電池模擬器仿真與研究

戴袁園，曹文章

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南， 232000）

0 引言

石油和煤炭是我國能源主要來源，但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，需求量日益增多，石油與煤炭這類不可再生能源面臨枯竭，并伴隨著生態(tài)環(huán)境逐步惡化，而可再生能源的出現(xiàn)與利用成為當(dāng)今能源體系中的重要部分?？稍偕茉撮_發(fā)潛力大、可持續(xù)利用，并對環(huán)境污染程度小，但其主要缺點之一是其隨環(huán)境變化的不確定性難以并網(wǎng)[1～3]。儲能技術(shù)可以解決它難以并網(wǎng)的問題，世界各國都在努力發(fā)展自己的儲能技術(shù)。儲能技術(shù)可以分為物理儲能、化學(xué)儲能、電磁儲能三類，本文探討的電池模擬器屬于化學(xué)儲能?；瘜W(xué)儲能的基礎(chǔ)是儲能電池，若對儲能電池原型研究將面臨成本高、費時費力、靈活性低等問題，難以模擬出電池工況，因此研究電池模擬器而不是電池原型[4～7]可提高研究效率，節(jié)約成本。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前儲能技術(shù)在國內(nèi)外取得了很多研究成果[8]，采用電池模擬器代替電池原型可大大降低成本且模擬電池具有方便調(diào)整參數(shù)、精準(zhǔn)控制電池的SOC等優(yōu)點，這為科研實驗帶來了優(yōu)點，如今國內(nèi)外主要對光伏模擬器以及對電動汽車動力電池模擬器進(jìn)行研究。

光伏模擬器的研究[9～11]，重點在于光伏電池列陣模擬器，它分為模擬式和數(shù)字式。模擬式光伏電池列陣模擬器由機(jī)箱和光伏電池等組成，可通過白熾燈調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，電流、電壓的輸出變化，實際光伏列陣可通過功率放大器代替。但其受溫度影響較大，導(dǎo)致輸出結(jié)果誤差大。數(shù)字式光伏電池模擬器利用電力電子技術(shù)，功率電路為DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是因為光伏電池只需要模擬放電。通過單片機(jī)或者DSP對其控制，因此數(shù)字式光伏電池模擬器適用于大中功率，其輸出結(jié)果準(zhǔn)確性強(qiáng)、可靠性高。

對電動汽車動力電池研究主要為鋰電池模擬器研究[12～14]，電動汽車具有節(jié)能環(huán)保、綠色健康等優(yōu)點，其核心技術(shù)即為動力電源，而鋰電池因其自身的優(yōu)越性成為目前及未來電動汽車的主要動力電源。文獻(xiàn)12研制出了一種以三相電壓型PWM整流器加雙向DC/DC變換器的動力鋰電池模擬器，當(dāng)SOC在20%～100%時，鋰電池的輸出特性能夠被準(zhǔn)確模擬出來。文獻(xiàn)13對線性穩(wěn)壓電路和隔離型多路DC/DC變換器進(jìn)行了研究，文中表明DC/DC實現(xiàn)了多電池隔離供電，并對輸出電壓進(jìn)行了第一次調(diào)壓，線性穩(wěn)壓電路對輸出電壓紋波起到降低作用，因此該模擬器的輸出結(jié)果準(zhǔn)確性較高。文獻(xiàn)14對動力鋰電池的電池動態(tài)特性和其他相關(guān)參數(shù)做了詳細(xì)分析，通過仿真驗證了一種等效電路模型的輸出電壓、電流的精確度。

2 電池模擬器的工作原理和分類

■2.1 電池模擬器的工作原理

控制電池模擬器的輸出電壓，其模擬器的電池外特性與要模擬的電池外特性一致。因為充電工作狀態(tài)原理相同，因此對放電工作進(jìn)行說明。圖1為電池模擬器的工作原理，電池特性

圖1 電池負(fù)載特性和電池特性示意圖

曲線有SOC=20%、SOC=50%、SOC=80%三種工況，圖中負(fù)載特性曲線和電池特性曲線的三個交點即為模擬器的工作點。當(dāng)電池模擬器處于放電狀態(tài)時，模擬器的輸出端接入的負(fù)載為阻性負(fù)載，符合歐姆定律也符合電池的工作特性。電池模擬器模擬過程工作量較大，通常需要使用電流、電壓的采樣芯片來采集直流側(cè)電流、電壓，然后將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后傳輸給DSP或者FPGA。根據(jù)不同的電池外特性表達(dá)式和其SOC情況，計算得到直流參考電壓值Vref，將電壓參考值Vref輸入到PI調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)無靜差控制，當(dāng)負(fù)載發(fā)生波動時，重新測的電流值和電壓值，傳輸?shù)娇刂破鳎尚碌腣ref使得其工作在新的穩(wěn)態(tài)工作點[15-17]。

■2.2 電池模擬器分類

電池模擬器是一種模擬儲能電池外特性的裝置，它不僅需要實現(xiàn)電流可逆且雙向流動、抗干擾性強(qiáng)、輸出紋波小、電流電壓輸出范圍大，同時也需要電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)合理[18,19]。市場上已經(jīng)研究出多種電池模擬器，按照其原理不同，可以分為以下兩類：模擬式電池模擬器和數(shù)字式電池模擬器。下文主要介紹數(shù)字式電池模擬器。

2.2.1 模擬式電池模擬器

模擬式電池模擬器采用不同材料、狀態(tài)的電池對其V-I特性進(jìn)行放大功率等來實現(xiàn)模擬，模擬式電池模擬器常用于光伏電池模擬器，但模擬得到的誤差大，并且主電路過于簡單、輸出功率小。

2.2.2 數(shù)字式電池模擬器

數(shù)字式電池模擬器結(jié)合了計算機(jī)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)研發(fā)而成的，其優(yōu)點有：處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)、輸出功率大。數(shù)字式電池模擬器可以提供最準(zhǔn)確、最優(yōu)的轉(zhuǎn)換效率和瞬態(tài)響應(yīng)、它具有很好的適應(yīng)性以及靈活性、極高的可靠性和可拓展性。根據(jù)能量流動的方向可以分為單向電池模擬器和雙向電池模擬器。單向電池模擬器一般只可以模擬出電池充電和電池放電，而雙向電池模擬器既可以模擬電池充電過程，也可以模擬電池放電過程，兩者最大的區(qū)別為能量回饋。目前國內(nèi)外主要研究了電池模擬器的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：一是整流器+DC/DC電路，二是調(diào)壓器+整流器。

（1）整流器+DC/DC電路

基于整流器+DC/DC電路為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電池模擬器關(guān)鍵地方有兩個，一為整流技術(shù)，整流技術(shù)由原來的不控整流、晶閘管整流到目前主流的PWM整流，其中三相電壓型PWM整流其功率因數(shù)高、電能雙向傳輸能夠模擬電池的充放電過程研究很多，常見的DC/DC電路有：BUCK電路、BOOST電路、BUCK+BOOST電路。整流器+DC/DC電路特點在于可以模擬出較大的功率輸出范圍，可以模擬出多種電池的充放電工況，實現(xiàn)能量反饋，最大的問題在于整流器和DC/DC電路需要兩套控制，控制起來較難且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其主要電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 三相電壓型PWM整流+雙向Buck/Boost電路

（2）調(diào)壓器+整流器

基于調(diào)壓器+整流器是在電網(wǎng)和三相PWM整流器（VSR）之間加入三相可調(diào)變壓器，變壓器的變比可根據(jù)需要模擬的直流電壓等級來確定，VSR交流測輸入電壓改變，因此VSR可以輸出相匹配的直流電壓，當(dāng)VSR處于整流狀態(tài)時模擬電池放電，電能從電網(wǎng)側(cè)傳輸?shù)截?fù)載側(cè)。當(dāng)VSR處于逆變狀態(tài)，模擬電池充電，由直流母線電容向網(wǎng)側(cè)供電。調(diào)壓器+整流器的特點在于可以實現(xiàn)能量雙向流動，且該方案可以通過一套控制使輸出直流電壓的覆蓋范圍廣，其控制精度高。但是其存在的缺點有模擬器的成本、重量、體積增加，功率輸出范圍小，難以模擬出多種電池的工況。其主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模擬器電路結(jié)構(gòu)

3 DC/DC電路設(shè)計

DC/DC電路的設(shè)計需要滿足能量雙向流動，且結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠，本文電池模擬器DC/DC電路如圖4所示，對圖4進(jìn)行定義，定義V1為電網(wǎng)電能通過三相PWM整流器整流后的直流電，定義V2為電池以此來代替實物電池，D1、D2為二極管，L為電感，C為電容，r為負(fù)載電阻。通過控電容電壓與V2電壓之間的大小關(guān)系來實現(xiàn)電流雙向流動，以此來模擬電池的充放電過程。

圖4 電池模擬器DC/DC電路

當(dāng)電容電壓高于電池電壓V2時，電網(wǎng)經(jīng)過三相PWM整流后的電能V1向電池V2充電。模擬出電池充電過程，當(dāng)設(shè)定V2的電壓值高于電容電壓時，電池V2開始放電，電能由V2流向V1，同時V1的電能經(jīng)過三相PWM整流器回饋給電網(wǎng)，以此實現(xiàn)能量回流，因此整個電路的電流正反向流動取決于電容電壓與電池電壓的大小，在工業(yè)設(shè)計上更容易實現(xiàn)，且整個系統(tǒng)為一套控制方法，解決了工業(yè)設(shè)計上硬切換的問題，真正實現(xiàn)了電流的正反向流動。

本文通過Matlab/Simulink軟件搭建了電池模擬器仿真，其中誤差狀態(tài)變量取電容電流Ic輸出電壓VO，電壓誤差VO-Vref，電壓誤差積分vo vrefdt∫- ，為了減小電壓紋波系統(tǒng)，仿真模型圖如圖5所示。

圖5 電池模擬器仿真圖

模擬電池充電時，主要參數(shù)如下仿真過程的總時間為0.02 S，電網(wǎng)經(jīng)過三相PWM整流后的 電 能V1為24 V，電 感 值L為0.16×10-3H，電容值C為500×10-6F，頻 率 為10kHz，負(fù)載電阻r值20Ω，當(dāng)選取負(fù)載電阻為20Ω時，給定輸出電壓為10 V，電池電壓V2為5 V時，此時電網(wǎng)電能向電池V2充電，得到10 V的電壓波形與0.25 A的電感電流波形，由0.25電感電流可以判斷出電能是由V1流向V2，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 電池充電仿真結(jié)果

當(dāng)選取負(fù)載為20Ω時，給定輸出電壓為10 V，電池電壓V2為30 V時，此時電能由V2向V1流動，完成電池放電過程，得到10 V的電壓波形與-0.25A的電感電流波形，由-0.25電感電流波形可以判斷出電能是由V2流向V1，證明了電池模擬器DC/DC電路可以完成能量的雙向流動，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 電池放電仿真結(jié)果

4 結(jié)論

隨著國內(nèi)外可再生能源迅猛發(fā)展，儲能技術(shù)得到不斷研發(fā)。但使用儲能電池原型來實驗已逐漸被淘汰，電池模擬器的發(fā)展為科研帶來了便捷，電池模擬器還具有成本低、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點。本文對現(xiàn)有的電國內(nèi)外池模擬器研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，對現(xiàn)有的電池模擬器的優(yōu)點以及缺點進(jìn)行了總結(jié)，這為未來儲能技術(shù)中的電池模擬器發(fā)展起到重要作用，同時設(shè)計了電池模擬器后級DC/DC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完成了能量雙向流動的目標(biāo)，并通過仿真來驗證了本次的設(shè)計思路，證明設(shè)計的可行性。