一種模擬車載動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)充放電的方法

吳洪亭, 劉 雷， 劉靜雯， 朱志峰， 邢化嶺

(1.中通客車股份有限公司， 山東 聊城 252000； 2.聊城職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山東 聊城 252000)

電動(dòng)汽車現(xiàn)有的臺架試驗(yàn)或整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)的電源一般采用實(shí)車上配置的動(dòng)力電池[1-2]，其成本高，循環(huán)壽命有限，在實(shí)驗(yàn)室高強(qiáng)度應(yīng)用環(huán)境下電池衰減較快；一般測試環(huán)境無法有效模擬實(shí)際應(yīng)用場景(如極端環(huán)境下電耗較室溫要快得多)。現(xiàn)有技術(shù)下的充放電測試設(shè)備可實(shí)現(xiàn)特定功率范圍內(nèi)的恒壓變流或恒流變壓輸出，但無法有效地模擬動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)充放電特性；一般也無法與整車控制器握手通訊，相關(guān)測試需屏蔽整車控制器對電池報(bào)文的識別、判斷[3]，和實(shí)車程序不一致，進(jìn)一步降低了測試結(jié)果的價(jià)值。

為了解決上述問題，本文提出一種基于充放電測試設(shè)備模擬電池動(dòng)態(tài)充放電的方法[4]。

1 實(shí)施方式

本文提出的基于充放電測試設(shè)備模擬電池動(dòng)態(tài)充放電的方法，需設(shè)置包括充放電測試設(shè)備控制器、充放電測試設(shè)備、傳感系統(tǒng)等作為基礎(chǔ)硬件模擬動(dòng)力電池，在綜合臺架或轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)中代替車載動(dòng)力電池使用，實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 方法流程圖

1.1 建立電池模擬數(shù)據(jù)庫

通過電池?cái)?shù)據(jù)獲取、負(fù)載特性曲線跟蹤與SOC估算等步驟[5]，獲取不同類型動(dòng)力電池的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲取表征動(dòng)力電池充、放電特征參數(shù)，建立動(dòng)力電池模擬數(shù)據(jù)庫。

其中，試驗(yàn)獲取參數(shù)包括：電池額定容量、運(yùn)行環(huán)境溫度對電池容量影響系數(shù)、本體溫度對電池放電影響系數(shù)、內(nèi)阻對電池放電影響系數(shù)。定量分析不同環(huán)境溫度和運(yùn)行工況下動(dòng)力電池的放電特性及各電器部件的能耗特性[6]。

不同類型動(dòng)力電池可采用實(shí)際的動(dòng)力電池進(jìn)行試驗(yàn)，將功率分析儀等測量儀器集成在測試平臺中[7]，采集的數(shù)據(jù)包括：端電壓隨電池溫度變化數(shù)據(jù)，端電壓隨電池荷電狀態(tài)變化數(shù)據(jù)，端電壓波動(dòng)與放電電流變化梯度的關(guān)系數(shù)據(jù)，輸入、輸出電流限值隨電池溫度變化數(shù)據(jù)，輸入、輸出電流限值隨動(dòng)力電池荷電狀態(tài)變化數(shù)據(jù)，電池溫度隨電池放電功率變化數(shù)據(jù)。

可設(shè)置多種類型動(dòng)力電池系統(tǒng)放電工況[8]，包括磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元鋰等電池類型，根據(jù)實(shí)際匹配需求選定電池類型后，錄入電池串聯(lián)數(shù)、并聯(lián)數(shù)及荷電狀態(tài)等初始狀態(tài)參數(shù)，即可快捷、有效地模擬動(dòng)力電池系統(tǒng)工作特性。

1.2 動(dòng)力電池配置數(shù)據(jù)及模擬數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)動(dòng)力電池配置數(shù)據(jù)查找電池模擬數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，確定動(dòng)力電池系統(tǒng)工作的初始狀態(tài)，根據(jù)初始狀態(tài)開啟充放電測試設(shè)備輸出直流電。

動(dòng)力電池配置數(shù)據(jù)包括模擬動(dòng)力電池初始容量和電池類型，電池類型包括生產(chǎn)廠家、額定容量、電池型號、電芯特性、電芯總串并數(shù)等。

初始狀態(tài)包括模擬動(dòng)力電池輸出的初始電壓和電流。

模擬數(shù)據(jù)包括充放電測試設(shè)備輸出端的輸出電流和電壓變化數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度、電池溫度、電池內(nèi)阻。

1.3 動(dòng)力電池荷電狀態(tài)預(yù)瞄

根據(jù)放電電流變化梯度和模擬動(dòng)力電池的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，計(jì)算下一時(shí)刻的動(dòng)力電池荷電狀態(tài)，步驟如下：

1) 查找電池模擬數(shù)據(jù)庫，根據(jù)工作狀態(tài)確定電池輸出的各項(xiàng)影響系數(shù)。

2) 根據(jù)影響系數(shù)和放電電流變化梯度，計(jì)算下一時(shí)刻的動(dòng)力電池荷電狀態(tài)。動(dòng)力電池荷電狀態(tài)計(jì)算公式如下：

式中：SOCt為t時(shí)刻系統(tǒng)的荷電狀態(tài)水平；SOCi為初始配置的荷電狀態(tài)水平；KT0為動(dòng)力電池試驗(yàn)獲得的電池運(yùn)行環(huán)境溫度對電池容量影響系數(shù)；KT1為電池溫度對電池放電影響系數(shù)；α為電池內(nèi)阻對電池放電影響系數(shù)；I為電池放電電流；QN為電池額定容量。為更好地模擬電池狀態(tài)，相關(guān)系數(shù)KT0、KT1以及α隨SOC變化分階段選取，在某一階段內(nèi)系數(shù)是固定的。

由于電網(wǎng)輸入為不必“焦慮”的能量源，因此，輸入的電流、電壓不作為輸出狀態(tài)的判定條件，但需要在充放電測試設(shè)備輸入端設(shè)置電流、電壓傳感器，用于監(jiān)控供電單元健康狀態(tài)。

1.4 動(dòng)力電池模擬狀態(tài)參數(shù)確定

根據(jù)模擬動(dòng)力電池下一時(shí)刻的荷電狀態(tài)以及當(dāng)前的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，確定動(dòng)力電池模擬狀態(tài)參數(shù)并傳輸至充放電測試設(shè)備執(zhí)行輸出。電池模擬狀態(tài)參數(shù)包括輸出端電壓、電流限值，工作狀態(tài)數(shù)據(jù)包括電池溫度、動(dòng)力電池荷電狀態(tài)、電流變化梯度和動(dòng)力電池模擬數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)。將動(dòng)力電池模擬狀態(tài)參數(shù)發(fā)送至充放電測試設(shè)備控制器，充放電測試設(shè)備根據(jù)控制器指令調(diào)節(jié)系統(tǒng)的端電壓和電流限值模擬動(dòng)力電池進(jìn)行輸出、輸入，步驟如下：

1) 根據(jù)動(dòng)力電池荷電狀態(tài)、電流變化梯度和動(dòng)力電池模擬數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，計(jì)算模擬電池動(dòng)態(tài)充放電的系統(tǒng)端電壓大?。?/p>

式中：Ut、Ut-1分別為t時(shí)刻、t-1時(shí)刻系統(tǒng)端電壓；UT0為初始配置環(huán)境溫度下的電壓值；ΔUSOCi為初始配置電池荷電狀態(tài)水平下的端電壓變化值；U(SOCt)、U(SOCt-1)分別為t時(shí)刻、t-1時(shí)刻電池荷電狀態(tài)水平對應(yīng)的端電壓值；ΔU(SOCt,dI)為t時(shí)刻電池荷電狀態(tài)水平下，放電電流變化值對應(yīng)的電壓變化值。

2) 根據(jù)電池溫度、動(dòng)力電池荷電狀態(tài)、電流變化梯度和動(dòng)力電池模擬數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，計(jì)算模擬動(dòng)力電池輸出端輸出電流限值：

Itmax≤min(βITt，βISOCt)

式中：Itmax為t時(shí)刻系統(tǒng)輸出電流限值；β為電池內(nèi)阻對電池放電影響系數(shù)，β=1/α；ITt、ISOCt分別為電池在Tt溫度下和在SOCt荷電狀態(tài)水平下的最大放電電流，Tt為電池試驗(yàn)獲得的電池溫度隨電池放電功率變化的數(shù)據(jù)。

3) 采集輸入、輸出的電壓和電流，傳感器采集模擬電池動(dòng)態(tài)充放電系統(tǒng)輸入、輸出的端電壓、電流和電池溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給充放電測試設(shè)備控制器；循環(huán)執(zhí)行完成實(shí)時(shí)的動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)模擬。

2 模擬系統(tǒng)及方法

基于充放電測試設(shè)備模擬電池動(dòng)態(tài)充放電的系統(tǒng)及方法如圖2所示，包括充放電測試設(shè)備控制器、充放電測試設(shè)備、傳感單元。

圖2 裝置框圖

2.1 充放電測試設(shè)備控制器

充放電測試設(shè)備控制器用于計(jì)算和控制動(dòng)力電池模擬狀態(tài)參數(shù)，包括模擬輸出控制模塊和運(yùn)算模塊。

1) 模擬輸出控制模塊。將運(yùn)算模塊計(jì)算的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號傳輸至充放電測試設(shè)備。

建立制度化、規(guī)范化的巡視檢查制度，并明確巡視檢查的重點(diǎn)范圍、重點(diǎn)環(huán)節(jié)和重點(diǎn)內(nèi)容以及檢查方式，建立健全巡查觀測記錄、分析、報(bào)告、處理、存檔等一整套規(guī)章制度，對于落實(shí)入海水道工程的管理責(zé)任至關(guān)重要。

2) 運(yùn)算模塊。根據(jù)采集的模擬動(dòng)力電池的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，計(jì)算動(dòng)力電池模擬狀態(tài)參數(shù)。電池模擬狀態(tài)參數(shù)包括輸出端電壓、輸出端輸入及輸出電流限值。

2.2 充放電測試設(shè)備

充放電測試設(shè)備連接供電電網(wǎng)和用電端，根據(jù)其發(fā)出的狀態(tài)參數(shù)，將供電電網(wǎng)的交流電變換為符合電壓和電流限值的直流電，供給用電端，包括電壓調(diào)節(jié)模塊和限流模塊。

1) 電壓調(diào)節(jié)模塊。根據(jù)充放電測試設(shè)備控制器發(fā)出的電池模擬狀態(tài)參數(shù)，將供電電網(wǎng)的交流電變換為符合限值要求的輸出端電壓；電壓調(diào)節(jié)模塊至少包括濾波電路、整流電路和穩(wěn)壓電路。

2) 限流模塊。根據(jù)充放電測試設(shè)備控制器發(fā)出的電池模擬狀態(tài)參數(shù)，將供電電網(wǎng)的交流電變換為符合限值要求的輸出端電流。

2.3 傳感單元

傳感單元用于采集模擬電池動(dòng)態(tài)充放電系統(tǒng)輸出端的輸出及輸入的電壓、電流數(shù)據(jù)，包括環(huán)境溫度傳感器、電池溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器。電壓傳感器設(shè)置在輸出端測量端電壓，電流傳感器分別設(shè)置在充電回路和放電回路上，分別用于測量輸出端的輸出、輸入電流。

電池內(nèi)阻可根據(jù)測量獲得的電流、電壓和電池溫度計(jì)算，電池溫度可通過設(shè)置的溫度傳感器直接測量，也可在測試系統(tǒng)增加專用的電池內(nèi)阻測試儀來測量[9]。

環(huán)境溫度傳感器設(shè)置在距離發(fā)熱源2 m以外位置，是電池初始工作溫度采集位置的參考標(biāo)準(zhǔn)。

動(dòng)力電池的輸出端包括充電回路和放電回路，是因?yàn)檐囕v的制動(dòng)過程可以對動(dòng)力電池進(jìn)行充電，動(dòng)力電池的輸出主要是供給車輛上的用電設(shè)備使用。

3 效果對比

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本文方法有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 本文提出的基于充放電測試設(shè)備模擬電池動(dòng)態(tài)充放電的方法，可代替動(dòng)力電池在綜合臺架或轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺開展的整車工況試驗(yàn)中使用，電源模擬電池不同狀態(tài)[10]，可模擬BMS與整車控制器(HCU)握手通訊。可節(jié)約循環(huán)試驗(yàn)時(shí)動(dòng)力電池充電、維護(hù)、轉(zhuǎn)運(yùn)、調(diào)試時(shí)間，解決電量焦慮問題，避免試驗(yàn)充放電過程及較高的使用強(qiáng)度對動(dòng)力電池系統(tǒng)產(chǎn)生不可逆的損害。

2) 模擬電池動(dòng)態(tài)充放電系統(tǒng)作為模擬動(dòng)力電池，能夠有效地模擬動(dòng)力電池系統(tǒng)工作特性，可模擬動(dòng)力電池端電壓隨電池溫度變化，動(dòng)力電池端電壓隨電池荷電狀態(tài)變化，動(dòng)力電池端電壓波動(dòng)與放電電流變化梯度的關(guān)系，動(dòng)力電池輸入、輸出電流限值隨電池溫度變化，動(dòng)力電池輸入、輸出電流限值隨動(dòng)力電池荷電狀態(tài)變化的特性，有效地模擬了動(dòng)力電池系統(tǒng)工作特性，可替代綜合臺架或轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺開展整車工況試驗(yàn)中使用的真實(shí)電池。解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的模擬動(dòng)力電池方法簡化嚴(yán)重，試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，不能有效達(dá)到整車工況試驗(yàn)所需條件的問題。

3) 模擬電池動(dòng)態(tài)充放電系統(tǒng)作為模擬動(dòng)力電池，內(nèi)嵌多類型動(dòng)力電池系統(tǒng)(如磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元鋰等)模型，根據(jù)實(shí)際匹配需求選定電池類型后，錄入電池串聯(lián)數(shù)、并聯(lián)數(shù)及初始荷電狀態(tài)即可快捷、有效地模擬動(dòng)力電池系統(tǒng)工作特性。

本文方法還存在以下問題：

1) 由于建立電池模擬數(shù)據(jù)庫的難度及工作量較大，模型的準(zhǔn)確性依賴于數(shù)據(jù)庫的不斷積累完善。

2) 每次試驗(yàn)前均需對主要傳感單元設(shè)置報(bào)警限值和停機(jī)限值，以實(shí)現(xiàn)對測試系統(tǒng)和被測單元的有效保護(hù)。

4 結(jié)束語

本文提出了一種模擬電池動(dòng)態(tài)充放電的方法，可在臺架或整車轉(zhuǎn)鼓的整車工況試驗(yàn)中替代動(dòng)力電池，縮短試驗(yàn)周期；節(jié)省高低壓線束、工裝支架等附件配置；解決電量焦慮；避免對電池系統(tǒng)造成不可逆損害；避免儲備各類電池帶來的成本、空間、維護(hù)、廢舊處置等資源占用；為相關(guān)試驗(yàn)提供適配、可靠、可控且源源不斷的電力源。