開發(fā)動力電池仿真管理模擬方案

開發(fā)動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，同時配置了強大的分析能力。功率范圍從1KW-20KW單機，通過并機可擴展至400KW。電池模擬(BSS)開發(fā)動力電池管理電路(BMU)工程師的必備，用于BMU開發(fā)和測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。將多個電芯通過串、并聯(lián)組合成電池模組，多個電池模組最后組合成高電壓等級、高容量的電池包，如Tesla的電池包就是有7000多個18650(新電池包采用21700)圓柱型電芯組合而成。國內(nèi)電動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)境和工作場景中充分利用電池的能量，延長電池使用壽命，避免電池的損壞和安全隱患。因此，BMS設(shè)計和性能品質(zhì)對電池組來說是至關(guān)重要的。然而BMS的設(shè)計和測試絕非普通的電源管理(PMS)那么簡單。因為BMU的一邊是如同黑匣子一般的電池，另一邊是復(fù)雜的用電負載和充電設(shè)備。讓我們先深入這個黑匣子看看究竟。電池的電壓等級和標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)氐壓危險區(qū)但對于BMS研發(fā)和工程師來說，電池廠家給出的這兩個簡單的參數(shù)夠用嗎電池內(nèi)阻：關(guān)于這個問題，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，電壓端電壓等于開路電壓3.79V;1A放電時，電流出入電池，電池端電壓降低到3.316V;1A充電時，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，同時利用其200KSa/s(18bit)高速采樣能力監(jiān)測電池的端電壓，可以看到其變化呈現(xiàn)3個不同階段。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，進而會影響實際放電容量。（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/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應(yīng)的電壓區(qū)間大小，或單位電壓區(qū)間對應(yīng)的容量大小。如上圖所示，假設(shè)A、B、C、D四個電芯標稱容量相同，而且當前開路電壓也都相同，但想一想，當前電量也相同嗎？電量分布對電池特性有何影響，有多大的影響？針對以上這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，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)計和測試BMS了。但BMS測試時，有不少的工程師通常直接連上鋰電池組進行測試。但鋰電池是一種化學(xué)能源，本身不可控，很難讓它處于測試要求的工作狀態(tài)，也缺乏必要的保護，導(dǎo)致工程師的測試工作舉步維艱，費時費力，不得不徹夜加班，疲憊不堪！1） 動力電池容量大，改變電池的電壓，必須對其進行完整的充、放電，費時費力費錢。2） 在進行過壓、欠壓、過流、高溫等測試時，尚未確保工作性能的電池管理電路，可能會導(dǎo)致電池使用的安全隱患和危險。利用電池模擬系統(tǒng)（BSS）來替代電池進行BMS、PCS，OBC等電源轉(zhuǎn)換模塊的功能和性能驗證是科學(xué)的選擇。有用電源+負載組合構(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電池。對此，我們給出以下3個重要提示:提示1：電流輸出和吸收無縫轉(zhuǎn)換理想的電池一個恒壓源，而且在輸出電流和吸收電流轉(zhuǎn)換時是無縫，即電池電壓不會因為電流的正負變化而突變，如上圖所示。但如果采用獨立的電源+負載組合的BSS，模擬電池恒壓源特性，電源和負載工作于恒壓CV模式下，且電子負載電壓要稍高于電源。同時為了防止電源電流反灌損壞，必須在電源的輸出端串聯(lián)一個阻塞二極管。如下圖所示，該電池模擬器在電流正、負切換時，就會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，就可以避免這個問題。提示2:電池內(nèi)阻模擬和UVP（欠壓保護）前面我們提到，電池內(nèi)阻對電池的充電，放電時的端電壓影響巨大，尤其針對電池快充和高倍率放電等性能的驗證。同時，電池的電壓必須時刻工作于電池的正常工作電壓區(qū)，當電壓進入到電壓預(yù)警區(qū)時，電池模擬器應(yīng)該切斷電池的供電。過壓保護OVP是測試電源標配的功能，但APS同時提供獨特的欠壓保護UVP功能，可以很好的起到電壓低于預(yù)警的保護。另外，OVP和UVP保護響應(yīng)時間也是非常重要的性能，例如APS的電壓保護的典型響應(yīng)時間小于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三個中幅值電流時，APS電源模擬48V電池，內(nèi)阻0.1Q時，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)是指電源在負載電流突變時，電壓跌落和過