鋰離子電池管理系統的特性仿真研究?

魏麗君

（湖南鐵道職業技術學院鐵道供電與電氣學院 株洲 410001）

1 引言

鋰離子電池是以鋰合金的金屬氧化物為陽極材料、以石墨為陰極材料、使用非電解質的可充電電池［1～2］。當前在新能源系統、電動汽車以及不間斷電源和大功率供電系統中的應用越來越廣泛。但是大功率系統中仿真電池的特性以進行充放電管理系性能的評估，一般比較復雜。在新能源系統、大功率供電系統中，其研發和測試階段，系統的功率輸入以及能量吸收需要更大功率的電源，在實際工作中存在較大困難［3～5］。當前常見的方法是采用獨立電源供電，獨立負載吸收被測件釋放的能量。但這違背了實際的工作情況，無法實現負載和電源之間功能的連續轉換［6～10］；系統中大功率開關和繼電器的存在使得系統復雜化，系統可靠性降低。因此，提出先進電源系統仿真電池的特性以進行充放電管理系統性能的評估，實現系統源與負載功能的無縫轉換變得十分迫切［11～12］。

2 直流電源與電子負載單獨工作方案

由于直流電源和電子負載都具有穩定性好，精度高、動態響應迅速等優點，在雙向再生能源系統和模塊的測試中，一般情況下，會采用直流電源和電子負載搭配，分別提供系統所需功率和吸收輸出功率［13～15］。

圖1所示就是將直流電源和電子負載組合起來，進行供電和吸收的一套電池仿真器系統（BSS）。

圖1 直流電源和電子負載測試方案系統（BSS）圖

直流電源處于輸出狀態，被測件吸收功率：V被測件=(V直流電源-V二極管)。

被測件處于輸出狀態，電子負載吸收電流：V被測件=V負載。

經過以上的分析，工作在單獨直流電源和電子負載模式下時，它們均工作在CV模式下，即恒壓模式。在電子負載工作時，其電壓和直流電源的電壓端存在一個差值，且電子負載端的電壓要稍高于直流電源，這個電壓差值會形成一個死區時間，在死區時間范圍內，電池仿真系統將無法工作。此時，BSS將是電池管理系（BMS）測試的合適選擇。

測試時分兩種情況，其一電源提供維持電壓，被測件吸收電流；其二是直流電源輸出截止，被測件輸出電流，被測件兩端電壓上升，此時，負載端的電壓值經過升高后會鉗制在一個略高的電壓點上，并保持恒壓工作模式。在這種情況下，為了防止被測件啟動時，反向電流流向電源端，一般會在直流電源輸出端設計一個方向的二極管，根據二極管的單向導通原則，此時電路會截止，很好地起到保護的作用。

當然，這種測試方法存在如下固有缺陷：1）當電流值和環境溫度變化時，設計中的反向二極管壓降會隨之發生改變，從而改變電子負載和直流電源之間的死區電壓值，從而影響相互工作狀態；2）直流電源如果要實現遠端感應就必須將感應線接到二極管端，反向二極管會導致直流電源的不穩定性，從而使得直流電源無法使用遠端感應；3）直流電源和電子負載之間的電壓死區存在高阻抗，BSS電壓發生變化時，需要向它們分別發送對應的電壓編程指令，才可以對電壓進行跟蹤，因此跟蹤難度大，準確性有待進一步提高；4）電子負載的工作狀態會根據兩種情況而發生跳變，時而工作在截止狀態，時而工作在恒壓模式，因此動態性能會受到很大的影響。

系統動態性能的變化和死區電壓的改變，會影響到整個系統的靜態工作性能，會對雙象限工作的精度和敏感程度進行相對的限制。因此需要對系統進行軟件編程控制，讓死區電壓可以根據系統要求在一定幅度范圍內進行調整，但是，由于死區電壓存在固有的動態瞬變，因此在修正后同樣會與電子負載恒壓模式的瞬變中產生動態瞬變。其示意圖如圖2所示。

圖2 單獨直流電源和電子負載的輸出－吸收模式跳變，存在明顯的死區電壓

3 直流電源與電子負載單獨工作且工作區完全重疊方法

為了解決之前提到的死區時間對系統帶來的影響問題，可以采用工作區間完全重疊的方法。設置方法如圖3所示。在這種工作情況下，電子負載工作在恒流模式下。其電流設置為大于被測件能提供的電流最大值的某一固定值，吸收固定水平的電流和功率。此時，直流電源一直工作在恒壓模式，為整個系統提供電流，因為和電子負載間不存在接有保護作用的反向二極管，因為不存在任何模式交叉問題。也不存在靜態的電壓瞬變，因此，包含非重疊工作的BSS配置也不會受到任何的影響。

圖3 配置成工作區間完全重疊的直流電源和電子負載圖

進行重疊工作的用于電池仿真器系統（BSS）的直流電源和電子負載被測件吸收功率：

被測件供給功率：

通過以上分析，以上方法很好地解決了電壓死區的問題，但是也存在另外的一些問題：這種情況下直流電源的電壓和功率需要大大提高，因為在此工作模式下，電池管理電路BMS和電子負載需要的電流和功率都必須全部由直流電源提供。

對于大系統而言，電子負載需要消耗全部功率，因此在設計中必須考慮大電源給系統帶來的影響，此外，系統的測量精度如果建立在由這個系統測量讀取的直流電源和電子負載的電流值的基礎上，必然會對精度產生很大的影響，因為測量值是兩個比較大的值，而差值是一個很小的值。

4 采用APS和N7909A工作方案

根據前面的分析，如果使用單一的測量系統對電流進行測量，系統的測量性能將會顯著提高，可以大大減小由于單獨直流電源和電子負載系統中功率輸出配置和功率吸收的不足。此外，在功率轉換過程中，可以實現無瞬態突變，切換過程對系統整體無太大影響，而且功率消耗小。測試系統的直流測量精度和動態性能也會得到進一步的提升，但是在雙象限再生能源系統和器件的測試需求中，當前的選擇并不多。APS N6900A/N7900A直流電源是當前可選情況下的最優之選。主要因為

1）具有多種型號，可以根據功率要求進行選擇，實現了在最小的空間內提供相當大的功率。2）輸出電壓范圍寬，可滿足當前各種被測件的測試和使用。其功耗單元吸收功能可輕松增加，且可達到100%。同時由于電壓范圍寬，在測試選中提供了更多可能，靈活性更強，受被測件特性限制小。3）APS N7900動態直流電源具有非常先進的供給和測量能力，在創建動態輸出事件并進行瞬態測量時具有特殊的優越性，可連續記錄相關電參量。4）其系統具有模塊化體系結構。在拓展方面同樣具有無可比擬的優勢，在綜合供給—吸收系統中可拓展到高達10kW范圍。

圖4 APS和N7909A完美的供給-吸收響應

從圖4可以得出APS配合N7909A功率耗散器單元可輕松升級到高達100%的功率吸收功能。

圖5和圖6是測試顯示使用APS和N7909A功耗單元對超級電容器進行充放電時的電壓電流及能量圖。同時在捕獲其電壓、電流和能量時，也測試顯示了在超級電容器上恢復的電流、電壓和能量參數狀態。

圖5 超級電容器充放電電壓和電流圖

圖6 超級電容器充放電能量圖

從圖5和圖6的結果，可以得出：相比較方案一采用單獨電源和電子負載的情況，APS和N7909A電壓性能穩定可靠，電壓分辨率提高10倍以上，可精確測量電壓電流以及功率等相關參數，同時可實現在供給和吸收之間自由切換。解決了使用獨立電源和電子負載時必須對從直流電源和電子負載讀回的單獨電流進行管理和吸收的問題。此外，為了達到APS和N7909A配合工作方案效果，系統還需要添加外圍的相關電路，這樣會增加電路的復雜性，從而給系統的調試和維護帶來額外的困難度和其他需要不可預見的問題。

5 結語

微型、混合動力電動汽車（HEV）、不間斷電源（UPS）、替代能源電源這些雙向能源系統和器件一般都工作在千瓦級功率下，因此，在生產和開發過程中，提供供給和吸收千瓦級或更大功率非常困難，從而無法實現。一般情況下，采用單獨的直流電源和電子負載進行功率輸出和吸收可解決相關問題。但是本文同樣分析了其存在的相關問題，在此基礎上，也分析了直流電源與電子負載單獨工作且工作區完全重疊方法，采用APS和N7909A工作方案。經過測試，APS和N7909A工作方案，將輸出和吸收真正整合到單一系統中，解決了使用獨立電源和電子負載時必須對從直流電源和電子負載讀回的單獨電流進行管理和吸收的問題，而且其模塊化體系結構，可拓展到高達10kW測量范圍。