開發(fā)動(dòng)力電池仿真管理模擬方案

開發(fā)動(dòng)力電池仿真管理模擬方案APS(AdvancedPowerSystem)暨科技親斤一代電源系統(tǒng)，是最高水平的多功能程控電源，同時(shí)配置了強(qiáng)大的分析能力。功率范圍從1KW-20KW單機(jī)，通過并機(jī)可擴(kuò)展至400KW。電池模擬(BSS)開發(fā)動(dòng)力電池管理電路(BMU)工程師的必備，用于BMU開發(fā)和測(cè)試過程中電池的仿真。鋰電池的最基本單元叫做電芯(Cell)，常見的有軟包電芯、圓柱電芯和方形鋁殼電芯，3.7V是鋰離子電芯的標(biāo)稱電壓，容量則是正常電壓區(qū)電壓范圍內(nèi)的電量總和。將多個(gè)電芯通過串、并聯(lián)組合成電池模組，多個(gè)電池模組最后組合成高電壓等級(jí)、高容量的電池包，如Tesla的電池包就是有7000多個(gè)18650(新電池包采用21700)圓柱型電芯組合而成。國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車主流采用單體容量更大的鋁殼方形電芯組成。電池管理電路(BMS)管理著電芯和電池的工作狀態(tài)，包括充、放電、溫度、工作電壓等等，讓電池工作在安全的區(qū)域，確保在不同環(huán)境和工作場(chǎng)景中充分利用電池的能量，延長(zhǎng)電池使用壽命，避免電池的損壞和安全隱患。因此，BMS設(shè)計(jì)和性能品質(zhì)對(duì)電池組來說是至關(guān)重要的。然而BMS的設(shè)計(jì)和測(cè)試絕非普通的電源管理(PMS)那么簡(jiǎn)單。因?yàn)锽MU的一邊是如同黑匣子一般的電池，另一邊是復(fù)雜的用電負(fù)載和充電設(shè)備。讓我們先深入這個(gè)黑匣子看看究竟。電池的電壓等級(jí)和標(biāo)稱容量這是所有電池廠家可以提供給BMS開發(fā)工程師的最基本的參數(shù)。如下圖所示

屯肉都:形■童lOJOmAhr高壓危隱區(qū)屯肉都:形■童lOJOmAhr |4.275-4,35V）高壓警戒區(qū)正'■與使用區(qū)(275'3.00V) (2.3^2.57)氐壓危險(xiǎn)區(qū)但對(duì)于BMS研發(fā)和工程師來說，電池廠家給出的這兩個(gè)簡(jiǎn)單的參數(shù)夠用嗎電池內(nèi)阻：關(guān)于這個(gè)問題，我想多嘮叨幾句電池內(nèi)阻是電池內(nèi)部等效串聯(lián)電阻E，通常稱為電池交流內(nèi)阻（ACR），或直流內(nèi)阻（DCR）

如下圖，內(nèi)阻直接影響電池充萬攵電過程中的端電壓電芯在開路（不充放電）時(shí)，電壓端電壓等于開路電壓3.79V;1A放電時(shí)，電流出入電池，電池端電壓降低到3.316V;1A充電時(shí)，電流流入電池，電池端電壓上升到3.95V;

RK7MA魂皿源V37966V0.02mADr|心曲3,3468V0.99995A3.9466W13165V■0.99994A-3.3163W□"O?4w OitnRK7MA魂皿源V37966V0.02mADr|心曲3,3468V0.99995A3.9466W13165V■0.99994A-3.3163W□"O?4w OitnDiMir aimA膈需要提醒的是：電池的內(nèi)阻和一般意義上的物理電阻不同。電池內(nèi)阻可分為極化■O?onvIIl(HI1otrwmizi.BtoiIWw 由h*DICW g袖li1塞Mu內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻，歐姆內(nèi)阻于電流隨線性變化，而極化內(nèi)阻主要取決于電極材料，電解液，隔膜等，這會(huì)導(dǎo)致電池在充、放電過程中的端電壓呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的變化狀態(tài)。如下圖所示，我們利用APS電源拉載脈沖電流，同時(shí)利用其200KSa/s(18bit)高速采樣能力監(jiān)測(cè)電池的端電壓，可以看到其變化呈現(xiàn)3個(gè)不同階段。1)AV11)AV1為電池電壓隨電流突變，表現(xiàn)為交流內(nèi)阻ACR,AV1/I2;2)AV2為電池極化過程電壓的變化，表現(xiàn)為直流內(nèi)阻DCR,(AV2+AV1)/I2；3)AV3為電池在電流I充電時(shí)電壓上升率，體現(xiàn)了電池的容量C=I2*t/AV3.

還要特別注意的是，SoC及溫度對(duì)電池的內(nèi)阻影響極大。例如一種電芯，從常溫25°C、Soc為100%時(shí)的內(nèi)阻，相比于低溫-20°C、SoC為10%，內(nèi)阻值可以相差55倍！電池內(nèi)阻直接限制了電池的快充和大電流放電，進(jìn)而會(huì)影響實(shí)際放電容量。（注意：電池內(nèi)阻不僅僅是電芯的內(nèi)阻，還應(yīng)包括電池保護(hù)/管理電路的引線，電池到電路輸入端的引線電阻）。電池容量分布單位容量對(duì)應(yīng)的電壓區(qū)間大小，或單位電壓區(qū)間對(duì)應(yīng)的容量大小。如上圖所示，假設(shè)A、B、C、D四個(gè)電芯標(biāo)稱容量相同，而且當(dāng)前開路電壓也都相同，但想一想，當(dāng)前電量也相同嗎？電量分布對(duì)電池特性有何影響，有多大的影響？針對(duì)以上這4種特性的電池，哪一種不適合快充、哪一種不適合快放呢？結(jié)合上述提到的知識(shí)，應(yīng)該不難得出結(jié)論吧！這些搞清楚了，就可以幫助工程師更好設(shè)計(jì)和測(cè)試BMS了。但BMS測(cè)試時(shí)，有不少的工程師通常直接連上鋰電池組進(jìn)行測(cè)試。但鋰電池是一種化學(xué)能源，本身不可控，很難讓它處于測(cè)試要求的工作狀態(tài)，也缺乏必要的保護(hù)，導(dǎo)致工程師的測(cè)試工作舉步維艱，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不得不徹夜加班，疲憊不堪！1） 動(dòng)力電池容量大，改變電池的電壓，必須對(duì)其進(jìn)行完整的充、放電，費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢。2） 在進(jìn)行過壓、欠壓、過流、高溫等測(cè)試時(shí)，尚未確保工作性能的電池管理電路，可能會(huì)導(dǎo)致電池使用的安全隱患和危險(xiǎn)。利用電池模擬系統(tǒng)（BSS）來替代電池進(jìn)行BMS、PCS，OBC等電源轉(zhuǎn)換模塊的功能和性能驗(yàn)證是科學(xué)的選擇。有用電源+負(fù)載組合構(gòu)建BSS方案，也有用雙向電源構(gòu)建的。既然是模擬電池，就需要BSS特性在關(guān)鍵性能上最接近于真實(shí)電池。對(duì)此，我們給出以下3個(gè)重要提示:提示1：電流輸出和吸收無縫轉(zhuǎn)換理想的電池一個(gè)恒壓源，而且在輸出電流和吸收電流轉(zhuǎn)換時(shí)是無縫，即電池電壓不會(huì)因?yàn)殡娏鞯恼?fù)變化而突變，如上圖所示。但如果采用獨(dú)立的電源+負(fù)載組合的BSS，模擬電池恒壓源特性，電源和負(fù)載工作于恒壓CV模式下，且電子負(fù)載電壓要稍高于電源。同時(shí)為了防止電源電流反灌損壞，必須在電源的輸出端串聯(lián)一個(gè)阻塞二極管。如下圖所示，該電池模擬器在電流正、負(fù)切換時(shí)，就會(huì)造成電池電壓的突變。

因此，利用雙向無縫切換能力的APS來仿真電池，就可以避免這個(gè)問題。提示2:電池內(nèi)阻模擬和UVP（欠壓保護(hù)）前面我們提到，電池內(nèi)阻對(duì)電池的充電，放電時(shí)的端電壓影響巨大，尤其針對(duì)電池快充和高倍率放電等性能的驗(yàn)證。同時(shí)，電池的電壓必須時(shí)刻工作于電池的正常工作電壓區(qū)，當(dāng)電壓進(jìn)入到電壓預(yù)警區(qū)時(shí)，電池模擬器應(yīng)該切斷電池的供電。過壓保護(hù)OVP是測(cè)試電源標(biāo)配的功能，但APS同時(shí)提供獨(dú)特的欠壓保護(hù)UVP功能，可以很好的起到電壓低于預(yù)警的保護(hù)。另外，OVP和UVP保護(hù)響應(yīng)時(shí)間也是非常重要的性能，例如APS的電壓保護(hù)的典型響應(yīng)時(shí)間小于30uS。下圖為APS電腦端程控軟件BV9200,使用ARB任意波形分別施加10A,-10A,0A三個(gè)中幅值電流時(shí)，APS電源模擬48V電池，內(nèi)阻0.1Q時(shí)，電壓和電流變化。APS電池內(nèi)阻模擬性能提示3:電壓瞬態(tài)響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)是指電源在負(fù)載電流突變時(shí)，電壓跌落和過