劉助春

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

輪轂式電動(dòng)汽車將四個(gè)輪轂電機(jī)分散到各個(gè)車輪中，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高、轉(zhuǎn)矩分配靈活等優(yōu)點(diǎn)，成為電動(dòng)汽車的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1-2]。由于輪轂式電動(dòng)汽車四個(gè)車輪可獨(dú)立控制驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，能很好的拓展電池系統(tǒng)的功能，從而為實(shí)現(xiàn)差速控制功能試驗(yàn)做鋪墊。電池系統(tǒng)是提高電動(dòng)汽車安全性，延長(zhǎng)使用壽命的關(guān)鍵[3]，目前輪轂式電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)一般通過純數(shù)值仿真或?qū)嵨镌囼?yàn)來驗(yàn)證電池管理系統(tǒng)的有效性，純數(shù)值仿真結(jié)果的可信度往往受到質(zhì)疑，實(shí)物試驗(yàn)由于實(shí)驗(yàn)過程中不可控因素過多，易造成實(shí)物損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至造成人員傷亡。因此電池模擬器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

陳雨飛[4]設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)通過兩個(gè)大小量程的可調(diào)電阻調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)220～400V 電壓調(diào)節(jié)范圍，由于電池測(cè)試系統(tǒng)不是為了單一種類設(shè)計(jì)的，低壓范圍并不在此測(cè)試系統(tǒng)的調(diào)壓范圍內(nèi)，不具有普適性；汪田洲[5]設(shè)計(jì)電池系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)80 塊電池并聯(lián)充電，但并不能測(cè)試串聯(lián)的電池系統(tǒng)；閆斌[6]構(gòu)建了電池硬件在環(huán)模型，具備模擬單體電池的能力，但不能測(cè)試多數(shù)量的電池組測(cè)試；閆斌[7]基于RT-lab 平臺(tái)構(gòu)建了電池硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，具有模擬一定數(shù)量單體電池串聯(lián)和并聯(lián)的功能；楊劉倩[8]搭建了電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)的硬件在環(huán)平臺(tái)，只能模擬單一固定種類的電池，并不能根據(jù)電池種類靈活通過軟件編程，模擬調(diào)節(jié)電池種類。

本文設(shè)計(jì)的輪轂式電動(dòng)汽車電池模擬器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)具有軟件編程模擬五種以上種類的電池充放電特性，同時(shí)電壓調(diào)壓范圍為43 V～800 V，覆蓋主流電動(dòng)汽車的電壓等級(jí)，可以滿足不同種類、不同組合方式的電池測(cè)試，同時(shí)為后續(xù)電子差速功能試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

1 電池模擬器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 功能分析

電池模擬器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)由控制柜斷路器、交流電抗器、AFF2000 以及其他控制部分組成?？赏ㄟ^上位機(jī)控制軟件實(shí)現(xiàn)直流電源、電池充放電、電池模擬功能，且具有電流雙向回饋的功能。

電池模擬器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)是在雙向直流電源基礎(chǔ)上，通過嵌入的電池模型進(jìn)行電壓與電流控制，實(shí)現(xiàn)電池充放電特性模擬。在電池放電時(shí)，根據(jù)放電電流更新電池輸出電壓和SOC 值；同理，在電池充電時(shí)，根據(jù)充電電流更新電池工作電壓和SOC 值。與此同時(shí)，電池模擬器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)建立有安全保護(hù)機(jī)制，如最大電流保護(hù)，過充過放保護(hù)等措施。電池模擬器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)可根據(jù)需求建立不同的電池模型，用以模擬相應(yīng)電池的充放電特性。

1.2 電池模型

電池模擬器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是在雙向直流電源的基礎(chǔ)上，利用電池模型進(jìn)行電壓和電流控制，因此電池模型是電池模擬器核心軟件。本文開發(fā)的試驗(yàn)系統(tǒng)在權(quán)衡精度和復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，選擇廣泛應(yīng)用的2RC 等效電路模型建立電池模型。電池的等效電路模型如圖1 所示。

圖1 電池等效電路簡(jiǎn)化圖

動(dòng)力電池的工作電壓和電流分別表示為V0和I，電阻Ri表示動(dòng)力電池內(nèi)阻；R1和C1描述電池雙電層部分的荷電變化，其兩端電壓是界面過電位V1；R2和C2用子描述擴(kuò)散現(xiàn)象，上圖描述的擴(kuò)散現(xiàn)象等效為一個(gè)RC回路，其兩端電壓是V2；理想電壓源簡(jiǎn)化為一個(gè)電容Cb，它表示動(dòng)力電池的存儲(chǔ)電能能力的大小，Cb兩端的電壓為Vb，它表示電池的開路電壓。

電池放電時(shí)的輸出方程：

式中τ1，τ2為時(shí)間常數(shù)，τ1=R1C1，τ2=R2C2，Vb（SOC）、Ri、R1、R2、C1、C2皆為電池模型參數(shù)，需要在相應(yīng)位置編輯數(shù)值或者公式，I 為實(shí)時(shí)電流(A)，t 為時(shí)間(s)，SOC 為電量（0～100%或0～1的小數(shù)）。

2 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

2.1 直流電源界面

直流電源能提供定值恒壓輸出帶動(dòng)電機(jī)或通過模擬電池特性帶動(dòng)電機(jī)，可根據(jù)不同負(fù)載的需求，模擬5 種以上的電池充放電特性能，直流電源界面如圖2 所示。

圖2 直流電源界面

2.2 電池充放電界面

電池充放電能為外部實(shí)際電池組充、放電，可根據(jù)外部實(shí)際電池充放電參數(shù)的需求，為外部電池進(jìn)行恒壓充電以及恒流放電。若模擬事先建好的電池特性當(dāng)實(shí)際電池組電源，可根據(jù)外部使用電池的特性，為搭建好的電池特性模型充當(dāng)電源，電池充放電界面如圖3 所示。

圖3 直流電源界面

2.3 模擬電池界面

根據(jù)所需輸出電壓范圍及運(yùn)行時(shí)間估算電池組串聯(lián)與并聯(lián)數(shù)（初始端電壓=單體電壓*串聯(lián)數(shù)，電池總電量=單體電量*并聯(lián)數(shù)），搭建好的電池特性模型充當(dāng)電源，如圖4 所示。

圖4 模擬電池界面

3 測(cè)試結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車電池模擬器硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際效果，選擇直流電源功能，在圖4 中輸入穩(wěn)壓值為260 V，測(cè)試其相關(guān)性能。

從圖5 可以看出，電流恒定在0.57 A，功率為0.15 kW，消耗0.02 Ah 的電量，電池輸出電壓恒定控制在260.5 V，和輸入的穩(wěn)壓電源值基本一致，誤差在合理范圍內(nèi)。

圖5 模擬電池實(shí)驗(yàn)界面

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了輪轂式電動(dòng)汽車電池模擬器硬件在環(huán)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)硬件部分以及上位機(jī)界面進(jìn)行了開發(fā)設(shè)計(jì)，具有直流電源、電池充放電、電池模擬的功能，覆蓋主流電動(dòng)汽車的電壓等級(jí)具有軟件編程模擬五種以上種類的電池充放電特性，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓連續(xù)多檔調(diào)節(jié)，覆蓋主流電動(dòng)汽車的電壓等級(jí)，可以滿足不同種類、不同組合方式的電池測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)電子差速控制的電池模擬，為其功能測(cè)試的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。