基于RCP仿真平臺的鋰電池快充控制策略研究

涂鑫陽，吳帥軍，孫誠驍

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基于RCP仿真平臺的鋰電池快充控制策略研究

涂鑫陽，吳帥軍，孫誠驍

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電動汽車充電快慢已經(jīng)成為制約電動汽車市場化發(fā)展的一個關(guān)鍵因素。為了快速開發(fā)出有效實用的快充控制策略，使用半實物仿真工具對快充控制策略展開實時仿真研究。使用Matlab/Simulink軟件搭建快充控制策略模型，并構(gòu)建了一套鋰電池充電控制的快速原型系統(tǒng)。對鋰電池的快充控制策略展開仿真研究，制定了分段恒流結(jié)合脈沖充電的快充控制策略，在不損傷電池本體的前提下，縮短充電時間，提高充電效率。仿真實驗結(jié)果表明，使用快速原型仿真平臺能夠快速地驗證控制算法的有效性，實現(xiàn)鋰電池快充控制策略的研究，為快充控制策略的開發(fā)提供便利。

鋰電池快充；實時仿真；快速原型系統(tǒng)；分段恒流；脈沖充電

0 引言

相比于傳統(tǒng)燃油車，電動汽車具有低噪聲、零排放的優(yōu)點(diǎn)，且電能來源廣泛，可綜合利用各種能源，可有效緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染這兩大世界性難題，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展空間。然而，電池的能量密度和充電時間大大限制了電動汽車的市場推廣。開發(fā)支持快充的動力電池，實現(xiàn)15 min甚至更短的時間內(nèi)充滿電的目標(biāo)已經(jīng)成為電池制造廠商的共識。同時，快充電池系統(tǒng)中，BMS起著至關(guān)重要的作用，也是研究開發(fā)的重點(diǎn)，半實物實時仿真平臺可用于BMS控制算法的快速驗證，在控制算法開發(fā)中起著越來越重要的作用。

本文首先對目前常用的充電方法進(jìn)行歸納總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上提出了一種快速充電控制策略。然后，本文基于實時仿真概念搭建了一套控制算法快速驗證的RCP快速原型開發(fā)平臺，基于Matlab/Simulink建立快充控制策略模型，模擬真實控制器，通過RT-LAB軟件完成模型的實時化。最后，本文基于快速原型控制器實現(xiàn)對真實電池的充電試驗，并分析試驗數(shù)據(jù)。

本文工作表明，所搭建的RCP仿真測試平臺能夠完成BMS控制算法的快速驗證，而無需等待控制器硬件制作完成再進(jìn)行算法驗證，大大節(jié)省了控制器開發(fā)成本及時間。

1 常用鋰電池充電控制方法

由鋰電池特性可知，充電電流越小，充電時間越長，反之則充電速度越快。但充電電流過大，電池的安全性能越差。過充、過熱或短路充電都將可能引起鋰電池自燃、甚至爆炸。同時，若充電電流較大，容易導(dǎo)致電池內(nèi)部析氣，導(dǎo)致電池?zé)o法充滿，降低充電效率，且引起電池內(nèi)部極板上活性物質(zhì)脫落，電池溫度急劇上升，嚴(yán)重的影響電池的使用壽命。

1.1 恒流恒壓充電法

恒流充電方式是指在充電過程中，通過調(diào)節(jié)電源充電電壓值或充電電路中的電阻值，來確保電池的充電電流恒定。而恒壓充電是指用大小恒定的電壓對電池進(jìn)行充電，充電過程中，保持充電電壓恒定，充電電流隨電池荷電容量的變化進(jìn)行自動調(diào)整。在上述方法的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[4]提出了恒壓恒流充電方法，恒壓恒流充電方式結(jié)合了恒流充電與恒壓充電各自的優(yōu)點(diǎn)，實現(xiàn)對電池安全快速地充電。在整個充電過程中，電池先采用較大電流(一般為0.5 C到1 C之間)進(jìn)行恒流充電，充電速度較快，電池容量可在短時間內(nèi)充至總?cè)萘康?0%。當(dāng)電池電壓達(dá)到其上限電壓，結(jié)束恒流充電，轉(zhuǎn)入恒壓充電區(qū)，隨著充電的進(jìn)行，充電電流不斷減小，當(dāng)充電電流緩慢降低到0.1 C以下時，停止充電。恒流恒壓充電法同時克服了恒流充電和恒壓充電的缺陷，是目前較為主流的充電方式，但其充電速度仍然較慢。

1.2 快速充電方法

有學(xué)者對蓄電池充電過程進(jìn)行了大量實驗研究[5]，提出了充電狀態(tài)下鋰電池能夠承受的最大充電電流曲線，如圖1所示。隨著充電的進(jìn)行，電池本體最大可接受充電電流將逐漸減小，當(dāng)充電電流大于最大可接受充電曲線時，電池的析氣量增加，正極析出氧氣，負(fù)極析出氫氣，極化反應(yīng)加重。當(dāng)充電電流小于最大可接受電流時，避免了對電池造成的損害，但充電速度過慢，不能滿足快速充電要求。研究還表明，在充電過程中，如適時暫停充電，使充電電流突變?yōu)榱?，可瞬間消除歐姆極化效應(yīng)，并且由于電解液的擴(kuò)散作用，也可適當(dāng)降低濃差極化和電化學(xué)極化，這種方式稱為自然去極化，這種去極化作用有助于充電的快速完成。

圖1 鋰電池充電電流曲線

針對蓄電池極化效應(yīng)對充電時間的影響，學(xué)者對充電方法展開了研究，并提出了各種不同的快速充電方法。

文獻(xiàn)[11]提出了分段恒流充電方法：以階段性的恒定電流對電池進(jìn)行充電。充電初期，施加較大電流對電池充電，短時充入較大容量，當(dāng)電池端電壓升至預(yù)定值Up后，減小充電電流進(jìn)入下一個恒流充電階段，直到充電電流減小到0，完成充電。分段恒流充電方法避免了持續(xù)大電流充電引起的過充，能夠較快地完成快速充電的目的。

圖2 分段恒流充電電流波形

圖3 脈沖充電電流波形

2 RCP平臺搭建與快充控制算法建模仿真

本文在以上分析的基礎(chǔ)上，搭建了一套可用于快充控制算法研究的RCP半實物仿真平臺。并基于該平臺對快充控制算法進(jìn)行研究，提出了分段恒流結(jié)合大電流脈沖充電的方式，在Matlab/Simulink中建立基于OPAL-RT平臺的快充控制算法模型。

2.1 基本概念

半實物仿真是一種將系統(tǒng)中部分硬件實物接入到仿真回路的實時性仿真，該方法能夠更加真實地反映系統(tǒng)的實際情況，具有更高的置信度。

RCP快速原型技術(shù)是控制器研發(fā)初始階段最常用的一種半實物仿真技術(shù)，該技術(shù)能夠快速地建立控制器模型，并能夠快速將控制算法模型編譯下載到目標(biāo)機(jī)中進(jìn)行實時化運(yùn)行?？刂扑惴ㄑ邪l(fā)人員能夠通過該平臺對控制算法進(jìn)行多次反復(fù)在線試驗來驗證控制系統(tǒng)軟、硬件方案的可行性，這個過程便是快速控制原型。通過快速原型實時測試，在設(shè)計初期即可發(fā)現(xiàn)存在的問題，從而通過修改模型或參數(shù)，再進(jìn)行實時測試，最終產(chǎn)生一個滿足設(shè)計需求的控制原型，大大加快了控制器的開發(fā)進(jìn)程。

圖4為快速原型系統(tǒng)的基本架構(gòu)原理圖。系統(tǒng)開發(fā)主機(jī)運(yùn)行在Windows系統(tǒng)下，安裝上位機(jī)調(diào)度管理軟件和Matlab建模軟件，完成控制器建模、狀態(tài)顯示、在線調(diào)參、模型編譯下載等工作。實時目標(biāo)機(jī)作為系統(tǒng)的核心部件，完成被控對象信號實時采集、控制算法模型的實時運(yùn)算、控制信號實時輸出，用來代替一個完整真實的控制器。同時，上位機(jī)與目標(biāo)機(jī)之間一般使用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖4 快速原型基本原理框圖

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本文采用OPAL-RT公司的 OP5600實時仿真機(jī)來實現(xiàn)控制器的快速原型。RT-LAB實時仿真系統(tǒng)是由加拿大Opal-RT公司開發(fā)的一套基于模型設(shè)計和測試應(yīng)用的平臺，它相比于其他仿真平臺的優(yōu)勢在于：能夠把復(fù)雜的模型劃分為多個子系統(tǒng)，再把這些子系統(tǒng)分配到多個目標(biāo)機(jī)的節(jié)點(diǎn)上，從而構(gòu)成一個可擴(kuò)展的分布式實時仿真系統(tǒng)。

基于RT-LAB的鋰電池快充控制原型系統(tǒng)總體組成結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中硬件模塊主要包括OP5600仿真目標(biāo)機(jī)、信號調(diào)理箱、功率單元和負(fù)載電池。OP5600輸出PWM波實現(xiàn)對功率單元的電流或電壓控制，實現(xiàn)為負(fù)載電池充電的功能。

圖5 快充控制原型系統(tǒng)架構(gòu)

OP5600目標(biāo)機(jī)是以基于Inter多核CPU的高性能仿真計算機(jī)為核心，可通過外圍帶I/O板卡與用戶被控對象連接，實現(xiàn)對被控對象的精確控制。OP5600在硬件架構(gòu)上采用雙層結(jié)構(gòu)，其中下層為機(jī)架式商用計算機(jī)，該計算機(jī)可配置雙CPU形式；目標(biāo)機(jī)的上層為以FPGA板卡為核心的I/O板卡系統(tǒng)，配置為FPGA板卡OP5142一塊、模擬量輸入和輸出板卡各一塊、數(shù)字量輸入和輸出板卡各一塊，詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 OP5600硬件配置

Table 1 Hardware configuration of OP5600

2.3 控制策略設(shè)計與建模

2.3.1分段恒流與脈沖充電方式

本文為了實現(xiàn)鋰電池快速充電，結(jié)合分段恒流充電方法和脈沖充電方法各自的優(yōu)勢，采用分段恒流結(jié)合脈沖充電的控制策略。充電前半部分根據(jù)電池容量不同將充電電流分成7段，每段對應(yīng)的電池容量閾值分別為20%、30%、40%、50%、60%、70%和80%。根據(jù)文獻(xiàn)[11]中提出的電池最大充電電流與容量的關(guān)系，可求出每段充電電流的對應(yīng)值分別為：1.28 C、1.12 C、0.96 C、0.8 C、0.66 C、0.52 C和0.38 C。在充電的后半部分，采用幅值為1 C的脈沖電流對電池進(jìn)行脈沖充電。控制算法模型仿真如圖6所示。

2.3.2 SOC檢測算法

在上述算法中，SOC的準(zhǔn)確估算是一個關(guān)鍵。本文將安時法和卡爾曼濾波法結(jié)合估算蓄電池的SOC。已知充電初始電池剩余電量為0，那么當(dāng)前狀態(tài)的剩余電量為

圖6 控制算法子系統(tǒng)模型

SOC為系統(tǒng)狀態(tài)的分量，對式(1)進(jìn)行零階保持采樣離散化后得到系統(tǒng)狀態(tài)方程為

式中：Z為時刻電池的SOC，結(jié)合電池的模型預(yù)測估計蓄電池電壓如式(3)所示。

(3)

結(jié)合式(2)和式(3)用卡爾曼濾波法可直接遞推估算出蓄電池SOC。

2.3.3模型封裝

為了使RT-LAB實時系統(tǒng)能夠識別調(diào)用控制算法模型，需將模型封裝成規(guī)定格式。如圖7所示，模型分成初始化模塊、SC_console模型和 SM_charger模塊。SC_console為控制臺模塊，用于上位機(jī)與目標(biāo)機(jī)的數(shù)據(jù)交互與監(jiān)控。SM_charger模塊為主級子系統(tǒng)，主要實現(xiàn)電流、電壓、電阻的采集，充電控制算法的計算，PWM波的輸出等。

2.4 仿真結(jié)果分析

運(yùn)行仿真模型，從SC模塊的示波器中可以觀測到仿真波形。圖8所示為實際電流波形，充電開始時，進(jìn)行分段恒流充電，當(dāng)充電進(jìn)行到3 620 s時，SOC達(dá)到80%，開始轉(zhuǎn)入脈沖充電階段。與電流充電曲線對應(yīng)的是電池電壓曲線，如圖9所示，在恒流充電階段，電池電壓緩慢上升，進(jìn)入脈沖充電階段后，電壓快速上升。如圖10所示，SOC在4 500 s達(dá)到99%，充電完成。

圖7 實時模型封裝

圖8 充電電流波形

圖9 電池電壓

圖10 電池SOC

仿真實驗結(jié)果表明，本文搭建的OPAL-RT仿真平臺能夠快速地驗證控制算法的有效性，高效地實現(xiàn)鋰電池快充控制策略的研究，為快充控制策略的開發(fā)提供便利性。

3 結(jié)論

本文使用目前控制算法開發(fā)中使用越來越廣泛的MBD開發(fā)方法，基于OPAL-RT的實時仿真平臺，結(jié)合Matlab/Simulink軟件，并搭建了一套鋰電池充電控制的快速原型系統(tǒng)，對鋰電池的快充控制策略展開仿真研究。

本文結(jié)合前人的研究，制定了分段恒流結(jié)合脈沖充電的快充控制策略，以實現(xiàn)在不損傷電池本體的前提下，縮短充電時間，提高充電效率。

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Study on fast charge control strategy of lithium battery based on RCP system

TU Xinyang, WU Shuaijun, SUN Chengxiao

(Shanghai Keliang Information Tech & Eng Co., Ltd, Shanghai 200233, China)

The speed of charging has become a key factor restricting the development of electric vehicle market. In order to quickly develop an effective and practical charging control strategy, a real-time simulation study on the charging control strategy is carried out using hardware-in-the-loop simulation tool. A quick charge control strategy model is built by using Matlab/Simulink software and a set of rapid prototype system for lithium battery charging control is constructed. The fast charging of lithium battery control strategy is simulated and researched, and a quick charging control strategy which combines subsection constant current with pulse charging is designed to shorten the charging time and improve charging efficiency without damaging battery body. The simulation experimental results show that the Rapid Control Prototyping (RCP) platform is able to quickly verify the validity of the control algorithm and efficiently implement lithium battery quick charging control strategy research, which provides convenience for fast charging control strategy development.

lithium battery quick charge; real-time simulation; RCP system; subsection constant current; pulse charger

2017-03-31；

2017-08-25

涂鑫陽(1989—)，男，碩士，工程師，研究方向為電力電子電機(jī)控制；E-mail:xinyang.tu@keliangtek.com

吳帥軍(1987—)，男，碩士，工程師，研究方向為汽車電子。E-mail: shuaijun.wu@keliangtek.com