基于PWM波的動(dòng)力電池放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

李圓圓，霍 煒，朱智富，張 翼 ，李志明，樊華敏，黃福闖

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基于PWM波的動(dòng)力電池放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

李圓圓1，霍 煒1，朱智富2，張 翼1，李志明1，樊華敏1，黃福闖1

（1青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，動(dòng)力集成及儲(chǔ)能系統(tǒng)工程技術(shù)中心，山東青島 266071；2青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院，山東青島 266071）

基于PWM（pulse-width modulation，脈沖寬度調(diào)制）波和VISA（virtual instrument software architecture，虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)）接口設(shè)計(jì)一套研究電池工況熱特性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)可以對(duì)電池進(jìn)行不同工況（如NEDC，new european driving cycle，新歐洲循環(huán)駕駛、UDDS，urban dynamometer driving schedule，城市道路循環(huán)等）放電實(shí)驗(yàn)研究，并可以采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度信息，采樣頻率可根據(jù)實(shí)際需要自定義。文章論述了該系統(tǒng)中PWM波工作原理，根據(jù)NEDC工況計(jì)算采樣精度為0.1s的PWM波數(shù)組，用于控制電池按照NEDC工況放電。系統(tǒng)硬件中，DC/DC（direct current to direct current converter，直流到直流變換器）為一種新型的對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電壓轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)雙向升降壓，方便工況的模擬；PWM波產(chǎn)生器產(chǎn)生NEDC工況控制信號(hào)，控制PWM執(zhí)行器執(zhí)行操作。并驗(yàn)證系統(tǒng)關(guān)鍵部件的可靠性和精度。最后，對(duì)國(guó)內(nèi)主流18650電池進(jìn)行NEDC實(shí)驗(yàn)并獲得其放電溫度曲線。

PWM；循環(huán)工況；鋰電池；VISA對(duì)象

汽車動(dòng)力鋰電池在工作過(guò)程中往往需要大倍率充放電，而在實(shí)驗(yàn)室中如何方便地實(shí)現(xiàn)鋰電池可控地大倍率充放電是電池充放電實(shí)驗(yàn)中面臨的一個(gè)問(wèn)題。目前電池實(shí)驗(yàn)是通過(guò)電化學(xué)工作站或者專業(yè)的充放電儀來(lái)進(jìn)行，而一般的電化學(xué)工作站主要功能為測(cè)量電池參數(shù)[1]，其放電倍率很少能達(dá)到10 C[2]，充放電儀通常采用饋能式電子負(fù)載，其可以達(dá)到很高的放電倍率且可以循環(huán)利用能源，但是價(jià)格昂貴[3-5]。孟彥京等[6]設(shè)計(jì)了一種DSP（digital signal processor，數(shù)字信號(hào)處理器）控制的電池充放電效率實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其放電回路使用的是Boost電路，故其電池放電時(shí)只能升壓而不能降壓，不能實(shí)現(xiàn)零到最高放電倍率的任意功率放電，故該系統(tǒng)只能用于某些特定功率的放電實(shí)驗(yàn)而不能模擬車輛行駛工況的電池放電。賈高峰等[7]曾設(shè)計(jì)一種動(dòng)力電池組性能測(cè)試系統(tǒng)，其放電器使用Cuk變換器[8]和變阻器，利用PWM（pulse-width modulation）波控制輸出電壓的方式控制放電功率，但Cuk變換器也只能實(shí)現(xiàn)單向的升降壓。曾巍等[9]研制的電池性能檢測(cè)系統(tǒng)利用VMOS（V-groove metal oxide semiconductor，V形槽金屬氧化物半導(dǎo)體）管的GS電位差與導(dǎo)通電流的關(guān)系控制放電功率，其放電回路并沒(méi)有采用升降壓技術(shù)，鑒于單體電池的低電壓水平，希望達(dá)到10 C的最高放電倍率，其負(fù)載阻值將會(huì)是0.1 Ω級(jí)別，功率為100 W級(jí)別，這一級(jí)別電阻較貴，且由于電阻制造精度的問(wèn)題將會(huì)帶來(lái)較大的實(shí)驗(yàn)誤差。牛紅濤等[10]研究釩電池測(cè)試系統(tǒng)時(shí)使用的放電儀器為程控直流電子負(fù)載，目前直流負(fù)載成本大約在8～10元/W，且電流電壓功率都有使用限制。劉言新[11]設(shè)計(jì)的雙向流動(dòng)的電池充放電系統(tǒng)中，充放電電路并不是一種完全意義上的雙向升降壓電路，而是一種充電Buck和放電Boost的組合電路，只能實(shí)現(xiàn)充電降壓放電升壓的目的，這將使其不能完成汽車行駛工況的模擬工作。同樣的電路在趙立萍[12]電動(dòng)汽車復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)研究中也被利用。

鑒于此本工作設(shè)計(jì)了一套能夠?qū)崿F(xiàn)電池高倍率放電并且可按工況輸出的電池測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一種新型的對(duì)稱結(jié)構(gòu)的DC/DC（direct current to direct current converter，直流到直流變換器），其能夠?qū)崿F(xiàn)任意方向的升壓和降壓功能，能夠?qū)崿F(xiàn)單體最高30 A的大電流放電，完全滿足了單體電池各種工況的放電需求；并且本系統(tǒng)基于MATLAB編程，故可以基于MALAB自定義測(cè)試需求。

1 系統(tǒng)原理

圖1為電池實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖，其結(jié)構(gòu)分為兩部分：①主電路，被測(cè)電池經(jīng)DC/DC升壓，DC/DC輸出端接入滑動(dòng)變阻器作為負(fù)載，在主回路中間串聯(lián)PWM波執(zhí)行器；②控制及信號(hào)采集電路。PWM波產(chǎn)生器產(chǎn)生PWM波，PWM波占空比隨NEDC工況變化并控制PWM波執(zhí)行器；溫度傳感器溫度信號(hào)和PWM波執(zhí)行器執(zhí)行結(jié)果分別經(jīng)示波器兩個(gè)通道被采集，由VISA接口（virtual instrument software architecture，虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)）傳入PC中并被存儲(chǔ)。由于被測(cè)電池最高電壓僅為4.2 V，如果直接接入主電路，則負(fù)載電阻必須足夠小才能 滿足最高10 C的放電倍率。此時(shí)滑動(dòng)變阻器工作 電阻絲匝數(shù)過(guò)少，不能滿足散熱功率需求；并且 微小電阻誤差將導(dǎo)致較大的放電倍率誤差。故需 要通過(guò)DC/DC將電壓升高，增加滑動(dòng)變阻器的 散熱面積，保證電池放電的功率需求，減少實(shí)驗(yàn) 誤差。

圖1 電池實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

1.1 PWM控制機(jī)制簡(jiǎn)介

圖2 所示為正弦半波與PWM波對(duì)照?qǐng)D，其中每/7正弦波的積分面積可用對(duì)應(yīng)區(qū)間的PWM波積分面積表示，即可用離散數(shù)字的PWM波來(lái)等效表示連續(xù)的模擬物理量[13]。PWM波分為等幅波和不等幅波兩種，但這兩種波都是基于面積等效原理來(lái)實(shí)現(xiàn)等效轉(zhuǎn)換，本實(shí)驗(yàn)采用等幅波。從圖3可以看出，每個(gè)PWM波周期相等，不同點(diǎn)在于脈寬不盡相等。這里將脈寬和周期比值定義為占空比，也即通過(guò)控制占空比可以得到NEDC循環(huán)工況。

圖2 正弦半波與PWM波對(duì)照?qǐng)D

1.2 計(jì)算NEDC工況下PWM波占空比

作用于汽車的行駛阻力主要包括加速阻力、坡度阻力、車輪滾動(dòng)阻力和空氣阻力[14-15]，即可以用式(1)表示

Dem=a+G+R+D（1）

式中，a為加速阻力；G為坡度阻力；R為車輪滾動(dòng)阻力；D為空氣阻力。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為一汽佳寶小型箱型貨車，利用式(1)可計(jì)算出該車在不考慮制動(dòng)能回收情況下，NEDC循環(huán)的功率循環(huán)圖。被測(cè)單體電池最大放電倍率選定為10 C，即當(dāng)汽車達(dá)到最大功率時(shí)，此時(shí)電池放電倍率應(yīng)為10 C。因此將功率循環(huán)圖中每一點(diǎn)的功率值同時(shí)除以最大功率值，就得到單體電池NEDC放電占空比循環(huán)圖，如圖3所示。

圖3 一個(gè)NEDC對(duì)應(yīng)的占空比循環(huán)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 PWM執(zhí)行器設(shè)計(jì)

圖4為Multisim搭建的PWM執(zhí)行器原理圖，圖中左側(cè)第一個(gè)PNP型三級(jí)管電路將PWM信號(hào)幅值放大，而第二個(gè)PNP型三極管電路將反向信號(hào)再次反轉(zhuǎn)為正向信號(hào)，第三個(gè)推挽電路將信號(hào) 功率放大，以驅(qū)動(dòng)下級(jí)功率MOS（metal oxide semiconductor，金屬氧化物半導(dǎo)體）管，減少鋸齒波的產(chǎn)生[16-17]。

圖4 PWM執(zhí)行器原理圖

2.2 DC/DC

該DC/DC為一種可控雙向直流變壓器，圖5為其原理圖。圖中MOSFET（metal-oxide- semiconductor field effect transistor，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）Q1、Q2柵極由DC/DC控制板發(fā)出的PWM波控制。理論情況下，Q1、Q2的柵極信號(hào)互補(bǔ)，當(dāng)Q2導(dǎo)通Q1此時(shí)斷開(kāi)，電池BT1對(duì)電感充電，當(dāng)Q2斷開(kāi)Q1導(dǎo)通，電感放電，完成整個(gè)電壓變換的過(guò)程。因?yàn)樵揇C/DC結(jié)構(gòu)輸入輸出完全對(duì)稱，故可以實(shí)現(xiàn)反向?qū)﹄姵剡M(jìn)行充電。該結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)的Buck、Boost電路[18]的優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)任意方向的升降壓，且相對(duì)于Boost當(dāng)開(kāi)關(guān)管出現(xiàn)故障之后整個(gè)電路并不會(huì)對(duì)電池進(jìn)行充電，防止其出現(xiàn)過(guò)充情況，系統(tǒng)更加安全。

圖5 DC/DC原理圖

Fig.5 Scheme of DC/DC

2.3 溫度傳感器

溫度傳感部件為10 KB=3950 NTC（negative temperature coefficient，負(fù)溫度系數(shù)）熱敏電阻。如圖6溫度傳感器電路圖，1可變電阻代表NTC，電阻2起分壓作用，同時(shí)將負(fù)溫度系數(shù)的溫度傳感器轉(zhuǎn)換為正溫度系數(shù)的電壓輸出，電壓輸出端電容起濾除噪音的作用。示波器XSC1用于采集溫度的電壓信號(hào)，實(shí)際使用的示波器為普源精電MSO4022，用USB（universal serial bus，通用串行總線）通過(guò)VISA接口與電腦連接，由MATLAB遠(yuǎn)程采樣查詢?cè)撌静ㄆ鲗?duì)應(yīng)通道的電壓平均值，之后帶入式(4)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫度值。因溫度不是突變量對(duì)溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間要求較低，示波器上升時(shí)間1.8 ns完全滿足要求，且示波器在200 mV/div～5 V/div范圍的直流偏移精確度為±0.1div±2mV±0.5%偏移值也滿足溫度采樣要求。NTC熱敏電阻溫度特性公式[19]見(jiàn)式(2)

式中，t為熱敏電阻在1下的阻值，單位為K；為熱敏電阻2下的阻值，單位為K，通常為(25+ 273.15)K；為熱敏電阻固有參數(shù)，此處為3950；分壓電路中輸出電壓o與溫度傳感器阻值t關(guān)系式如式(3)

式中，o為阻值t對(duì)應(yīng)輸出電壓；ref為參考電壓，此處為3.3 V；2為圖6中分壓電阻，此處為10 kΩ；

聯(lián)立式(2)、式(3)可得溫度與輸出電壓關(guān)系式

由公式計(jì)算出輸出電壓-溫度曲線如圖7所示，從圖中我們可以看出在-25～75 ℃之間曲線接近一次函數(shù)，呈較強(qiáng)的線性關(guān)系，使得測(cè)量數(shù)據(jù)更加 可靠。

3 實(shí)驗(yàn)與程序

PWM波執(zhí)行器是工況模擬的關(guān)鍵硬件，故需驗(yàn)證其可靠性。實(shí)驗(yàn)方法為用示波器測(cè)量功率MOS管的G極電平信號(hào)。電腦通過(guò)USB連接普源MSO4022示波器，MATLAB編制的采樣程序自動(dòng)創(chuàng)建VISA對(duì)象，打開(kāi)示波器對(duì)應(yīng)通道占空比測(cè)功能，每隔0.1 s進(jìn)行一次占空比采樣，程序框圖如圖8(a)所示。圖8(b)為PWM波產(chǎn)生器程序框圖，使用的單片機(jī)為德州儀器MSP430F149單片機(jī)，選用800 kHz的晶振時(shí)鐘源，輸出頻率為10 kHz的PWM，4個(gè)NEDC循環(huán)完成之后，進(jìn)入低功耗模式。

圖6 溫度傳感器電路圖

圖7 輸出電壓-溫度曲線

（a）溫度和占空比測(cè)量程序框圖

（b）PWM產(chǎn)生器程序框圖

圖8 程序框圖

Fig.8 Diagrams of programs

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

PWM波執(zhí)行器執(zhí)行結(jié)果如圖9所示。在測(cè)量占空比同時(shí)測(cè)量可編程直流電源放電電流隨占空比變化的跟隨情況，結(jié)果如圖10所示。采用的可編程直流電源為普源精電DP821A，其在輸出電流從滿載到半載，或從半載到滿載，輸出電壓恢復(fù)到15 mV之內(nèi)的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于50 μs，程控分辨率電壓為1 mV電流為1 mA，紋波噪聲、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性見(jiàn)表1。從圖8和圖9中可以看出實(shí)際測(cè)量的占空比與理論占空比吻合的比較好，且電池放電電流與占空比變化趨勢(shì)一致。故該系統(tǒng)符合電池測(cè)試方法的初衷，滿足本次實(shí)驗(yàn)要求。

將以下7種備選動(dòng)力18650電池，其參數(shù)見(jiàn)表2置于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，分別進(jìn)行4個(gè)NEDC循環(huán)，各電池的最高放電倍率為10 C，測(cè)量其溫度變化趨勢(shì)如圖11所示。圖中4條豎直的虛線把4個(gè)NEDC循環(huán)分開(kāi)，可以看出電池溫度隨NEDC的變化規(guī)律，在每個(gè)NEDC進(jìn)入最高功率時(shí)，電池溫度同時(shí)也達(dá)到自己的最高溫度，第三第四個(gè)NEDC循環(huán)電池電量不足，故電池溫度持續(xù)下降。故系統(tǒng)可以對(duì)單體電池進(jìn)行高倍率放電的溫度特性實(shí)驗(yàn)研究。

表1 紋波噪聲、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性

圖9 PWM執(zhí)行器實(shí)際輸出占空比與理論占空比循環(huán)對(duì)照?qǐng)D

圖10 電池實(shí)驗(yàn)電流與理論占空比循環(huán)對(duì)照?qǐng)D

5 結(jié) 論

該系統(tǒng)不借助于電化學(xué)工作站和充放電儀，可進(jìn)行單體動(dòng)力鋰電池高倍率某工況放電熱特性研究。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，電池放電電流跟隨工況的效果較好，可精確獲得電池溫度信息。同時(shí)系統(tǒng)由于使用的DC/DC電源可自主編程，采樣上位機(jī)程序由MATLAB編寫，故其可擴(kuò)展性較強(qiáng)，且還可添加其它外設(shè)進(jìn)行其它電池特性的研究。本系統(tǒng)大大節(jié)省實(shí)驗(yàn)室研究電池特性的設(shè)備開(kāi)支，方便實(shí)驗(yàn)室的研究工作。

圖11 各電池10C 4個(gè)NEDC循環(huán)溫度-時(shí)間曲線

表2 各電池10 C 4個(gè)NEDC循環(huán)最高溫度降序排列及其它參數(shù)

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Experimental system of high-power battery discharge based on PWM wave

LI Yuanyuan1, HUO Wei1, ZHU Zhifu2, ZHANG Yi1, LI Zhiming1, FAN Huamin1, HUANG Fuchuang1

(1School of Mechanical and Electrical Engineering, Power & Energy Storage System Research Center, Qingdao University, Qingdao 266071, Shandong, China;2College of Physics, Qingdao University, Qingdao 266071, Shandong, China)

Based on the PWM(pulse-width modulation) wave and VISA(virtual instrument software architecture) interface, a battery experimental system which is used to study the thermal characteristics of batteries is designed. The system can be used to carry out various discharging experimental in which batteries discharge by different drive cycles, such as NEDC(new european driving cycle), UDDS(urban dynamometer driving schedule), etc., and can collect the temperature information during the experiment, as well as its sampling frequency can be customized according to actual needs. The working principle of the PWM wave in the system is discussed. According to the NEDC, the PWM wave array with sampling accuracy of 0.1s is used to control the discharge of the battery, also verifies the reliability of the system when conduct experiment of thermal characteristics of the single-cell lithium battery with high-rate discharge. There is a new type of symmetrical DC/DC(direct current to direct current converter) which can achieve two-way step-up and down to facilitate the simulation of drive cycles; and a PWM wave generator to produce NEDC condition control signal to control the implementation of the PWM actuator. The reliability and accuracy of critical components of the system is also verified. Finally, NEDC experiments are conducted for the domestic mainstream 18650 batteries and discharge temperature curves are obtained.

PWM; drive cycle; lithium battery; VISA object

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0121

TM 93；TM 4

A

2095-4239（2017）06-1333-07

2017-07-06；

2017-08-11。

青島市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)培育計(jì)劃（14-8-1-2-gx）。

李圓圓（1991—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐囕v節(jié)能減排與新能源技術(shù)，E-mail：869915532@qq.com；

霍煒，副教授，主要研究方向?yàn)檐囕v節(jié)能減排與新能源技術(shù)，E-mail：qdhuowei @163.com；朱智富，副教授，主要從事靈活電源系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等方面的研究工作，E-mail：zhuzhifu-konyo@126.com。