动力电池模拟器的设计-AET-电子技术应用

动力电池模拟器的设计

2017年微型机与应用第3期

马红雷,司文旭,郑玉

重庆理工大学电气与电子工程学院，重庆 400054

摘要：电动汽车及相关设备的生产、测试和研发过程中，需要用到动力电池；当使用动力电池作为测试电源时，存在充电时间长、效率低、污染环境且成本高等问题。选择合适的电池模型，使用某一种电池作为测试的试验平台，通过测试的实验数据来辨识电池参数。使用正态分布和卡方分布的方法，完成由单一单体电池到成千上万个单体电池的模拟。最后，建立了Simulink仿真模型，仿真结果表明该设计能够模拟多元化电池。在使用电池模拟器作为驱动电机的测试电源时，省去了动力电池充电的过程，提高了测试电机的测试效率，节约了成本，减少了环境污染

关键词： 参数辨识 Simulink仿真模型多元化模拟

Abstract：

Key words :

　　马红雷,司文旭,郑玉

　　（重庆理工大学电气与电子工程学院，重庆 400054）

摘要：电动汽车及相关设备的生产、测试和研发过程中，需要用到动力电池；当使用动力电池作为测试电源时，存在充电时间长、效率低、污染环境且成本高等问题。选择合适的电池模型，使用某一种电池作为测试的试验平台，通过测试的实验数据来辨识电池参数。使用正态分布和卡方分布的方法，完成由单一单体电池到成千上万个单体电池的模拟。最后，建立了Simulink仿真模型，仿真结果表明该设计能够模拟多元化电池。在使用电池模拟器作为驱动电机的测试电源时，省去了动力电池充电的过程，提高了测试电机的测试效率，节约了成本，减少了环境污染。

　　关键词：参数辨识；Simulink仿真模型；多元化模拟

　　中图分类号：TM912文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.03.003

　　引用格式：马红雷，司文旭，郑玉.动力电池模拟的设计［J］.微型机与应用，2017,36（3）：8-11，15.

0引言

　　随着燃油汽车造成的环境污染越来越严重和世界能源的日益枯竭，纯电动汽车的研究开始受到广泛的关注和重视。纯电动汽车关键动力源是动力锂离子电池，动力锂离子电池具有能力密度高、自放电率低和循环周期长等优势。如果使用动力电池作为测试电池的驱动电源则有如下缺陷［1］：（1）由于动力电池的容量大，驱动电机测试完成之后，需要给动力电池充电，其充电过程需要很长的时间，影响了测试周期的连续性和完整性；（2）由于动力电池制造工艺上的特殊性，反复地充电和放电使电池的使用寿命缩短并且内阻增大，影响了测试驱动电机的试验条件；（3）如果进行特殊试验，如进行紧急制动测试，实验过程中产生的尖峰电流会使电池特性恶化，使用寿命大大缩短，影响了测试数据的准确性和可靠性。通过上述几点可以分析出动力电池直接作为测试电源是不合理的。本文设计出一种电池模拟器，能够模拟电池的充电和放电特性。使用电池模拟器作为驱动电机的测试电源时，省去了动力电池充电的过程，提高了测试电机的测试效率，节约了成本，减少了环境污染。

1电池的荷电状态

　　由电池的荷电状态（SOC）可以估算出电池的剩余可用容量,因此可以根据电池剩余容量占电池容量百分比对其进行表示，把电池不能吸收能量这一状态定义为100％，把电池不能放出能量这一状态定义为0％。一般电池SOC表达式如下［24］：

　　SOC=SOC0－∫(ibatt/C)dt（1）

　　式中，SOC0是动力锂离子电池的荷电状态的初始电荷，C为动力锂离子电池的实际容量，ibatt是电池负载的电流，SOC是当前的荷电状态。

　1.1单体电池放电

　　锂离子电池在不同温度、充放电倍率、循环次数和电池的老化程度下，放电电压曲线是不同的，为了简化研究电池的难易程度，本文选取环境温度为参考温度，选取的电池为18650锂离子电池2 900 mAh，放电倍率为0.4 C。电池测试平台选用美尔诺M9712系列直流电子直流负载，它具有恒流、恒压、恒功率和恒阻操作模式，配合PC配套软件使用，上位机软件可以设置为电池放电功能，可以设置电池放电周期、电池安全电压和计算电池放电容量等功能。

　　在环境温度下，放电倍率为0.4 C恒流放电条件下，单体电池电压与放电时间的关系曲线如图1所示。

　　从图1中可以看出放电过程分为3个阶段，第一个阶段为陡峰期，电池电压瞬间从4.2 V下降到3.8 V左右，紧接着进入平台期，在此期间电池电压有下降的趋势，在整个放电过程中占了将近80％以上的时间，当电池剩余容量不到10％时，电池电压再次出现陡峰期，电池放电时间不到5 min，电池电压下降到2.7 V，放电截止［5］。

　1.2动力锂离子电池与开路电压之间的关系

　　在环境温度下，对锂离子电池以0.4 C恒流放电试验，计算出实际放出的容量，实验中把实际放出的电量分成10等份，每一等份释放完就视为SOC下降了10％，每当SOC下降了10％就静止一定的时间，然后测量电池的电压，测量的电池电压就视为电池的开路电压，如图2和图3所示［67］。

　　从图2、图3中可以看出，每个阶段电池电流变为零时，电池电压缓慢上升，总体趋势开路电压是下降的，从测试的实验数据中可以得出OCV与SOC之间的关系如表1所示。

　　通过表1中的数据可以拟合出电池SOC的值与开路电压OCV关系曲线图。其相应关系可以用一条曲线来拟合表示，如图4所示。

2锂离子电池参数辨识

　　从图5中可以看出，当电池中的电流突然变为零时，电池电压将产生突变，将电池电压上升部分分为4个阶段，第一个阶段为B~C，电池电压变化较大，这是由于电池内阻欧姆电压消失造成的；第二个阶段C~D电池电压缓慢上升，持续时间较短，是由于电池极化短期消失的过程；第三个阶段D~E，电池电压缓慢上升，持续时间较长，是电池极化电压长期消失的过程；最后一个阶段E点之后电池电压将不再上升，这时的电池电压等于电池的开路电压。

　　通过分析锂离子电池电压瞬态响应，同时考虑了各种外界因素，本文采用的电池等效电路模型如图6所示［3］。

　　当电池放电时，电流流动的方向如图6所示，此时电流方向为正，根据电路原理分析可以计算出电压与电流之间的关系为：

$YW27]@@OF7H%(S_U(@U{{{O.png$

　　从图2周期恒流放电实验中可以看出，当电池放电时，电池电压输出曲线呈现指数下降趋势，电流突然变为零时，电池的输出有一个瞬变电压，紧接着按照指数形式继续上升。这种趋势变化的主要原因有：当电池放电时，极化电容C1和C2进行充电，形成RC极化电压V1和V2，当电池中的电流变为零时即电池静止状态时，极化电容两端的电压通过并联电阻放电，电压呈现指数下降［8］。图5是图2的局部放大图，图中A点是电池放电开始时刻，B点是放电停止时刻，A→B是放电区域，放电时间足够长，E点是静止停止时刻，B→E是静止趋势，静止时间足够长，其中E点中的电压为Voc(SOC)。

　　在A→B区域中，RC网络为零状态响应，其输出电压为：

　　u(t)=i(t)R(1－e－tRC)（5）

　　假设图5中tA~tB期间为放电时刻，tB~tE期间为静止时刻，其中tA为放电开始时刻，tB为放电停止时刻，则A→B区域中任意时刻t（以tA为原点）输出的电池电压为:

U0PPAFK$YXDV%UVP`19(ROL.png

　　图5中，B点电流为零的瞬间，电池的电压瞬间抬高，这是由于电池的欧姆内阻引起的，从图6等效电路模型中可以得出内阻R0,则内阻R0可用下列公式计算得到：

$JBZ[`LZNR{}5TO_(]W0EA`I.png$

　　通过使用MATLAB cftool工具箱利用最小二乘法拟合成曲线如图7所示。

　　由式（10）~（11）及通过拟合曲线方程可以辨识出电池参数，具体参数如表2所示。

3多元化电池模拟

　　可以将电池温度变化率T·、电压V、内阻r、SOC变化率表示为电流的函数:

　　(T·,V,r,ζ·)=f(I)（12）

　　每一个单体电池的状态初始值是不同的，常规意义上的电池模拟需要将电池模拟数量进行简单的求和，这样的模拟是不精确的。每一个单体电池都有对应的温度信号、电压信号、电流信号等，由传感器进行信号采集。通过每一个单体电池也要模拟出真实电池的运行特性,这样就会大大增加整个模型的运行时间。

　　为了简化模型的运行，模型中输入的电流为一个矩阵，矩阵的数量为(I1,I2...In)，可以产生对应的n个矩(T·1,V1,r1,ζ·1),(T·2,V2,r2,ζ·2)...(T·n,Vn,rn,ζ·n)。

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　　进行硬件在环测试的电池模型必须具有多元电池能力。一个电池模拟器能够处理几十个单体电池，但是模型的数据需要对成千上万的单体电池进行模拟。这个模型需要有效地模拟多元化电池。

　　使用概率密度来对电池的参数进行仿真。它使用一个不同的矩阵来生成电池的不均衡，电池模型用于硬件在环对不同参数的单体电池验证。使用两个普通的概率分布：正态分布和卡方分布。正态分布如图8所示，卡方分布如图9所示，用于产生单体电池电容和给定SOC开路图8正态分布图9卡方分布图11电池二阶等效电路模型子模型电压的函数。正态分布的特征是均值和标准偏差。