電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池工況模擬實(shí)驗方案設計

摘要 在電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池實(shí)際應用中，需經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的實(shí)際路況測試，實(shí)驗周期長(cháng)、過(guò)程繁雜，且成本高。為解決這一問(wèn)題，在基于飛思卡爾MC9S12XEG128單片機的電池管理系統(BMS)及C#數據采集監控系統實(shí)測數據基礎上，基于A(yíng)rbin的電動(dòng)汽車(chē)測試系統(EVTS)設計動(dòng)力電池的工況模擬實(shí)驗平臺，實(shí)現了對電池多參數的實(shí)時(shí)采樣、顯示、存儲及實(shí)際路況模擬測試，從而實(shí)現了在實(shí)驗室獲得實(shí)車(chē)外路測試相同的電池工作數據。測試結果表明，該方案可獲得與外路實(shí)車(chē)測試相同的結果。

隨著(zhù)環(huán)境污染的加劇，電動(dòng)汽車(chē)以其節能環(huán)保的優(yōu)勢越來(lái)越受到重視，在電動(dòng)汽車(chē)的研究和發(fā)展上，車(chē)載動(dòng)力電池及其管理系統的研究與制造占據著(zhù)重要的位置。伴隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的成熟，電動(dòng)汽車(chē)也逐漸從實(shí)驗品轉化為產(chǎn)品。在電動(dòng)車(chē)輛測試中，電池的實(shí)際路況測試具有重要的地位，但在應用中，實(shí)際路況測試周期較長(cháng)、成本較高，而臺架模擬和實(shí)際運行有差別。通過(guò)本實(shí)驗方案的設計可簡(jiǎn)化該測試過(guò)程。該方案依托電池管理系統(BMS)和基于電池管理系統的數據監控和采集系統采集的插電式鎳氫快充混合動(dòng)力客車(chē)外路測試電池數據，采用美國Arbin公司的電動(dòng)汽車(chē)測試系統(EVTS)的MITS上位機控制軟件進(jìn)行模擬仿真，可在實(shí)驗室獲得與外路實(shí)驗相同的電池測試數據，同時(shí)電池的放電通過(guò)測試系統回饋電網(wǎng)，電能可循環(huán)使用，該方案具有良好的可復制性，可在較大程度上節省實(shí)驗成本。

1 插電式鎳氫快充混合動(dòng)力客車(chē)

插電式鎳氫快充混合動(dòng)力客車(chē)采用3組300 V/40 Ah電池組并聯(lián)組成300 V/120 Ah電池組，如圖1所示。鎳氫(Ni-MH)電池屬于堿性電池，因其不存在重金屬污染問(wèn)題，稱(chēng)為“綠色電池”，目前鎳氫電池所能達到的性能指標為：能量密度(3 h)為55～70 Wh/kg，功率密度為160～500 W/kg，快速充電從滿(mǎn)容量的40%充到80%為15 min，循環(huán)使用壽命超過(guò)1 000次(DOD=100%)，鎳氫電池具有能量密度，功率密度較高，快速充電盒深度放電性能好，充放電效率高，無(wú)重金屬污染，全密封免維護的優(yōu)點(diǎn)?？蛙?chē)工作在純電動(dòng)和混合動(dòng)力模式，電池剩余電量(Soc)40%時(shí)工作在混合動(dòng)力模式，>40%，時(shí)工作在純電動(dòng)模式，工作模式切換如圖2所示;純電動(dòng)模式時(shí)最高時(shí)速為70 km/h，該車(chē)作為公交車(chē)使用，一般工作于純電動(dòng)模式，電池的Soc在80%～30%，即每次放電量為50%，放電量為60 Ah，可保證純電動(dòng)模式下行駛約30 km;采用3C大電流充電，Soc從30%充到80%，即充電量為60 Ah大約需10 min，實(shí)現充電10 min，運行30 km的性能。

2 電池管理系統(BMS)

電池管理系統采用分布式主從結構，每套從系統負責每組300 V/40 Ah電池的21路模塊電壓，總電壓，12路溫度，支路電流的采樣，電池剩余電量(Soc)計算以及和主控板的CAN通訊。主控板負責總電流，總電壓的采樣，電池剩余電量的計算，故障判斷，系統保護和主從內部CAN通訊及主控和整車(chē)控制器(ECU)的CAN通訊，結構如圖3所示。系統中電流的采樣間隔為10 ms，可滿(mǎn)足電量安時(shí)法的計算要求，電池Soc的計算采用安時(shí)積分法加校正來(lái)確定。

電池剩余電量(Soc)安時(shí)法計算公式如下

式中，α(t)為充放電效率，與電池溫度和Soc有關(guān)，i(t)為電池充放電電流值，Q為電池額定容量，單位為Ah。

電量數字積分計算公式如下

Q(nT)為nT時(shí)刻電池電量，Q(0)為電池初始電量，單位Ah，i(nT)為nT時(shí)刻電流值，單位為安培，T為電流采樣周期。

CAN通訊：CAN總線(xiàn)是德國B(niǎo)OSCH公司從20世紀80年代初為解決現代汽車(chē)中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議，它是一種多主總線(xiàn)，通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光導纖維，通信速率可達1 Mbit·s-1。數據長(cháng)度最多為8 Byte，不會(huì )占用總線(xiàn)時(shí)間過(guò)長(cháng)，從而保證通信的實(shí)時(shí)性;CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。MC9S12XEC128單片機具有兩路CAN控制器，主板的一路CAN控制器用于主從板的內部CAN通訊，另外一路用于主板和整車(chē)控制器(ECU)的通訊。系統中CAN通訊速率設置為250 kbit·s-1，通信周期為100 ms。

外部CAN采用周立功CTM8251T通用CAN隔離收發(fā)器，CTM8251內部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收發(fā)器件。芯片的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線(xiàn)的差分電平并且具有DC2500V的隔離功能，符合ISO11898標準，其原理如圖4所示。

內部CAN通信采用TLE6250G作為CAN收發(fā)器，TLE6250采用P-DSO-8-3封裝，體積小，數據傳輸速度可達1 Mbit·s-1，應用于12 V或24 V的汽車(chē)和工業(yè)系統中，其原理如圖5所示。

3 數據監控和采集系統

數據監控和采集系統采用Visual C#2010軟件平臺，通過(guò)周立功USB—CAN II智能卡和CAN—bus接口庫函數接收BMS的實(shí)時(shí)CAN采樣數據，在上位機軟件中進(jìn)行數據解碼和實(shí)時(shí)監控顯示，通過(guò)Access數據庫存儲數據，數據可直接轉出保存為Excel格式。數據庫和存儲的Excel文件中包括3組電池的63個(gè)模塊電壓值，36路溫度值，總電壓，總電流和3個(gè)支路電流，主從板中的Soc值及存儲時(shí)間，可完整地記錄車(chē)輛的運行狀態(tài)，用于后期電池狀態(tài)研究。

周立功CAN—bus接口庫函數使用方法：將庫函數文件均放在工作目錄下。庫函數文件總共有3個(gè)文件：ControlCAN.h、ControlCAN.lib、ControlCAN.dll和文件夾kerne ldlls，程序中通過(guò)DllImport函數導入dll動(dòng)態(tài)庫，并聲明庫中包含的數據結構和函數。接口函數使用流程。

4 Arbin公司的電動(dòng)汽車(chē)測試系統

美國Arbin公司的電動(dòng)汽車(chē)測試系統(EVTS)通過(guò)基于電池管理系統的數據監控和采集系統所保存的車(chē)輛外路路況的實(shí)際電池數據，在實(shí)驗室可以模擬電池在原來(lái)車(chē)輛外路路況時(shí)的工作狀態(tài)。Arbin的電動(dòng)汽車(chē)測試系統(EVTS)是一系列大功率自動(dòng)電池測試系統，專(zhuān)門(mén)用于電動(dòng)汽車(chē)或混合電動(dòng)車(chē)電池的研究測試。系統提供了可編程電源和電子負載用于自動(dòng)充放電測試及模擬仿真測試，設備具有輔助電壓測試、輔助溫度測試及CAN BUS通訊等擴展功能。本方案中采用的EVTS可同時(shí)獲得雙路400 V/200 A的輸出，兩路并聯(lián)可以得到400 V/400 A輸出。汽車(chē)純電動(dòng)工作時(shí)限定電池最大放電電流為360 A，故該系統可以完全模擬汽車(chē)實(shí)際運行過(guò)程中的電池充放電狀態(tài)。電池的工況實(shí)驗主要是通過(guò)Arbin的電動(dòng)汽車(chē)測試系統(EVTS)的上位機控制軟件MITS中的可編程仿真功能來(lái)實(shí)現，但仿真數據依賴(lài)于客車(chē)外路測試時(shí)通過(guò)數據監控和采集系統存儲下來(lái)的電池數據。

MITS軟件的可編程仿真是將輸入的從非配置的動(dòng)態(tài)機制中獲得的數據作為一個(gè)控制函數，來(lái)控制測試系統到電池的輸出值。

(1)使能仿真控制。仿真控制選項可通過(guò)系統配置arbinSys.cfg中，高級選項目錄下的仿真控制打開(kāi)。如果此選項未被勾選，那么在控制方式中的4種仿真功能是不可用的。通過(guò)仿真控制，用戶(hù)可方便地使用仿真文件中的數據作為復雜控制的參數得到任意的、瞬態(tài)的函數。仿真文件必須保存為文本文件，存放在C：ArbinsoftwareMits_ProData目錄下，文件中，時(shí)間和電流作為獨立的兩列存放，且沒(méi)有列名，只包含數據，兩列之間用tab鍵隔開(kāi)，時(shí)間和電流的單位分別為秒和安培，電流的正負表示充放。

(2)編輯仿真選項表。

1)在測試選項表中，選擇控制方式，同時(shí)指定仿真文件?？刂品绞娇墒请娏?、電壓或功率仿真。

2)指定仿真文件，右鍵單擊控制值下面的區域，選擇指定仿真文件，在彈出的對話(huà)框中選擇需要進(jìn)行仿真的文件。

3)設置程序中的一些限定條件，包括最大充放電電壓，電流，采樣時(shí)間和程序運行時(shí)間。

5 工況模擬仿真結果

仿真數據采用原有車(chē)輛外路實(shí)際測試時(shí)，BMS采樣的電流數據，電流的控制間隔設置為0.3 s，整個(gè)過(guò)程時(shí)間為50 min，Arbin的MITS上位機控制軟件的采樣周期設置為100 ms，測試過(guò)程為純電動(dòng)模式，當電池的Soc高于70%時(shí)，電池不進(jìn)行制動(dòng)回饋，當電池電量低于70%時(shí)，有制動(dòng)回饋過(guò)程，整個(gè)過(guò)程包括啟動(dòng)加速，連續爬坡，連續下坡及連續加速和制動(dòng)回饋。實(shí)際外路和仿真模擬時(shí)Arbin采樣的電壓曲線(xiàn)如圖10所示，電流曲線(xiàn)如圖11所示。

對比圖可知，采用Arbin電動(dòng)汽車(chē)測試系統(EVTS)可較好地獲得與外路測試相同的電池工作狀態(tài)。

原外路測試和仿真模擬實(shí)驗數據對比。原外路測試數據：初始Soc=85，測試結束Soc=37，全程Soc減少48%，放電量為57.6 Ah。仿真模擬時(shí)Arbin電動(dòng)汽車(chē)測試系統總放電量為72.587 Ah，總充電量為14.87 Ah，電量消耗為57.717 Ah，折合電池Soc變化量為48%。模擬仿真時(shí)BMS數據：初始Soc=83，仿真結束Soc=33，Soc減少50%，放電量為60 Ah。

仿真測試時(shí)BMS測得的放電量大于A(yíng)rbin電動(dòng)汽車(chē)測試系統原因分析：由圖1中高壓控制箱的連接可看出，充電槍與電池輸出端并聯(lián)，而系統開(kāi)始工作時(shí)，車(chē)上的一部分用電器的電由電池輸出，測得平常工作是的輸出電流約為2.5 A，測試時(shí)間為50 min，即車(chē)上用電器的耗電量為2.08 Ah，總電量消耗為59.797 Ah，同時(shí)考慮BMS中關(guān)于電池充電效率的問(wèn)題，故測量數據有效。該測試不僅可以模擬外路運行情況，同時(shí)，可通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)測試系統計算出該過(guò)程中車(chē)輛的制動(dòng)回饋能量，實(shí)驗中在Soc變化量為48%，時(shí)，車(chē)輛制動(dòng)回饋能量為14.87 Ah，回饋的Soc為12.39%。

實(shí)驗室模擬的后半部分實(shí)際外路，Arbin采樣和模擬實(shí)驗時(shí)BMS采樣的電壓波形如圖12所示，電流波形如圖13所示。對比電壓電流曲線(xiàn)可以看出，實(shí)驗室模擬仿真可以很好地跟蹤外路實(shí)驗數據，但BMS為了保證采樣的實(shí)時(shí)性，采樣數據的上傳的實(shí)時(shí)性受到一定的影響，后期在實(shí)驗數據同步性方面還需要進(jìn)行改進(jìn)。

6 結束語(yǔ)

結合現有實(shí)驗條件，通過(guò)Arbin的MITS上位機控制軟件，以電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統的實(shí)際外路測試數據為依托，在實(shí)驗室中就可以很好地模擬出外路實(shí)驗的電池狀態(tài)。實(shí)驗證明，模擬實(shí)驗可以基本替代對電池的外路實(shí)驗，獲得比原來(lái)基于臺架實(shí)驗更精確的電池數據，簡(jiǎn)化了實(shí)驗過(guò)程，同時(shí)，實(shí)驗中電池的放電可以通過(guò)Arbin電動(dòng)汽車(chē)測試系統直接回饋電網(wǎng)，使電能得到循環(huán)利用，節省了實(shí)驗時(shí)間和成本。