型主要用于電動(dòng)汽車性能的仿真研究.在等效電路模型中，GNL電池模型具有便于數(shù)學(xué)分析，物理意義明晰等特點(diǎn)，成為了在電動(dòng)汽車仿真中最常使用的模型.因此選擇GNL電池模型作為BMS測試系統(tǒng)的電池模型，通過Matlab／Simulink實(shí)現(xiàn)GNL模型的搭建，通過復(fù)合脈沖實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到GNL 模型的參數(shù)［5］，由于篇幅的限制，電池模型的具體工作不在本文展開.

1 技術(shù)參數(shù)

為精確模擬單體電池工作電壓（0～5V），模擬單元需產(chǎn)生高精度的輸出電壓，同時(shí)保證足夠的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能.為適用于不同電池模擬單元的均衡策略（主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡），模擬單元需具備一定充放電電流的能力，具體技術(shù)參數(shù)如表1所示：

表1 技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters

表中：V 為電池電壓，t為響應(yīng)時(shí)間，P 和R 分別為精度和分辨率，Ic和Id分別為被動(dòng)均衡充電電流和放電電流.

2 單體動(dòng)力電池模擬單元硬件電路設(shè)計(jì)

單體動(dòng)力電池模擬單元由隔離型DC-DC 變換器、高精度雙向DC-DC 變換器和線性穩(wěn)壓單元組成，如圖1所示.

主控DSP處理器接收來自CAN 總線的命令，控制隔離型DC-DC變換器將12V 電壓輸入轉(zhuǎn)換為5V 電壓輸出，隔離型DC-DC完成電壓轉(zhuǎn)換的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電氣隔離；雙向DC-DC的作用在于實(shí)現(xiàn)輸出電壓的快速響應(yīng)，其工作流程如圖2所示，充電時(shí)，雙向DC-DC外接電阻負(fù)載單元，通過電阻負(fù)載單元對外釋放能量，限制輸出電壓的上升幅值.ADC 采集模塊、DAC 輸出模塊、從DSP 處理器以及雙向DC-DC變換器構(gòu)成了閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電壓的精確輸出.本文模擬單元的主控DSP處理器和從處理器采用FREESCALE 的MC56F8006，內(nèi)部主頻為32MHz，PWM 最高調(diào)制頻率可達(dá)96MHz，符合模擬單元對于精度和響應(yīng)速度的需求.

圖1 模擬系統(tǒng)的硬件電路硬件框架Fig.1 Frame of hardware circuit Simulation system

圖2 雙向DC-DC變換器工作流程圖Fig.2 Bi-direction DC-DC converter route chart

目前常見的非隔離式雙向DC-DC主要有半橋，CuK，級聯(lián)式buck-boost以及SEPIC 等［6］.基于雙向半橋DC-DC變換器在相同條件下電流電壓應(yīng)力最低的優(yōu)點(diǎn)，本論文選擇半橋DC-DC.其基本原理示意圖如圖3所示，由一個(gè)升壓電路和降壓電路反向聯(lián)接而成.根據(jù)雙向半橋DC-DC 電流流向的不同，變換器存在Buck模式和Boost模式，從而完成升壓和降壓的功能.L1為電感，C1為儲(chǔ)能電容，VL和VH分別表示雙向DC-DC變換器的兩端電壓.

圖3 雙向半橋DC-DC變換器原理示意圖Fig.3 Bi-direction half-bridge DC-DC converter schematic diagram

如圖3所示，數(shù)字1，2，3分別代表mos管的柵極，漏極和源極.電路工作原理如下：Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)，Q2 處于工作狀態(tài)時(shí)，雙向半橋DC-DC 處于BOOST 模式.Q2導(dǎo)通時(shí)，VL向電感L1充電，Q2斷開時(shí)，由于電感的電壓不能突變，所以VL和電感電壓相加便是輸出電壓VH，實(shí)現(xiàn)電壓的上升.輸出電壓VH和Q2的工作狀態(tài)（Q2控制端通過PWM 的頻率和占空比控制Q2的開合以及開合的時(shí)間）有關(guān).Q1處于工作狀態(tài)，Q2處于關(guān)斷時(shí)，雙向半橋處于BUCK模式.DC-DC變換器的評價(jià)指標(biāo)包括輸出電壓的紋波，轉(zhuǎn)換效率等，而紋波大小直接影響輸出電壓的精度，它與PWM 斬波控制方式（PWM 頻率和占空比、電感大小等）、PCB板布局布線相關(guān).雙向DCDC輸出紋波主要由電感L1產(chǎn)生的電流紋波和電容C1引起的電壓紋波引起，以BOOST模式電路為例分析電路中元器件參數(shù)對于輸出電壓紋波的影響.

參照文獻(xiàn)［7］對于紋波的分析，得出電流紋波和電壓紋波的表達(dá)式分別為

式中：I2和I1分別表示mos管關(guān)斷和導(dǎo)通時(shí)電感電流的初始值，ton為mos管導(dǎo)通時(shí)間，D 為占空比，T 為PWM 波的周期，RL、CLL 分別為電路中的電阻、電容、電感，ΔV 表示電壓紋波.

由式（1）和（2）可知，輸出電壓紋波與入電壓，PWM 波的占空比和周期成正比，與負(fù)載電阻、電容大小和電感值成反比.由于輸入電壓VL為固定5V，輸出端的等效電阻RL和電容CL也隨著負(fù)載的變化而變化.因此輸出電壓紋波大小主要取決于PWM 波的頻率和占空比.

通過Matlab電路仿真，改變PWM 波頻率f 和占空比，觀察電壓紋波的大小，如圖4～6 所示.其中，圖4 為f＝25kHz，D ＝27%，圖5 為D ＝27%，L＝0.002H.

仿真結(jié)果表明輸出電壓的紋波隨著電感值和頻率的增大而減小并且趨于穩(wěn)定，隨著占空比的增大而增大.在實(shí)際確定PWM 波頻率和占空比時(shí)，考慮到電感值大小直接影響到模擬單元體積，改善紋波性能主要通過PWM 頻率和占空比來實(shí)現(xiàn).PWM波頻率的增加會(huì)增加功率器件的功率器件的開關(guān)損耗并且要求足夠的散熱條件.綜合考慮上述因素，本論文所選取的PWM 波頻率f＝50kHz，占空比調(diào)節(jié)范圍為20%～80%.

圖4 電感值對輸出紋波的影響Fig.4 Influence of Inductance to output ripple

圖5 PWM 頻率對輸出紋波的影響Fig.5 Influence of PWM frequency to output ripple

圖6 PWM 占空比對輸出紋波的影響Fig.6 Influence of PWM duty ratio to output ripple

3 試驗(yàn)測試

3.1 輸出電壓精度測量試驗(yàn)

主控單元通過CAN 總線設(shè)定輸出電壓的輸出值（電壓為1 000～4 000mV，步進(jìn)值為200mV，共16個(gè)測試點(diǎn)），輸出端用優(yōu)利德5位半數(shù)字萬用表UT805A 測試輸出端的實(shí)際輸出電壓.

如圖7所示，Vdif表示絕對電壓差.模擬單元的滯回誤差較小，最大滯回誤差發(fā)生在1 000和1 600mV測試點(diǎn)，且在最大滯回誤差測試點(diǎn)的誤差在0.2%的精度允許范圍內(nèi)，滿足實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo).

圖7 正反雙向輸出電壓精度測試Fig.7 Positive and negative two-way output voltage accuracy test

模擬單元帶載（不同充放電環(huán)境）時(shí)的輸出電壓精度直接影響B(tài)MS 的控制策略驗(yàn)證（例如動(dòng)力電池過充和過放狀態(tài)監(jiān)測）.綜合考慮電池的充放電特性［8-9］，模擬單元在恒流充放電時(shí)，電壓變化幅值需在8%以內(nèi).不同充放電環(huán)境下，模擬單元電壓變化幅值如圖8和9所示.

圖8 不同充電能力下的電壓穩(wěn)定性Fig.8 Voltage stability under different charging current

圖9 不同放電能力下的電壓穩(wěn)定性Fig.9 Voltage stability under different discharge current

圖中：V0和Ra表示初始電壓和電壓上升幅值.圖8表明，輸出電壓上升幅值隨著電流的變大而變大，隨著電壓的增加而變小，在初始電壓2 V，3 A恒流充電時(shí)，電壓上升幅值達(dá)到最大值6.125%.模擬單元在充電時(shí)整體穩(wěn)定性較好，電壓上升幅值沒有超過8%.

圖中：V0和Rb表示初始電壓和電壓下降幅值.圖9表明，輸出電壓的下降幅值隨著放電電流的增加而增加，隨著初始電壓的上升而下降.下降幅值最大發(fā)生在初始電壓為2V，1A 放電的測試點(diǎn)，電壓下降幅值為1.25%.模擬單元在恒流放電時(shí)電壓穩(wěn)定性較好，滿足實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo).

上述試驗(yàn)表明模擬單元在帶載時(shí)的電壓變化幅值大于空載時(shí)的電壓變化幅值，這是由模擬單元外接的電阻負(fù)載單元有限的釋放電能的能力所決定的.

3.2 輸出電壓一致性測量試驗(yàn)

車用動(dòng)力電池組是由多個(gè)單體動(dòng)力電池串聯(lián)或并聯(lián)而成的，單體動(dòng)力電池模擬單元之間性能的一致性是其重要的性能指標(biāo).單體動(dòng)力電池模擬單元性能的一致性體現(xiàn)在2個(gè)方面：1）在設(shè)定相同的輸出電壓時(shí)，輸出電壓的一致性；2）當(dāng)恒流充放電時(shí)，模擬單元輸出電壓上升和下降的幅值的一致性.試驗(yàn)也從這2個(gè)方面展開.

在1 000～5 000 mV 電壓范圍內(nèi)（步進(jìn)值為500mV），對32個(gè)模擬單元進(jìn)行測試，并統(tǒng)計(jì)模擬單元的相對誤差，其中相對誤差為

式中：Re為電壓的相對誤差，Vt為電壓的測量值，具體測試結(jié)果如表2所示，其中Δ 為模擬單元相對誤差在特定誤差等級下所占的百分比.

試驗(yàn)結(jié)果表明隨著目標(biāo)電壓的增加，Δ 逐漸向誤差等級（0～0.05%）靠攏，一致性逐漸變好.在1 000mV測試點(diǎn)，模擬單元誤差等級較高是由系統(tǒng)誤差（元器件性能差異，PCB 布線等引起的絕對誤差）引起.但所有模擬單元均能滿足實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo).

表2 精度測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Precision test result statistic table %

為了測試模擬單元在恒流充放電時(shí)的電壓變化幅值，本試驗(yàn)為模擬單元外部配置可編程電子負(fù)載，通過可編程電子負(fù)載（美爾諾公司的M9714B 電子負(fù)載）模擬恒流充放電的外部環(huán)境，試驗(yàn)外部配置圖如圖10所示.

圖10 恒流充放電試驗(yàn)外部配置Fig.10 Outer allocation of Constant charging-discharging current test

設(shè)定模擬單元低壓為2V，恒流3A 充電，32個(gè)模擬單元的測試結(jié)果如圖11所示.

圖11 不同模擬單元恒流充電輸出電壓Fig.11 Output voltage under different cell simulators’constant charging current

圖中：N 和Vout分別表示模擬單元號和輸出電壓.32個(gè)模擬單元的輸出電壓平均值μ＝2.142 4，標(biāo)準(zhǔn)差σ＝0.006 48，所有模擬單元的測試值都在（μ-2σ，μ＋2σ）范圍內(nèi)，可以認(rèn)為模擬單元在恒流充電時(shí)一致性較好.

試驗(yàn)設(shè)定模擬裝置高壓為4V，設(shè)置為1A 恒流放電的外部環(huán)境，測試結(jié)果如圖12所示.

如圖12所示，模擬單元在恒流放電情況下，模擬單元的平均值μ＝3.996 347，標(biāo)準(zhǔn)差σ＝0.001，同樣的所有模擬單元的測試值都在（μ-2σ，μ＋2σ）范圍內(nèi)，可以認(rèn)為模擬單元在恒流放電時(shí)一致性較好.

圖12 不同模擬單元恒流放電輸出電壓Fig.12 Output voltage under different cell simulators’constant discharging current

3.3 模擬單元?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間同樣是模擬單元重要的考核指標(biāo)，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電壓變化幅值是影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的最主要指標(biāo)，不同的電壓變化幅值下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間如圖13所示.圖中：Vt表示電壓變化幅值，tre表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間.如圖13所示，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間隨著電壓變化幅值的增加而增加，并且在相同的電壓變化幅值下，電壓上升的響應(yīng)時(shí)間略大于電壓下降的響應(yīng)時(shí)間.動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間最大值發(fā)生在電壓上升并且變化幅值為3V 處，響應(yīng)時(shí)間為80ms，滿足實(shí)際應(yīng)用小于100ms的技術(shù)指標(biāo).

圖13 不同電壓變化幅值下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間Fig.13 Dynamic response time under different voltage

4 結(jié) 論

（1）通過三級電路設(shè)計(jì)確定了單體動(dòng)力電池單元的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并通過matlab 仿真測試得到得到雙向DC-DC變換器中各個(gè)參數(shù)對于輸出電壓紋波，電壓響應(yīng)時(shí)間的定性分析，得到相對正確的參數(shù).

（2）輸出電壓精度測試試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬單元符合系統(tǒng)所要求的0.2%的精度要求，并且模擬單元擁有較小的滯回誤差.

（3）充放電時(shí)輸出電壓變化幅值測試試驗(yàn)驗(yàn)證了不同模擬單元在充放電時(shí)性能的一致性，32個(gè)單體動(dòng)力電池模擬單元在充放電時(shí)的輸出電壓值都在（μ-2σ，μ＋2σ），所以認(rèn)為不同的模擬單元性能的一致性較好.

（4）不同充放電能力下的電壓穩(wěn)定性試驗(yàn)測試了模擬單元在不同的初始電壓下，不同的充放電能力下的電壓的穩(wěn)定性，測試顯示模擬單元在不同充放電調(diào)節(jié)下都能符合系統(tǒng)所提出的要求，穩(wěn)定性較好.

（5）動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)測試了在不同電壓變化幅值下模擬單元的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果顯示，模擬單元的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間均符合小于100ms的實(shí)際應(yīng)用需求.

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）：

［1］戴海峰，孫澤昌，魏學(xué)哲.嵌入式燃料電池車鋰離子動(dòng)力電池管理系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，43（9）：208-210.DAI Hai-feng，SUN Ze-chang，WEI Xue-zhe.Embedded power lithium-ion battery management system used on fuel cell hybrid vehicle［J］.Computer engineering and application，2007，43（09）：208-210.

［2］廉靜，陳覺曉，孫澤昌.基于xPC的電池管理系統(tǒng)硬件在環(huán)測試研究［J］.佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，29（2）：193-196.LIAN Jing，CHEN Jue-xiao，SUN Ze-chang.Study of HIL based on battery management program［J］.Journal of Jamus University（science edition），2011（02）：193-196.

［3］ALLEN J.Simulation and test systems for validation of electric drive and battery management systems［J］.SAE Paper，2012（01）：2144.

［4］HAUPT H，BRACKER J，PLOEGERET M.Hardware-in-the-loop test of battery management systems［J］.SAE Paper，2013（01）：1542.

［5］林成濤，仇斌，陳全世.電動(dòng)汽車電池功率輸入等效電路模型的比較研究［J］.汽車工程，2006，28（3）：229-234.LIN Cheng-tao，QIU Bin，CHEN Quan-shi.A Comparative study on power input equivalent circuit model for electric vehicle battery［J］.Automotive Engineering，2006，28（3）：229-234.

［6］陳剛，徐德鴻.一種零電壓開關(guān)雙向DC／DC 變換器［J］.電力電子技術(shù)，2001，35（2）：1-3.CHEN Gang，XU De-hong.A zero-voltage-switching bi-directional DC-DC convertor［J］.Power Electronics，2001，35（2）：1-3.

［7］王學(xué)梅，易根云，丘東元，等.基于伏秒平衡原理的Buck-Boost變換器分析［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（2）：61-64.WANG Xue-mei，YI Gen-yun，QIU Dong-yuan，et al.Analysis of buck boost converter based on the principle of volt-second balance［J］.Journal of Electrical ＆Electronic Education，2012，31（02）：61-64.

［8］孫逢春，何洪文，陳勇.鎳氫電池充放電特性研究［J］.汽車技術(shù)，2001（6）：6-8.SUN Feng-chun，HE Hong-wen，CHEN Yong，et al.Study of Ni-II cell’s charging and discharging characteristics［J］.Automotive Technics，2001（06）：6-8.

［9］謝曉華，解晶瑩，夏保佳.鋰離子電池低溫充放電性能的研究［J］.學(xué)世界，2008，49（10）：581-583.XIE Xiao-hua，XIE Jin-ying，XIA Bao-jia.Study of charge and discharge performance of lithium Ion batteries on low temperature［J］.Chemical World，2008，49（10）：580-583.