毛子通，吳 鋒，張 濤，郭修其，姚棟偉，宋文濤

（1.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)系，浙江 杭州310027；2.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州310027；3.浙江萬向億能動力電池有限公司，浙江，杭州310027）

電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）具有優(yōu)化使用和安全使用動力電池的功能，因此針對BMS的測試是電動汽車開發(fā)過程的重要環(huán)節(jié).測試系統(tǒng)需對BMS荷電狀態(tài)估算功能、電池均衡等功能進行測試及驗證［1］，為此應(yīng)向BMS 提供動力電池的各種參數(shù)，包括動力電池組的溫度，單體電壓和總電壓等參數(shù).廉靜等［2-4］系統(tǒng)地介紹了BMS的測試系統(tǒng)，但文獻［2-3］并未提及單體動力電池模擬單元，Haupt等［4］提到了單體動力電池模擬單元，并提出了具體的技術(shù)參數(shù)要求，但Haupt等［4］直接采用dSPACE 公司的電池模擬板卡作為單體動力電池模擬單元，沒有對影響模擬單元輸出精度以及動態(tài)響應(yīng)特性的因素做深入研究.本文以單體動力電池的模擬單元作為主要研究對象，模擬單元接收來自電池模型的控制命令，旨在模擬單體動力電池的電壓輸出特性，并對影響模擬單元輸出特性的因素進行分析，得到符合技術(shù)參數(shù)的單體動力電池模擬單元.常用電池模型主要分為電化學(xué)模型和等效電路模型，其中等效電路模型主要用于電動汽車性能的仿真研究.在等效電路模型中，GNL電池模型具有便于數(shù)學(xué)分析，物理意義明晰等特點，成為了在電動汽車仿真中最常使用的模型.因此選擇GNL電池模型作為BMS測試系統(tǒng)的電池模型，通過Matlab／Simulink實現(xiàn)GNL模型的搭建，通過復(fù)合脈沖實驗計算得到GNL 模型的參數(shù)［5］，由于篇幅的限制，電池模型的具體工作不在本文展開.

1 技術(shù)參數(shù)

為精確模擬單體電池工作電壓（0～5V），模擬單元需產(chǎn)生高精度的輸出電壓，同時保證足夠的動態(tài)響應(yīng)性能.為適用于不同電池模擬單元的均衡策略（主動均衡和被動均衡），模擬單元需具備一定充放電電流的能力，具體技術(shù)參數(shù)如表1所示：

表1 技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters

表中：V 為電池電壓，t為響應(yīng)時間，P 和R 分別為精度和分辨率，Ic和Id分別為被動均衡充電電流和放電電流.

2 單體動力電池模擬單元硬件電路設(shè)計

單體動力電池模擬單元由隔離型DC-DC 變換器、高精度雙向DC-DC 變換器和線性穩(wěn)壓單元組成，如圖1所示.

主控DSP處理器接收來自CAN 總線的命令，控制隔離型DC-DC變換器將12V 電壓輸入轉(zhuǎn)換為5V 電壓輸出，隔離型DC-DC完成電壓轉(zhuǎn)換的同時實現(xiàn)了電氣隔離；雙向DC-DC的作用在于實現(xiàn)輸出電壓的快速響應(yīng)，其工作流程如圖2所示，充電時，雙向DC-DC外接電阻負載單元，通過電阻負載單元對外釋放能量，限制輸出電壓的上升幅值.ADC 采集模塊、DAC 輸出模塊、從DSP 處理器以及雙向DC-DC變換器構(gòu)成了閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)目標電壓的精確輸出.本文模擬單元的主控DSP處理器和從處理器采用FREESCALE 的MC56F8006，內(nèi)部主頻為32MHz，PWM 最高調(diào)制頻率可達96MHz，符合模擬單元對于精度和響應(yīng)速度的需求.

圖1 模擬系統(tǒng)的硬件電路硬件框架Fig.1 Frame of hardware circuit Simulation system

圖2 雙向DC-DC變換器工作流程圖Fig.2 Bi-direction DC-DC converter route chart

目前常見的非隔離式雙向DC-DC主要有半橋，CuK，級聯(lián)式buck-boost以及SEPIC 等［6］.基于雙向半橋DC-DC變換器在相同條件下電流電壓應(yīng)力最低的優(yōu)點，本論文選擇半橋DC-DC.其基本原理示意圖如圖3所示，由一個升壓電路和降壓電路反向聯(lián)接而成.根據(jù)雙向半橋DC-DC 電流流向的不同，變換器存在Buck模式和Boost模式，從而完成升壓和降壓的功能.L1為電感，C1為儲能電容，VL和VH分別表示雙向DC-DC變換器的兩端電壓.

圖3 雙向半橋DC-DC變換器原理示意圖Fig.3 Bi-direction half-bridge DC-DC converter schematic diagram

如圖3所示，數(shù)字1，2，3分別代表mos管的柵極，漏極和源極.電路工作原理如下：Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)，Q2 處于工作狀態(tài)時，雙向半橋DC-DC 處于BOOST 模式.Q2導(dǎo)通時，VL向電感L1充電，Q2斷開時，由于電感的電壓不能突變，所以VL和電感電壓相加便是輸出電壓VH，實現(xiàn)電壓的上升.輸出電壓VH和Q2的工作狀態(tài)（Q2控制端通過PWM 的頻率和占空比控制Q2的開合以及開合的時間）有關(guān).Q1處于工作狀態(tài)，Q2處于關(guān)斷時，雙向半橋處于BUCK模式.DC-DC變換器的評價指標包括輸出電壓的紋波，轉(zhuǎn)換效率等，而紋波大小直接影響輸出電壓的精度，它與PWM 斬波控制方式（PWM 頻率和占空比、電感大小等）、PCB板布局布線相關(guān).雙向DCDC輸出紋波主要由電感L1產(chǎn)生的電流紋波和電容C1引起的電壓紋波引起，以BOOST模式電路為例分析電路中元器件參數(shù)對于輸出電壓紋波的影響.

參照文獻［7］對于紋波的分析，得出電流紋波和電壓紋波的表達式分別為

式中：I2和I1分別表示mos管關(guān)斷和導(dǎo)通時電感電流的初始值，ton為mos管導(dǎo)通時間，D 為占空比，T 為PWM 波的周期，RL、CLL 分別為電路中的電阻、電容、電感，ΔV 表示電壓紋波.

由式（1）和（2）可知，輸出電壓紋波與入電壓，PWM 波的占空比和周期成正比，與負載電阻、電容大小和電感值成反比.由于輸入電壓VL為固定5V，輸出端的等效電阻RL和電容CL也隨著負載的變化而變化.因此輸出電壓紋波大小主要取決于PWM 波的頻率和占空比.

通過Matlab電路仿真，改變PWM 波頻率f 和占空比，觀察電壓紋波的大小，如圖4～6 所示.其中，圖4 為f＝25kHz，D ＝27%，圖5 為D ＝27%，L＝0.002H.

仿真結(jié)果表明輸出電壓的紋波隨著電感值和頻率的增大而減小并且趨于穩(wěn)定，隨著占空比的增大而增大.在實際確定PWM 波頻率和占空比時，考慮到電感值大小直接影響到模擬單元體積，改善紋波性能主要通過PWM 頻率和占空比來實現(xiàn).PWM波頻率的增加會增加功率器件的功率器件的開關(guān)損耗并且要求足夠的散熱條件.綜合考慮上述因素，本論文所選取的PWM 波頻率f＝50kHz，占空比調(diào)節(jié)范圍為20%～80%.

圖4 電感值對輸出紋波的影響Fig.4 Influence of Inductance to output ripple

圖5 PWM 頻率對輸出紋波的影響Fig.5 Influence of PWM frequency to output ripple

圖6 PWM 占空比對輸出紋波的影響Fig.6 Influence of PWM duty ratio to output ripple

3 試驗測試

3.1 輸出電壓精度測量試驗

主控單元通過CAN 總線設(shè)定輸出電壓的輸出值（電壓為1 000～4 000mV，步進值為200mV，共16個測試點），輸出端用優(yōu)利德5位半數(shù)字萬用表UT805A 測試輸出端的實際輸出電壓.

如圖7所示，Vdif表示絕對電壓差.模擬單元的滯回誤差較小，最大滯回誤差發(fā)生在1 000和1 600mV測試點，且在最大滯回誤差測試點的誤差在0.2%的精度允許范圍內(nèi)，滿足實際應(yīng)用的技術(shù)指標.

圖7 正反雙向輸出電壓精度測試Fig.7 Positive and negative two-way output voltage accuracy test

模擬單元帶載（不同充放電環(huán)境）時的輸出電壓精度直接影響B(tài)MS 的控制策略驗證（例如動力電池過充和過放狀態(tài)監(jiān)測）.綜合考慮電池的充放電特性［8-9］，模擬單元在恒流充放電時，電壓變化幅值需在8%以內(nèi).不同充放電環(huán)境下，模擬單元電壓變化幅值如圖8和9所示.

圖8 不同充電能力下的電壓穩(wěn)定性Fig.8 Voltage stability under different charging current

圖9 不同放電能力下的電壓穩(wěn)定性Fig.9 Voltage stability under different discharge current

圖中：V0和Ra表示初始電壓和電壓上升幅值.圖8表明，輸出電壓上升幅值隨著電流的變大而變大，隨著電壓的增加而變小，在初始電壓2 V，3 A恒流充電時，電壓上升幅值達到最大值6.125%.模擬單元在充電時整體穩(wěn)定性較好，電壓上升幅值沒有超過8%.

圖中：V0和Rb表示初始電壓和電壓下降幅值.圖9表明，輸出電壓的下降幅值隨著放電電流的增加而增加，隨著初始電壓的上升而下降.下降幅值最大發(fā)生在初始電壓為2V，1A 放電的測試點，電壓下降幅值為1.25%.模擬單元在恒流放電時電壓穩(wěn)定性較好，滿足實際應(yīng)用的技術(shù)指標.

上述試驗表明模擬單元在帶載時的電壓變化幅值大于空載時的電壓變化幅值，這是由模擬單元外接的電阻負載單元有限的釋放電能的能力所決定的.

3.2 輸出電壓一致性測量試驗

車用動力電池組是由多個單體動力電池串聯(lián)或并聯(lián)而成的，單體動力電池模擬單元之間性能的一致性是其重要的性能指標.單體動力電池模擬單元性能的一致性體現(xiàn)在2個方面：1）在設(shè)定相同的輸出電壓時，輸出電壓的一致性；2）當(dāng)恒流充放電時，模擬單元輸出電壓上升和下降的幅值的一致性.試驗也從這2個方面展開.

在1 000～5 000 mV 電壓范圍內(nèi)（步進值為500mV），對32個模擬單元進行測試，并統(tǒng)計模擬單元的相對誤差，其中相對誤差為

式中：Re為電壓的相對誤差，Vt為電壓的測量值，具體測試結(jié)果如表2所示，其中Δ 為模擬單元相對誤差在特定誤差等級下所占的百分比.

試驗結(jié)果表明隨著目標電壓的增加，Δ 逐漸向誤差等級（0～0.05%）靠攏，一致性逐漸變好.在1 000mV測試點，模擬單元誤差等級較高是由系統(tǒng)誤差（元器件性能差異，PCB 布線等引起的絕對誤差）引起.但所有模擬單元均能滿足實際應(yīng)用的技術(shù)指標.

表2 精度測試結(jié)果統(tǒng)計表Tab.2 Precision test result statistic table %

為了測試模擬單元在恒流充放電時的電壓變化幅值，本試驗為模擬單元外部配置可編程電子負載，通過可編程電子負載（美爾諾公司的M9714B 電子負載）模擬恒流充放電的外部環(huán)境，試驗外部配置圖如圖10所示.

圖10 恒流充放電試驗外部配置Fig.10 Outer allocation of Constant charging-discharging current test

設(shè)定模擬單元低壓為2V，恒流3A 充電，32個模擬單元的測試結(jié)果如圖11所示.

圖11 不同模擬單元恒流充電輸出電壓Fig.11 Output voltage under different cell simulators’constant charging current

圖中：N 和Vout分別表示模擬單元號和輸出電壓.32個模擬單元的輸出電壓平均值μ＝2.142 4，標準差σ＝0.006 48，所有模擬單元的測試值都在（μ-2σ，μ＋2σ）范圍內(nèi)，可以認為模擬單元在恒流充電時一致性較好.

試驗設(shè)定模擬裝置高壓為4V，設(shè)置為1A 恒流放電的外部環(huán)境，測試結(jié)果如圖12所示.

如圖12所示，模擬單元在恒流放電情況下，模擬單元的平均值μ＝3.996 347，標準差σ＝0.001，同樣的所有模擬單元的測試值都在（μ-2σ，μ＋2σ）范圍內(nèi)，可以認為模擬單元在恒流放電時一致性較好.

圖12 不同模擬單元恒流放電輸出電壓Fig.12 Output voltage under different cell simulators’constant discharging current

3.3 模擬單元動態(tài)響應(yīng)時間試驗

動態(tài)響應(yīng)時間同樣是模擬單元重要的考核指標，通過試驗發(fā)現(xiàn)，電壓變化幅值是影響動態(tài)響應(yīng)時間的最主要指標，不同的電壓變化幅值下的動態(tài)響應(yīng)時間如圖13所示.圖中：Vt表示電壓變化幅值，tre表示動態(tài)響應(yīng)時間.如圖13所示，動態(tài)響應(yīng)時間隨著電壓變化幅值的增加而增加，并且在相同的電壓變化幅值下，電壓上升的響應(yīng)時間略大于電壓下降的響應(yīng)時間.動態(tài)響應(yīng)時間最大值發(fā)生在電壓上升并且變化幅值為3V 處，響應(yīng)時間為80ms，滿足實際應(yīng)用小于100ms的技術(shù)指標.

圖13 不同電壓變化幅值下的動態(tài)響應(yīng)時間Fig.13 Dynamic response time under different voltage

4 結(jié) 論

（1）通過三級電路設(shè)計確定了單體動力電池單元的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)，并通過matlab 仿真測試得到得到雙向DC-DC變換器中各個參數(shù)對于輸出電壓紋波，電壓響應(yīng)時間的定性分析，得到相對正確的參數(shù).

（2）輸出電壓精度測試試驗驗證了模擬單元符合系統(tǒng)所要求的0.2%的精度要求，并且模擬單元擁有較小的滯回誤差.

（3）充放電時輸出電壓變化幅值測試試驗驗證了不同模擬單元在充放電時性能的一致性，32個單體動力電池模擬單元在充放電時的輸出電壓值都在（μ-2σ，μ＋2σ），所以認為不同的模擬單元性能的一致性較好.

（4）不同充放電能力下的電壓穩(wěn)定性試驗測試了模擬單元在不同的初始電壓下，不同的充放電能力下的電壓的穩(wěn)定性，測試顯示模擬單元在不同充放電調(diào)節(jié)下都能符合系統(tǒng)所提出的要求，穩(wěn)定性較好.

（5）動態(tài)響應(yīng)時間試驗測試了在不同電壓變化幅值下模擬單元的動態(tài)響應(yīng)時間，試驗結(jié)果顯示，模擬單元的動態(tài)響應(yīng)時間均符合小于100ms的實際應(yīng)用需求.

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