电池模拟器简介

在电池管理系统测试中,经常需要用到电池模拟器,这里做个简单的介绍,后续针对特定问题慢慢展开叙述。动力电池作为电源,具有特殊的输出特性,即具有输出电压随着电流、温度、SOC等因素变化的特性,并且具有能量双向流动特性(即可以进行充电和放电),这是普通稳压电源不具备的特性。电池模拟器的作用是为了模拟电池的工作特性,属于变输出特性的直流电源,一般可以通过PWM整流来实现。整流电源经历了不可控整流器(二极管整流)、相控整流器(晶闸整流器)、PWM整流器(可关断功率开关)的发展。作为电池模拟器的关键技术之一,PWM整流器的研究主要集中在几个方面:

PWM整流器建模和分析。PWM整流器数学模型的研究是进行PWM整流器控制系统设计的基础,例如,时域模型、低频等效电路模型、降阶小信号模型等。

PWM整流器拓扑结构的研究。通常分为电压型和电流型两大类拓扑。电压型拓扑特征是直流侧采用电容进行电流储能,结构简单、损耗较低、控制方便;电流型拓扑的直流侧一般采用电感进行储能,需要较大的电感和交流侧LC滤波。

电压型PWM整流器的电流控制策略。电压型的电流控制策略主要包括直接控制和间接控制。间接控制的优点是控制简单、缺点是电流动态响应较慢、对系统参数敏感,因此逐渐被直接控制取代。直接电流控制的快速电流相应和鲁棒性较好,包括不同的控制方式,例如:固定开关频率且采用电网电动势前馈的SPWM控制、滞环电流控制和基于空间矢量的PWM控制。

PWM整流器系统控制策略。例如,无网侧电流传感器和无电网电动势传感器控制、电网不平衡条件下的控制、基于Lyapunov稳定性理论的控制、基于无源控制理论的控制、基于自抗扰技术的控制、反馈线性化控制

建立一个好的电池模型,对于电池模拟器的研制十分重要,电池模型的准确与否,直接关系到电池模拟器对电池模拟的偏差大小。构建精确的锂离子电池模型,需要了解锂离子电池的各种参数与动态特征。由于电池模拟器只是模拟电池的输入输出信息(例如电池电压、温度等),并不关心电池内部复杂的电化学原理,因此只需要研究其内部特征(soc、内阻、ocv等)与外部特征(端电压、寿命)的变化规律,建立能够表达其变化规律的数学表达式。随着电池建模和仿真的研究发展,出现了很多锂离子电池的模型,例如:简化的电化学模型、状态空间模型(卡尔曼滤波、人工神经算法)、等效电路等。简化的电化学模型用于电池内部反应过程研究,但是对于描述当前状态下的电池外部特征存在困难;卡尔曼滤波模型对初始soc准确度要求不高,并且可以输出变量的误差界限,但是算法相对复杂;人工神经模型具有非线性特性和自学习能力,适用于电池的非线性特性,但是需要大量样品数据和历史数据来预测性能,而且神经网络结构受温度影响较大,需要重构、更新神经网络结构。等效电路模型考虑了soc、温度、极化、电压、电流等多种因素,通过使用电阻、电容等基本电子元件构成的电路来描述电池工作特性,容易用数学公式来表示,在实际工程上得到了广泛的研究和应用。

通过电池单体模拟器,可以测试BMS所有部件。例如,ETAS与其合作伙伴开发了一种高精度cell simulator(下图是功能示意图),可以在不到1ms时间内在0和0.85-8V内调整电压,精度达到+/-500µV。每个电池都有电子负载,可用于主动和被动均衡,负载还能吸收0-2A电流,精度为250µA。每个电池都有模拟短路、断路和反极性的故障模拟,还可以通过故障模拟在每个电池注入不同外部电压。另外,每个cell simulator可以检测每个电池的均衡电流和漏电流。

参考文献

电池单体模拟器实验室虚拟电池。ETAS

电动汽车动力锂离子电池模拟器的研究。王志强

动力电池电池模拟器的研制。文平

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  • 原文链接http://kuaibao.qq.com/s/20180217G0F0FF00?refer=cp_1026
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