鋰離子電池管理系統(tǒng)的特性仿真研究?

魏麗君

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道供電與電氣學(xué)院 株洲 410001）

1 引言

鋰離子電池是以鋰合金的金屬氧化物為陽極材料、以石墨為陰極材料、使用非電解質(zhì)的可充電電池［1～2］。當(dāng)前在新能源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車以及不間斷電源和大功率供電系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。但是大功率系統(tǒng)中仿真電池的特性以進(jìn)行充放電管理系性能的評估，一般比較復(fù)雜。在新能源系統(tǒng)、大功率供電系統(tǒng)中，其研發(fā)和測試階段，系統(tǒng)的功率輸入以及能量吸收需要更大功率的電源，在實(shí)際工作中存在較大困難［3～5］。當(dāng)前常見的方法是采用獨(dú)立電源供電，獨(dú)立負(fù)載吸收被測件釋放的能量。但這違背了實(shí)際的工作情況，無法實(shí)現(xiàn)負(fù)載和電源之間功能的連續(xù)轉(zhuǎn)換［6～10］；系統(tǒng)中大功率開關(guān)和繼電器的存在使得系統(tǒng)復(fù)雜化，系統(tǒng)可靠性降低。因此，提出先進(jìn)電源系統(tǒng)仿真電池的特性以進(jìn)行充放電管理系統(tǒng)性能的評估，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)源與負(fù)載功能的無縫轉(zhuǎn)換變得十分迫切［11～12］。

2 直流電源與電子負(fù)載單獨(dú)工作方案

由于直流電源和電子負(fù)載都具有穩(wěn)定性好，精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，在雙向再生能源系統(tǒng)和模塊的測試中，一般情況下，會(huì)采用直流電源和電子負(fù)載搭配，分別提供系統(tǒng)所需功率和吸收輸出功率［13～15］。

圖1所示就是將直流電源和電子負(fù)載組合起來，進(jìn)行供電和吸收的一套電池仿真器系統(tǒng)（BSS）。

圖1 直流電源和電子負(fù)載測試方案系統(tǒng)（BSS）圖

直流電源處于輸出狀態(tài)，被測件吸收功率：V被測件=(V直流電源-V二極管)。

被測件處于輸出狀態(tài)，電子負(fù)載吸收電流：V被測件=V負(fù)載。

經(jīng)過以上的分析，工作在單獨(dú)直流電源和電子負(fù)載模式下時(shí)，它們均工作在CV模式下，即恒壓模式。在電子負(fù)載工作時(shí)，其電壓和直流電源的電壓端存在一個(gè)差值，且電子負(fù)載端的電壓要稍高于直流電源，這個(gè)電壓差值會(huì)形成一個(gè)死區(qū)時(shí)間，在死區(qū)時(shí)間范圍內(nèi)，電池仿真系統(tǒng)將無法工作。此時(shí)，BSS將是電池管理系（BMS）測試的合適選擇。

測試時(shí)分兩種情況，其一電源提供維持電壓，被測件吸收電流；其二是直流電源輸出截止，被測件輸出電流，被測件兩端電壓上升，此時(shí)，負(fù)載端的電壓值經(jīng)過升高后會(huì)鉗制在一個(gè)略高的電壓點(diǎn)上，并保持恒壓工作模式。在這種情況下，為了防止被測件啟動(dòng)時(shí)，反向電流流向電源端，一般會(huì)在直流電源輸出端設(shè)計(jì)一個(gè)方向的二極管，根據(jù)二極管的單向?qū)ㄔ瓌t，此時(shí)電路會(huì)截止，很好地起到保護(hù)的作用。

當(dāng)然，這種測試方法存在如下固有缺陷：1）當(dāng)電流值和環(huán)境溫度變化時(shí)，設(shè)計(jì)中的反向二極管壓降會(huì)隨之發(fā)生改變，從而改變電子負(fù)載和直流電源之間的死區(qū)電壓值，從而影響相互工作狀態(tài)；2）直流電源如果要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端感應(yīng)就必須將感應(yīng)線接到二極管端，反向二極管會(huì)導(dǎo)致直流電源的不穩(wěn)定性，從而使得直流電源無法使用遠(yuǎn)端感應(yīng)；3）直流電源和電子負(fù)載之間的電壓死區(qū)存在高阻抗，BSS電壓發(fā)生變化時(shí)，需要向它們分別發(fā)送對應(yīng)的電壓編程指令，才可以對電壓進(jìn)行跟蹤，因此跟蹤難度大，準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提高；4）電子負(fù)載的工作狀態(tài)會(huì)根據(jù)兩種情況而發(fā)生跳變，時(shí)而工作在截止?fàn)顟B(tài)，時(shí)而工作在恒壓模式，因此動(dòng)態(tài)性能會(huì)受到很大的影響。

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的變化和死區(qū)電壓的改變，會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)工作性能，會(huì)對雙象限工作的精度和敏感程度進(jìn)行相對的限制。因此需要對系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程控制，讓死區(qū)電壓可以根據(jù)系統(tǒng)要求在一定幅度范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，但是，由于死區(qū)電壓存在固有的動(dòng)態(tài)瞬變，因此在修正后同樣會(huì)與電子負(fù)載恒壓模式的瞬變中產(chǎn)生動(dòng)態(tài)瞬變。其示意圖如圖2所示。

圖2 單獨(dú)直流電源和電子負(fù)載的輸出－吸收模式跳變，存在明顯的死區(qū)電壓

3 直流電源與電子負(fù)載單獨(dú)工作且工作區(qū)完全重疊方法

為了解決之前提到的死區(qū)時(shí)間對系統(tǒng)帶來的影響問題，可以采用工作區(qū)間完全重疊的方法。設(shè)置方法如圖3所示。在這種工作情況下，電子負(fù)載工作在恒流模式下。其電流設(shè)置為大于被測件能提供的電流最大值的某一固定值，吸收固定水平的電流和功率。此時(shí)，直流電源一直工作在恒壓模式，為整個(gè)系統(tǒng)提供電流，因?yàn)楹碗娮迂?fù)載間不存在接有保護(hù)作用的反向二極管，因?yàn)椴淮嬖谌魏文Ｊ浇徊鎲栴}。也不存在靜態(tài)的電壓瞬變，因此，包含非重疊工作的BSS配置也不會(huì)受到任何的影響。

圖3 配置成工作區(qū)間完全重疊的直流電源和電子負(fù)載圖

進(jìn)行重疊工作的用于電池仿真器系統(tǒng)（BSS）的直流電源和電子負(fù)載被測件吸收功率：

被測件供給功率：

通過以上分析，以上方法很好地解決了電壓死區(qū)的問題，但是也存在另外的一些問題：這種情況下直流電源的電壓和功率需要大大提高，因?yàn)樵诖斯ぷ髂Ｊ较?，電池管理電路BMS和電子負(fù)載需要的電流和功率都必須全部由直流電源提供。

對于大系統(tǒng)而言，電子負(fù)載需要消耗全部功率，因此在設(shè)計(jì)中必須考慮大電源給系統(tǒng)帶來的影響，此外，系統(tǒng)的測量精度如果建立在由這個(gè)系統(tǒng)測量讀取的直流電源和電子負(fù)載的電流值的基礎(chǔ)上，必然會(huì)對精度產(chǎn)生很大的影響，因?yàn)闇y量值是兩個(gè)比較大的值，而差值是一個(gè)很小的值。

4 采用APS和N7909A工作方案

根據(jù)前面的分析，如果使用單一的測量系統(tǒng)對電流進(jìn)行測量，系統(tǒng)的測量性能將會(huì)顯著提高，可以大大減小由于單獨(dú)直流電源和電子負(fù)載系統(tǒng)中功率輸出配置和功率吸收的不足。此外，在功率轉(zhuǎn)換過程中，可以實(shí)現(xiàn)無瞬態(tài)突變，切換過程對系統(tǒng)整體無太大影響，而且功率消耗小。測試系統(tǒng)的直流測量精度和動(dòng)態(tài)性能也會(huì)得到進(jìn)一步的提升，但是在雙象限再生能源系統(tǒng)和器件的測試需求中，當(dāng)前的選擇并不多。APS N6900A/N7900A直流電源是當(dāng)前可選情況下的最優(yōu)之選。主要因?yàn)?/p>

1）具有多種型號，可以根據(jù)功率要求進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)了在最小的空間內(nèi)提供相當(dāng)大的功率。2）輸出電壓范圍寬，可滿足當(dāng)前各種被測件的測試和使用。其功耗單元吸收功能可輕松增加，且可達(dá)到100%。同時(shí)由于電壓范圍寬，在測試選中提供了更多可能，靈活性更強(qiáng)，受被測件特性限制小。3）APS N7900動(dòng)態(tài)直流電源具有非常先進(jìn)的供給和測量能力，在創(chuàng)建動(dòng)態(tài)輸出事件并進(jìn)行瞬態(tài)測量時(shí)具有特殊的優(yōu)越性，可連續(xù)記錄相關(guān)電參量。4）其系統(tǒng)具有模塊化體系結(jié)構(gòu)。在拓展方面同樣具有無可比擬的優(yōu)勢，在綜合供給—吸收系統(tǒng)中可拓展到高達(dá)10kW范圍。

圖4 APS和N7909A完美的供給-吸收響應(yīng)

從圖4可以得出APS配合N7909A功率耗散器單元可輕松升級到高達(dá)100%的功率吸收功能。

圖5和圖6是測試顯示使用APS和N7909A功耗單元對超級電容器進(jìn)行充放電時(shí)的電壓電流及能量圖。同時(shí)在捕獲其電壓、電流和能量時(shí)，也測試顯示了在超級電容器上恢復(fù)的電流、電壓和能量參數(shù)狀態(tài)。

圖5 超級電容器充放電電壓和電流圖

圖6 超級電容器充放電能量圖

從圖5和圖6的結(jié)果，可以得出：相比較方案一采用單獨(dú)電源和電子負(fù)載的情況，APS和N7909A電壓性能穩(wěn)定可靠，電壓分辨率提高10倍以上，可精確測量電壓電流以及功率等相關(guān)參數(shù)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)在供給和吸收之間自由切換。解決了使用獨(dú)立電源和電子負(fù)載時(shí)必須對從直流電源和電子負(fù)載讀回的單獨(dú)電流進(jìn)行管理和吸收的問題。此外，為了達(dá)到APS和N7909A配合工作方案效果，系統(tǒng)還需要添加外圍的相關(guān)電路，這樣會(huì)增加電路的復(fù)雜性，從而給系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)帶來額外的困難度和其他需要不可預(yù)見的問題。

5 結(jié)語

微型、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）、不間斷電源（UPS）、替代能源電源這些雙向能源系統(tǒng)和器件一般都工作在千瓦級功率下，因此，在生產(chǎn)和開發(fā)過程中，提供供給和吸收千瓦級或更大功率非常困難，從而無法實(shí)現(xiàn)。一般情況下，采用單獨(dú)的直流電源和電子負(fù)載進(jìn)行功率輸出和吸收可解決相關(guān)問題。但是本文同樣分析了其存在的相關(guān)問題，在此基礎(chǔ)上，也分析了直流電源與電子負(fù)載單獨(dú)工作且工作區(qū)完全重疊方法，采用APS和N7909A工作方案。經(jīng)過測試，APS和N7909A工作方案，將輸出和吸收真正整合到單一系統(tǒng)中，解決了使用獨(dú)立電源和電子負(fù)載時(shí)必須對從直流電源和電子負(fù)載讀回的單獨(dú)電流進(jìn)行管理和吸收的問題，而且其模塊化體系結(jié)構(gòu)，可拓展到高達(dá)10kW測量范圍。