李 明　張健磊　石俊杰

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心，063035，唐山∥第一作者，工程師）

混合動(dòng)力儲能部件測試平臺的開發(fā)與特性測試*

李 明張健磊石俊杰

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心，063035，唐山∥第一作者，工程師）

摘 要針對有軌電車混合動(dòng)力系統(tǒng)儲能部件工作特性，開發(fā)了混合動(dòng)力儲能部件特性測試平臺。介紹了測試平臺的工作原理、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，以及平臺軟硬件系統(tǒng)的組成，闡述了儲能部件電壓、電流等參數(shù)的測試方法。運(yùn)用該平臺，對超級電容、蓄電池產(chǎn)品進(jìn)行了充放電特性測試，得到了儲能部件產(chǎn)品的充放電特性曲線及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，為儲能部件的選型提供了數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞有軌電車；儲能部件；特性測試；測試平臺

*國家科技支撐項(xiàng)目（2014BAG08B02）

Author＇s address P&T Research Center，Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，063035，Tangshan，China

1　混合動(dòng)力儲能部件技術(shù)概述

現(xiàn)代有軌電車是城市交通的一種類型，以其舒適、環(huán)保、綠色的特征日益受到關(guān)注。尤其是混合動(dòng)力儲能部件充放電技術(shù)的進(jìn)步，加快了有軌電車低能耗、低排放水平的提升以及在國內(nèi)外城市交通中的推廣，世界各國均致力于混合動(dòng)力儲能部件及系統(tǒng)裝備的研制開發(fā)［1］。目前，應(yīng)用于軌道交通動(dòng)力系統(tǒng)的儲能部件主要為蓄電池、超級電容，他們具有各自的技術(shù)特性和結(jié)構(gòu)形式［2］。因此，合理設(shè)計(jì)車輛混合動(dòng)力牽引系統(tǒng)，需要對儲能部件的特性進(jìn)行充分測試，再根據(jù)儲能設(shè)備的特性進(jìn)行全面的匹配設(shè)計(jì)［3］。

蓄電池作為電化學(xué)裝置，在充電時(shí)將電能變換為潛在的化學(xué)能［4］；在放電時(shí)則將化學(xué)能變換為電能。目前在有軌電車上應(yīng)用較多的是鋰電池。鋰電池具有比能量高、比功率高、充放電壽命長、自放電率低、安全可靠等優(yōu)勢［5］。國內(nèi)生產(chǎn)的鋰電池主要有鈦酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池兩種。隨著新材料的出現(xiàn)和生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)成本的改進(jìn)，鋰電池的應(yīng)用范圍將不斷拓展。

超級電容是20世紀(jì)70年代末問世的新型儲能產(chǎn)品［6］，是介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的儲能元件，具有功率密度大、能量密度高、充電速度快、循環(huán)壽命長、對環(huán)境無污染等特點(diǎn)。根據(jù)儲能機(jī)理不同，超級電容一般分為雙電層電容器和法拉第準(zhǔn)電容器［7］。

由于超級電容和蓄電池各有優(yōu)缺點(diǎn)，目前有軌電車混合動(dòng)力系統(tǒng)多根據(jù)車輛和實(shí)際線路條件，采用兩者匹配的方案，實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)適用的方案配置。本文通過開發(fā)儲能部件性能測試平臺，進(jìn)行動(dòng)力電池和超級電容產(chǎn)品的性能測試，得到相應(yīng)的特性數(shù)據(jù)，為混合動(dòng)力列車儲能部件產(chǎn)品的選取提供支持。

2　儲能部件測試平臺設(shè)計(jì)原理

針對動(dòng)力電池和超級電容的不同特性，對測試系統(tǒng)進(jìn)行軟、硬件開發(fā)。該系統(tǒng)可測試不同放電倍率下動(dòng)力電池、超級電容的充放電特性，并能實(shí)時(shí)監(jiān)測儲能設(shè)備的電流、電壓、內(nèi)阻、電荷狀態(tài)（SOC）、能量狀態(tài)（SOE）、溫度等數(shù)據(jù)；能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測、記錄和顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)報(bào)表和動(dòng)態(tài)曲線。測試平臺的原理如圖1所示。

圖1　測試平臺原理圖

2.1測試平臺的測試對象

（1）電壓測試。對儲能部件的電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測，主要包括選通環(huán)節(jié)、前級處理環(huán)節(jié)、V∕I（電壓電流）和I∕V（電流電壓）變換環(huán)節(jié)三個(gè)部分，如圖2所示。DSP（數(shù)字信號處理器）給CPLD（電池選通電路）適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘時(shí)，由其內(nèi)設(shè)計(jì)選通器選通單個(gè)儲能部件，送入前級處理電路。為了提高信號間的抗干擾和帶負(fù)載能力，前級處理電路接入運(yùn)算放大器組成的電壓跟隨器和濾波電路。它將電壓信號送入V∕I、I∕V變換環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)儲能部件電壓的實(shí)時(shí)采樣。

圖2　電壓監(jiān)測電路原理圖

（2）電流測試?；旌蟿?dòng)力電源系統(tǒng)提供給用電負(fù)載的電流很大，測量時(shí)所選用的電流傳感器應(yīng)將大電流轉(zhuǎn)換為可供DSP直接采樣的電壓信號。其電路原理如圖3所示。電流傳感器只需外接正負(fù)直流電源，被測電流母線從傳感器中穿過或接于原邊端子，副邊端子再做簡單連接即可。前級處理電路能將充、放電電流通過電流型傳感器產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)換成可由DSP直接采樣的正電壓，直接送入DSP采樣通道，實(shí)現(xiàn)電流采樣。

圖3　電流監(jiān)測電路原理圖

（3）溫度測試。電池的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在每個(gè)單元電池的內(nèi)部，但實(shí)際工作中，溫度傳感器不可能安放在電池內(nèi)部而只能放置在表面。由于大容量的動(dòng)力電池中間部分散熱較慢，溫度上升最明顯，所以電池的正表面靠中部位置的溫度較高。因此，一般將傳感器布置在電池正表面的中部位置。

2.2測試平臺的測試原理

2.2.1蓄電池充電性能測試原理

蓄電池充電性能測試的基本原理如圖4所示。其正負(fù)極分別與外電源的正負(fù)極相連接，并通過一定的方式對其進(jìn)行充電，使外電路中的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在其中，同時(shí)記錄充電過程中電池的充電電壓或充電電流隨時(shí)間變換規(guī)律。我國行業(yè)

圖4　化學(xué)電源充電原理示意圖

標(biāo)準(zhǔn)QC∕T 743—2006規(guī)定，充電量小于0.033 C即認(rèn)為電池已被充滿。

2.2.2蓄電池放電性能測試原理

蓄電池放電性能測試的基本原理如圖5所示。將其正極和負(fù)極與負(fù)載相連，使其化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能供給負(fù)載，同時(shí)記錄放電過程中電池電壓隨時(shí)間的變化規(guī)律。一般以非常小的放電量對電池進(jìn)行放電（0. 2 C）至電池電壓達(dá)到下限，即認(rèn)為放電完成。

2.2.3超級電容性能測試原理

超級電容相關(guān)參數(shù)和性能測試的原理與蓄電池類似。

3　儲能部件測試平臺開發(fā)

測試平臺包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。硬件系統(tǒng)由程控電源、電子負(fù)載、PC機(jī)、儲能部件、導(dǎo)線及數(shù)據(jù)線等組成。軟件系統(tǒng)包括下位機(jī)數(shù)據(jù)采集程序、上位機(jī)與下位機(jī)通信程序、上位機(jī)數(shù)據(jù)處理程序和實(shí)時(shí)控制程序。測試平臺系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　測試平臺系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

測試平臺系統(tǒng)主界面如圖7所示。試驗(yàn)配置中包含放電端口設(shè)置，充電端口設(shè)置，內(nèi)阻端口設(shè)置。測試平臺的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖7　測試平臺主界面

表1　測試平臺的主要技術(shù)指標(biāo)

通過測試蓄電池、超級電容的充放電性能，得出其充、放電特性曲線，可以對蓄電池、超級電容的性能進(jìn)行分析，從而為混合動(dòng)力列車的儲能部件產(chǎn)品的選取提供支持，并對混合動(dòng)力列車的運(yùn)行性能進(jìn)行整體分析。

4　儲能部件產(chǎn)品特性測試及結(jié)果分析

4.1蓄電池的充放電特性

測試采用某廠家的磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品，具體參數(shù)如下：

電池體系：磷酸鐵鋰∕石墨；

額定容量：25 Ah；

額定電壓：3.2 V；

內(nèi)阻：≤1 mΩ；

工作電壓范圍：2～3.65 V；

持續(xù)充電量：0～2 C；

持續(xù)放電量：0～3 C。

4.1.1蓄電池充電特性

設(shè)定恒流充電階段轉(zhuǎn)換到恒壓充電階段時(shí)對應(yīng)的電壓為3.6 V，充電量為1 C（25 A）進(jìn)行充電。圖8為蓄電池充電特性曲線?？梢?，整個(gè)充電過程所需時(shí)間為97 min，第一階段恒流充電52 min，第二階段恒壓充電45 min。

圖8　蓄電池充電特性曲線

4.1.2蓄電池放電特性

將該廠家提供的8節(jié)電池編為B 1～B 8號，分別進(jìn)行倍率為1 C（25 A）、3 C（75 A）的恒流放電測試。不同電池在倍率1 C下的放電電壓變化曲線如圖9所示。8節(jié)被測試電池在倍率1 C下放電放出容量均在25 Ah以上，范圍為26.8～28 Ah。

圖9　1 C放電倍率下蓄電池放電特性曲線

不同電池在3 C倍率下放電電壓變化曲線如圖10所示。8節(jié)被測試電池在3 C倍率下放電放出容量范圍為26.3～27.1 Ah。本文選擇容量差別在5﹪以內(nèi)的電池單體組成電池箱，保證電池箱內(nèi)部各單體和支路充放電的一致性，電源箱實(shí)際輸出容量可達(dá)25 Ah以上。

圖10　3 C放電倍率下蓄電池放電特性曲線

B 4號電池在不同放電倍率下的放電特性曲線如圖11所示。由此可知，蓄電池放電倍率越大，放電時(shí)間越短。

圖11　不同放電倍率下蓄電池放電特性曲線

4.2超級電容的充放電特性

針對某廠家提供的超級電容產(chǎn)品進(jìn)行了充放電特性測試。其具體參數(shù)如下：

額定容量：165 F；

電容量容差：-0.2﹪～0.2﹪；

額定電壓：48 V；

最低工作電壓：28.8 V；

內(nèi)阻：6.3 mΩ；

放電深度：100﹪。

4.2.1超級電容充電特性

采用100 A對超級電容進(jìn)行充電，充電特性曲線如圖12所示。整個(gè)充電過程耗時(shí)194 s，第一階段恒流充電54 s，第二階段恒壓充電140 s。可知，超級電容充電時(shí)電壓和時(shí)間近似線性關(guān)系，充電性能較好。

4.2.2超級電容放電特性

設(shè)置放電電流分別為100 A、150 A、200 A進(jìn)行恒流放電測試，放電截止電壓為1 V，得到的放電特性曲線如圖13所示。在恒流放電試驗(yàn)過程中，放電電流分別為100 A、150 A、200 A時(shí)對應(yīng)的放電時(shí)間為53 s、35 s、27 s?？芍夒娙莘烹姇r(shí)電壓和時(shí)間近似線性關(guān)系，放電性能較好；不同放電電流下可放出電量基本一致，便于設(shè)計(jì)者進(jìn)行不同工況的評估。

圖12　超級電容的充電特性曲線

圖13　超級電容的放電特性曲線

5　結(jié)語

本文搭建了有軌電車混合動(dòng)力儲能部件產(chǎn)品特性測試平臺，針對蓄電池和超級電容產(chǎn)品進(jìn)行了充放電性能測試，得到了儲能部件產(chǎn)品的充放電特性曲線及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，為儲能部件的選型提供了有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，從而為以后設(shè)計(jì)混合動(dòng)力列車的牽引動(dòng)力系統(tǒng)提供支持。

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Development of Testing Platform for Hybrid Energy Storage Components and Performance Test

Li Ming，Zhang Jianlei，Shi Junjie

AbstractBased on the operating performance of energy storage components for tramcar hybrid energy storage system，a platform for the hybrid energy storage system performance test is developed.Its working principle，the overall structure and the combination of soft and hard systems are introduced，some testing methods are described.This platform is used for different super-capacitors and power battery products to test their charge∕discharge characteristics，from which the data-base of the storage components is obtained.The testing result provide data support for the type selection of the energy storage components.

Key wordstramcar；energy storage component；performance test；test platform

中圖分類號TM 912：U482.1

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.011

收稿日期：（2014-03-24）