一種可用于BMS功能驗證的動力鋰電池模擬器設計

李 夢, 龔金科, 朱 浩, 吉 祥, 張文博

(湖南大學 機械與運載工程學院, 湖南 長沙 410082)

system; Simscape module

使用真實的電池組對電池管理系統(battery management system,BMS)進行功能驗證,不僅測試周期長、可重復性差,而且一些極端測試工況具有安全隱患,因此設計出可以用來替代真實動力電池的電池模擬器顯得尤為重要.

目前,國內外對于動力鋰電池模擬器的研究主要基于兩種主流結構,一種是基于脈沖寬度調制(pulse width modulation, PWM)整流器+直流變換(DC/DC)電路為主拓撲結構,另一種是基于數模(DA)轉換器為主拓撲結構.文獻[1]根據試驗確定動力鋰電池特性,建立了電池的數學模型,考慮了荷電狀態(state of charge,SOC)、溫度和電流所引起的電壓變化.文獻[2-3]采用簡單的非線性等效電路模型,以經驗公式的方式近似體現電池的端電壓行為.文獻[4]基于局部模型網絡 (local model networks, LMNs)的通用非線性電池模型,使用單個電池或整個電池組的試驗數據來訓練仿真模型.文獻[5]和[6]的研究基礎分別是電池三階動態模型和二階等效電路模型.文獻[7]對電池的行為在3種不同時間尺度上的影響進行了區分.文獻[8]基于電池電化學模型對電池行為進行模擬,需要確定合適的模擬分辨率和電池參數化.文獻[9]基于改進的二階等效電路模型,在原有等效電路模型的基礎上考慮了溫度和容量衰減這兩個因素.

三相電壓型PWM整流器具有功率因數高，以及電能雙向傳輸能實現動力鋰電池模擬器對充放電過程的模擬的優點，因而受到業內關注,但是基于三相電壓型PWM整流器+DC/DC電路為主拓撲的動力鋰電池模擬器的結構一般較復雜,在實現較多單體電池串聯時體積較龐大.基于DA轉換器為主拓撲的動力鋰電池模擬器在精度和靈活性上有較大優勢,而模擬多節單體電池串聯時,成本較高.為此,為了降低動力鋰電池模擬器設計的復雜度及模擬多節串聯單體電池的成本,筆者以DA轉換器為主拓撲結構,基于電池二階等效電路模型,設計一種新的動力鋰電池模擬器,以期為生產實踐提供參考.

1 動力鋰電池模擬器設計

1.1 動力鋰電池建模

BMS要求電池模型不僅要體現動力電池的外特性,而且要具有較強的等效性和實用性.目前常用的電池模型主要分為電化學模型、人工神經網絡模型和等效電路模型等3類[10].電化學模型結構一般比較復雜,實現起來較困難.人工神經網絡模型需要大量的試驗數據來預測電池的性能,而且對電池歷史數據的依賴性較大.等效電路模型使用電阻、電容和恒壓源等電路元件組成電路網絡以模擬電池的動態電壓特性[11],可以保證電池模擬具有較好的實時特性,并滿足電池模擬具有較好的精確性.因此,本研究中選擇等效電路模型.

高精度的等效電路模型需要耗費較長的模擬時間,這就需要在模型精度和復雜度之間產生一個折中,二階等效電路模型在復雜度和精度之間做到了較好的平衡.因此,本研究中選擇的電池模型為二階等效電路模型.在確定了電池二階等效電路拓撲結構后,基于Matlab & Simulink的Simscape模塊搭建的動力鋰電池模型示意圖如圖1所示.由圖1可知，動力鋰電池模型主要包括SOC計算的安時積分模塊、開路電壓模塊、RC網絡模塊及歐姆內阻模塊共4個模塊.

圖1 基于Simscape的動力鋰電池模型

R1C1網絡子系統的內部結構示意圖如圖2所示.由圖2可知：R1C1網絡子系統內部結構主要包括極化電阻R1和極化電容C1的Lookup Table模塊.

圖2 R1C1網絡子系統

1.2 電池模型參數辨識

電池模型的參數辨識主要是基于Matlab & Simulink自帶的參數估計工具parameter estimation.該工具通過利用非線性最小二乘法將電池的試驗數據與電池模型的仿真數據不斷進行對比,來辨識電池模型參數.由于鋰電池放電末端的電壓下降較劇烈,為了能夠更好地反映其輸出外特性,在參數辨識過程中減小了SOC在0至0.10區間的步長,取為0.01,SOC在0.10至1.00區間步長取為0.10,經過參數估計工具自動估算后的模型參數如圖3所示.

圖3 電池模型參數辨識結果

1.3 硬件設計

動力鋰電池模擬器的硬件設計主要包括電壓生成器和故障模擬單元的設計.電壓生成器是依據儲存的電池模型數據生成實時的電壓值,進而模擬BMS從控單元(battery monitor unit,BMU)所采集的單體電池組.故障模擬單元是模擬動力鋰電池在使用過程中可能出現的故障,以驗證電池管理系統對動力電池出現這些故障后,是否能夠及時發出告警及告警等級是否準確.

1.3.1電壓生成器

動力鋰電池模擬器的電壓生成器模塊主要是模擬單體電池的電壓信息,具體實現原理如圖4所示.電壓生成器主要包括微控制單元(micro controller unit,MCU)、串行外設接口(serial peripheral interface， SPI)通信隔離電路、DA轉換電路、線性可調電源電路、升壓電路以及分壓電路等.MCU根據單體電池的二階等效電路模型及工作運行狀態,計算單體電池在一定SOC下的端電壓作為基準電壓信號,并通過SPI通信隔離電路及DA轉換電路生成基準電壓,線性可調電源電路根據基準電壓輸出相應的單體電壓.單體電壓經運放進行放大,再經18S電阻串網絡進行分壓,進而模擬動力電池組的單體電壓信息.Linear,NXP及TI等公司所主推的多節電池組成的電池組監視器基本上是測量12,14或16節串接單體電池的電壓,該設計的電壓生成器模塊可在不高于18節電池組的基礎上進行任意選擇,可滿足各公司對不同芯片廠生產的電池組監視器的功能驗證.

圖4 電壓生成器硬件框架

圖5為18S電阻串網絡示意圖.

圖5 18S電阻串網絡示意圖

圖5中,18S電阻串網絡主要由精密電阻R和電容C構成.電阻R對升壓后的總壓進行分壓,得到模擬的每節單體電池電壓,通過電阻R串聯來模擬單體電池級聯;電容C使模擬的每節單體電池的電壓更穩定地輸出.為了使模擬的單體電池的電壓差異性盡量減小,在每6節單體電池模擬的總壓處引入1/3的升壓總壓.通過18S電阻串網絡的形式模擬單體電池的級聯,可以最大程度降低單體電池模擬的成本,從而做到模擬操作簡單、高效.

1.3.2故障模擬單元

為了能夠更好地驗證BMS的各項性能,該設計的故障模擬單元對單體電池的導線開路及過壓欠壓進行模擬.單體電池導線開路模擬單元主要采用開關矩陣形式,對導線存在開路的情形,將相應的開關斷開.單體電池導線開路模擬單元如圖6所示,圖中BMU為BMS的從控單元，ADC為數模轉換器，MUX為多路復用器.由圖6可知其主要連接是在電壓生成器與電池組監測單元之間.單體過壓欠壓模擬單元主要是通過運放的使用來進行模擬,使輸出的單體電壓Uo=AUi,其中A為電路的增益,Ui為運放電路的輸入電壓.單體過壓欠壓模擬單元如圖7所示,由運放的兩級反相電路組成,參考地為單體電池的負極.

圖6 單體電池導線開路模擬單元

圖7 單體電池過壓欠壓模擬單元

1.4 軟件設計

動力鋰電池模擬器的軟件設計流程圖如圖8所示,主要包括MCU系統初始化、電池模擬器參數初始化、確定電池模擬器工作狀態、計算電池模擬器輸出的端電壓、DA轉換、反饋電壓模數采樣及判斷電池模擬器輸出是否滿足條件等基本控制邏輯.

圖8 軟件設計流程圖

主程序運行過程中,首先進行的是MCU系統初始化,主要包括RCT時鐘中斷初始化、MCG總線時鐘初始化、SPI通信初始化、AD轉換初始化及DA轉換初始化等.再對電池模擬器參數進行初始化,這些參數與電池等效電路模型相關.初始化程序完成后,就是確定電池模擬器的工作狀態,該步驟根據用戶要求進行設置,主要是確定模擬單體電池的當前SOC.然后計算電池模型輸出的端電壓,作為DA轉換的輸入量,并通過AD轉換實時對輸出電壓進行采樣反饋,反饋電壓會與電池模型輸出的端電壓進行實時比較.當偏差不大于設定值時,程序運行結束,反之,會不斷調整電池模型輸出的端電壓,重新作為DA轉換的輸入量,引入反饋的作用就是使計算出的電池模型輸出的端電壓與線性可調電源電路的輸出電壓盡量保持一致.

2 結果分析與討論

2.1 動力鋰電池試驗

以三元鋰電池EVE-ICR18650/26V1為研究對象,基本參數如下:標稱容量為2 600 mA·h;標稱電壓為3.6 V;充電截止電壓為4.2 V;放電截止電壓為2.75 V;最大充電電流為2.6 A;最大放電電流為7 A.為了給三元鋰電池模型參數辨識以及模型驗證提供試驗數據,分別進行了混合脈沖功率特性(hybrid pulse power characteristic， HPPC)循環放電試驗、動態應力工況試驗(dynamic stress test,DST)和美國聯邦城市運行工況試驗(federal urban driving schedule, FUDS).

1) HPPC循環放電試驗.該試驗主要依據的是HPPC試驗,并對其步驟進行了適當改進.試驗共有10個循環,每個循環使電池放出10%容量,電流-時間曲線如圖9所示.

圖9 HPPC循環放電試驗電流-時間曲線

2) 動態工況試驗.DST試驗是用于測試動力電池充放電能力的一種簡化的工況,包含一個周期360 s共7個水平的功率值變化的序列.20 ℃恒溫下,對三元鋰電池進行DST工況試驗,單個的充放電工況下流經電池的電流-時間曲線如圖10所示.

圖10 DST工況試驗電流-時間曲線

FUDS工況試驗是用于測試動力電池對于急劇變化的電流響應能力的一種工況,包含了一個周期1 372 s內變化劇烈的功率值序列[12].20 ℃恒溫下,對三元鋰電池進行FUDS工況試驗,單個的充放電工況下的電流-時間曲線如圖11所示.

圖11 FUDS工況試驗電流-時間曲線

2.2 動力鋰電池模型驗證

為了驗證動力鋰電池模型的精度，將通過動力鋰電池模型計算的電壓仿真數據與實際電池測試得到的試驗數據進行對比.筆者選擇驗證的試驗工況主要是HPPC循環放電試驗、恒流放電試驗以及動態工況試驗.

1) HPPC循環放電仿真驗證.圖12和13分別為三元鋰電池在HPPC循環放電下的電壓試驗值與仿真值對比曲線和誤差曲線.

圖12 HPPC循環放電下電壓試驗值與仿真值對比曲線

圖13 HPPC循環放電下的電壓試驗值與仿真值誤差曲線

由圖13可知:電池放電末端電壓最大誤差不超過0.07 V,可以較理想地吻合試驗數據.HPPC循環放電末端相對于整個電池放電周期,電壓誤差相對較大,可以間接體現鋰電池放電末端電壓變化較為劇烈的特性.

2) 動態工況仿真驗證.圖14和15分別為鋰電池在DST工況下電壓試驗值與仿真值的對比和誤差曲線.

圖14 DST工況下的電壓試驗值與仿真值對比曲線

圖15 DST工況下的電壓試驗值與仿真值的誤差曲線

由圖14 可知:在電流作用下,電壓試驗值與仿真值曲線較好地吻合.由圖15 可知:在整個工況下,電壓誤差基本維持在0.03 V以內,在鋰電池放電末端,電壓最大誤差也不超過0.12 V.

圖16和17分別為三元鋰電池在FUDS工況下的電壓試驗值與仿真值的對比曲線和誤差曲線.由圖16可知:在充放電的電流劇烈變化的工況下,仿真值也可以與試驗值很好地吻合.由圖17可知:在整個工況下,電壓誤差基本維持在0.02 V以內，在鋰電池放電末端，電壓最大誤差不超過0.10 V.

圖16 FUDS工況下的電壓試驗值與仿真值對比曲線

圖17 FUDS工況下的電壓試驗值與仿真值的誤差曲線

2.3 動力鋰電池模擬器測試

搭建系統平臺對動力鋰電池模擬器進行基本功能測試.測試平臺如圖18所示,主要包括直流電源、PE下載器、CAN分析儀、從控板BMU、動力鋰電池模擬器和上位機.

模擬前端芯片LTC6804-1能夠測量12節串接電池的電壓,總測量誤差低于1.2 mV,具有2個16位AD轉換器,其中最低有效位(least significant bit, LSB)代表100 μV.通過LTC6804-1對不同SOC下的動力鋰電池模擬器的輸出電壓進行采樣,測試結果如圖19所示.由圖19可知:動力鋰電池模擬器的電壓可以按照動力鋰電池的外特性曲線進行輸出,放電的末端電壓下降趨勢較為劇烈.動力鋰電池模擬器模擬的12串單體電壓基本一致,可以較好地避免單體電池之間的不一致性.

圖18 動力鋰電池模擬器測試平臺

圖19 動力鋰電池模擬器的輸出電壓-時間曲線

為了驗證設計的動力鋰電池模擬器的精度,將SOC進行等分,步長取為0.10.將不同SOC下的動力鋰電池模擬器的輸出電壓通過高精度7位半數字萬用表進行測量,然后將測試電壓與電池等效電路模型的輸出電壓進行對比(見表1).模擬的12串單體電池電壓最大誤差為1.9 mV,相對誤差為0.53‰,可以對滿足±5 mV采樣精度要求的BMS進行功能驗證.

表1 動力鋰電池模擬器輸出電壓與模型輸出電壓比較

3 結 論

1) 通過Simscape建立的電池模型,在利用Parameter Estimation對參數進行辨識時,增加SOC在0至0.10區間的間隔點,可以進一步提高電池模型的精度,仿真得到在放電末端的電池電壓最大誤差不超過0.07 V.同時,HPPC循環放電試驗時,可以適當增加SOC的間隔點,采集更多的試驗數據.

2) 在DST和FUDS工況下,電壓最大誤差分別不超過0.12 和0.10 V,驗證了所建立的電池模型具有較高的精度.在不同運行工況下對電池模型進行驗證,發現相對于其他SOC下的端電壓特性,鋰電池放電末端的端電壓特性較難擬合.

3) 通過模擬前端芯片LTC6804-1對動力鋰電池模擬器的輸出電壓進行采樣,可以得到模擬器的電壓輸出具有很好的一致性,適用于Linear公司推出的多節電池的電池組監視器.在不同SOC下,對動力鋰電池模擬器進行測試,得到電壓輸出最大誤差為1.9 mV,相對誤差為0.53‰,驗證了所設計的動力鋰電池模擬器具有較高的精度,可適用于BMS的功能驗證.