用于電子差速控制的輪轂式電動汽車電池模擬器硬件在環(huán)系統(tǒng)研究

劉助春

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

輪轂式電動汽車將四個輪轂電機分散到各個車輪中，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、轉(zhuǎn)矩分配靈活等優(yōu)點，成為電動汽車的一個研究熱點[1-2]。由于輪轂式電動汽車四個車輪可獨立控制驅(qū)動/制動轉(zhuǎn)矩，能很好的拓展電池系統(tǒng)的功能，從而為實現(xiàn)差速控制功能試驗做鋪墊。電池系統(tǒng)是提高電動汽車安全性，延長使用壽命的關(guān)鍵[3]，目前輪轂式電動汽車電池系統(tǒng)一般通過純數(shù)值仿真或?qū)嵨镌囼瀬眚炞C電池管理系統(tǒng)的有效性，純數(shù)值仿真結(jié)果的可信度往往受到質(zhì)疑，實物試驗由于實驗過程中不可控因素過多，易造成實物損壞，嚴(yán)重時甚至造成人員傷亡。因此電池模擬器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)應(yīng)運而生。

陳雨飛[4]設(shè)計的電池管理系統(tǒng)測試平臺通過兩個大小量程的可調(diào)電阻調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)220～400V 電壓調(diào)節(jié)范圍，由于電池測試系統(tǒng)不是為了單一種類設(shè)計的，低壓范圍并不在此測試系統(tǒng)的調(diào)壓范圍內(nèi)，不具有普適性；汪田洲[5]設(shè)計電池系統(tǒng)可以實現(xiàn)80 塊電池并聯(lián)充電，但并不能測試串聯(lián)的電池系統(tǒng)；閆斌[6]構(gòu)建了電池硬件在環(huán)模型，具備模擬單體電池的能力，但不能測試多數(shù)量的電池組測試；閆斌[7]基于RT-lab 平臺構(gòu)建了電池硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，具有模擬一定數(shù)量單體電池串聯(lián)和并聯(lián)的功能；楊劉倩[8]搭建了電動汽車用電池管理系統(tǒng)的硬件在環(huán)平臺，只能模擬單一固定種類的電池，并不能根據(jù)電池種類靈活通過軟件編程，模擬調(diào)節(jié)電池種類。

本文設(shè)計的輪轂式電動汽車電池模擬器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)具有軟件編程模擬五種以上種類的電池充放電特性，同時電壓調(diào)壓范圍為43 V～800 V，覆蓋主流電動汽車的電壓等級，可以滿足不同種類、不同組合方式的電池測試，同時為后續(xù)電子差速功能試驗的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

1 電池模擬器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 功能分析

電池模擬器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)由控制柜斷路器、交流電抗器、AFF2000 以及其他控制部分組成。可通過上位機控制軟件實現(xiàn)直流電源、電池充放電、電池模擬功能，且具有電流雙向回饋的功能。

電池模擬器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)是在雙向直流電源基礎(chǔ)上，通過嵌入的電池模型進(jìn)行電壓與電流控制，實現(xiàn)電池充放電特性模擬。在電池放電時，根據(jù)放電電流更新電池輸出電壓和SOC 值；同理，在電池充電時，根據(jù)充電電流更新電池工作電壓和SOC 值。與此同時，電池模擬器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)建立有安全保護(hù)機制，如最大電流保護(hù)，過充過放保護(hù)等措施。電池模擬器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)可根據(jù)需求建立不同的電池模型，用以模擬相應(yīng)電池的充放電特性。

1.2 電池模型

電池模擬器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的實質(zhì)是在雙向直流電源的基礎(chǔ)上，利用電池模型進(jìn)行電壓和電流控制，因此電池模型是電池模擬器核心軟件。本文開發(fā)的試驗系統(tǒng)在權(quán)衡精度和復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，選擇廣泛應(yīng)用的2RC 等效電路模型建立電池模型。電池的等效電路模型如圖1 所示。

圖1 電池等效電路簡化圖

動力電池的工作電壓和電流分別表示為V0和I，電阻Ri表示動力電池內(nèi)阻；R1和C1描述電池雙電層部分的荷電變化，其兩端電壓是界面過電位V1；R2和C2用子描述擴(kuò)散現(xiàn)象，上圖描述的擴(kuò)散現(xiàn)象等效為一個RC回路，其兩端電壓是V2；理想電壓源簡化為一個電容Cb，它表示動力電池的存儲電能能力的大小，Cb兩端的電壓為Vb，它表示電池的開路電壓。

電池放電時的輸出方程：

式中τ1，τ2為時間常數(shù)，τ1=R1C1，τ2=R2C2，Vb（SOC）、Ri、R1、R2、C1、C2皆為電池模型參數(shù)，需要在相應(yīng)位置編輯數(shù)值或者公式，I 為實時電流(A)，t 為時間(s)，SOC 為電量（0～100%或0～1的小數(shù)）。

2 上位機界面設(shè)計

2.1 直流電源界面

直流電源能提供定值恒壓輸出帶動電機或通過模擬電池特性帶動電機，可根據(jù)不同負(fù)載的需求，模擬5 種以上的電池充放電特性能，直流電源界面如圖2 所示。

圖2 直流電源界面

2.2 電池充放電界面

電池充放電能為外部實際電池組充、放電，可根據(jù)外部實際電池充放電參數(shù)的需求，為外部電池進(jìn)行恒壓充電以及恒流放電。若模擬事先建好的電池特性當(dāng)實際電池組電源，可根據(jù)外部使用電池的特性，為搭建好的電池特性模型充當(dāng)電源，電池充放電界面如圖3 所示。

圖3 直流電源界面

2.3 模擬電池界面

根據(jù)所需輸出電壓范圍及運行時間估算電池組串聯(lián)與并聯(lián)數(shù)（初始端電壓=單體電壓*串聯(lián)數(shù)，電池總電量=單體電量*并聯(lián)數(shù)），搭建好的電池特性模型充當(dāng)電源，如圖4 所示。

圖4 模擬電池界面

3 測試結(jié)果及分析

為了驗證輪轂驅(qū)動電動汽車電池模擬器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)的實際效果，選擇直流電源功能，在圖4 中輸入穩(wěn)壓值為260 V，測試其相關(guān)性能。

從圖5 可以看出，電流恒定在0.57 A，功率為0.15 kW，消耗0.02 Ah 的電量，電池輸出電壓恒定控制在260.5 V，和輸入的穩(wěn)壓電源值基本一致，誤差在合理范圍內(nèi)。

圖5 模擬電池實驗界面

4 結(jié)論

本文設(shè)計了輪轂式電動汽車電池模擬器硬件在環(huán)系統(tǒng)，對系統(tǒng)硬件部分以及上位機界面進(jìn)行了開發(fā)設(shè)計，具有直流電源、電池充放電、電池模擬的功能，覆蓋主流電動汽車的電壓等級具有軟件編程模擬五種以上種類的電池充放電特性，可實現(xiàn)輸出電壓連續(xù)多檔調(diào)節(jié)，覆蓋主流電動汽車的電壓等級，可以滿足不同種類、不同組合方式的電池測試，可以實現(xiàn)電子差速控制的電池模擬，為其功能測試的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。