開(kāi)發(fā)動(dòng)力電池仿真管理模擬方案

APS （Advanced Power System）

是德科技新一代電源系統(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(guò)并機(jī)可擴(kuò)展至400KW。

電池模擬 （BSS）

開(kāi)發(fā)動(dòng)力電池管理電路（BMU）工程師的必備，用于BMU開(kāi)發(fā)和測(cè)試過(guò)程中電池的仿真。

鋰電池的最基本單元叫做電芯（Cell），常見(jiàn)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(chēng)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(guò)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(chē)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(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。然而B(niǎo)MS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(chēng)容量

這是所有電池廠家可以提供給BMS開(kāi)發(fā)工程師的最基本的參數(shù)。如下圖所示

但對(duì)于BMS研發(fā)和工程師來(lái)說(shuō)，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(wèn)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Rs，通常稱(chēng)為電池交流內(nèi)阻（ACR），或直流內(nèi)阻（DCR）

如下圖，內(nèi)阻直接影響電池充放電過(guò)程中的端電壓

1. 電芯在開(kāi)路（不充放電）時(shí)，電壓端電壓等于開(kāi)路電壓3.79V；

2. 1A放電時(shí)，電流出入電池，電池端電壓降低到3.316V；

3. 1A充電時(shí)，電流流入電池，電池端電壓上升到3.95V；

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(guò)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）　?V1為電池電壓隨電流突變，表現(xiàn)為交流內(nèi)阻ACR，?V1/I2;

2）　?V2為電池極化過(guò)程電壓的變化，表現(xiàn)為直流內(nèi)阻DCR，（?V2+?V1）/I2；

3）?V3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/?V3.

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℃、Soc為100%時(shí)的內(nèi)阻，相比于低溫-20℃、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）。

因此，在測(cè)試BMS的時(shí)候，必須對(duì)在不同工作場(chǎng)景下電池的內(nèi)阻做最充分的考慮！

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(chēng)容量相同，而且當(dāng)前開(kāi)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(qián)。

2）　在進(jìn)行過(guò)壓、欠壓、過(guò)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(lái)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(wú)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(wú)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(wú)縫切換能力的APS來(lái)仿真電池，就可以避免這個(gè)問(wèn)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(guò)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0.1Ω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(guò)沖的波形特征，評(píng)價(jià)指標(biāo)有響應(yīng)時(shí)間為電壓恢復(fù)到輸出值的持續(xù)時(shí)間，和過(guò)沖幅度百分比或絕對(duì)電壓值。

鋰電池的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間幾乎接近0，任何直流電源的瞬態(tài)響應(yīng)速度都不可能優(yōu)于鋰電池。如下圖所示，上述RP7946A模擬的48V電池，在電流0-20A變化時(shí)，電壓波動(dòng)極?。?.5V/48V，約1%）