電動(dòng)汽車動(dòng)力電池工況模擬實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

摘要 在電動(dòng)汽車動(dòng)力電池實(shí)際應(yīng)用中，需經(jīng)過長時(shí)間的實(shí)際路況測試，實(shí)驗(yàn)周期長、過程繁雜，且成本高。為解決這一問題，在基于飛思卡爾MC9S12XEG128單片機(jī)的電池管理系統(tǒng)(BMS)及C#數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，基于Arbin的電動(dòng)汽車測試系統(tǒng)(EVTS)設(shè)計(jì)動(dòng)力電池的工況模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池多參數(shù)的實(shí)時(shí)采樣、顯示、存儲(chǔ)及實(shí)際路況模擬測試，從而實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室獲得實(shí)車外路測試相同的電池工作數(shù)據(jù)。測試結(jié)果表明，該方案可獲得與外路實(shí)車測試相同的結(jié)果。

隨著環(huán)境污染的加劇，電動(dòng)汽車以其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢越來越受到重視，在電動(dòng)汽車的研究和發(fā)展上，車載動(dòng)力電池及其管理系統(tǒng)的研究與制造占據(jù)著重要的位置。伴隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的成熟，電動(dòng)汽車也逐漸從實(shí)驗(yàn)品轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。在電動(dòng)車輛測試中，電池的實(shí)際路況測試具有重要的地位，但在應(yīng)用中，實(shí)際路況測試周期較長、成本較高，而臺(tái)架模擬和實(shí)際運(yùn)行有差別。通過本實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)可簡化該測試過程。該方案依托電池管理系統(tǒng)(BMS)和基于電池管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控和采集系統(tǒng)采集的插電式鎳氫快充混合動(dòng)力客車外路測試電池?cái)?shù)據(jù)，采用美國Arbin公司的電動(dòng)汽車測試系統(tǒng)(EVTS)的MITS上位機(jī)控制軟件進(jìn)行模擬仿真，可在實(shí)驗(yàn)室獲得與外路實(shí)驗(yàn)相同的電池測試數(shù)據(jù)，同時(shí)電池的放電通過測試系統(tǒng)回饋電網(wǎng)，電能可循環(huán)使用，該方案具有良好的可復(fù)制性，可在較大程度上節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本。

1 插電式鎳氫快充混合動(dòng)力客車

插電式鎳氫快充混合動(dòng)力客車采用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題，稱為“綠色電池”，目前鎳氫電池所能達(dá)到的性能指標(biāo)為：能量密度(3 h)為55～70 Wh/kg，功率密度為160～500 W/kg，快速充電從滿容量的40%充到80%為15 min，循環(huán)使用壽命超過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，無重金屬污染，全密封免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。客車工作在純電動(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，該車作為公交車使用，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(xiàn)充電10 min，運(yùn)行30 km的性能。

2 電池管理系統(tǒng)(BMS)

電池管理系統(tǒng)采用分布式主從結(jié)構(gòu)，每套從系統(tǒng)負(fù)責(zé)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(jì)算以及和主控板的CAN通訊。主控板負(fù)責(zé)總電流，總電壓的采樣，電池剩余電量的計(jì)算，故障判斷，系統(tǒng)保護(hù)和主從內(nèi)部CAN通訊及主控和整車控制器(ECU)的CAN通訊，結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)中電流的采樣間隔為10 ms，可滿足電量安時(shí)法的計(jì)算要求，電池Soc的計(jì)算采用安時(shí)積分法加校正來確定。

電池剩余電量(Soc)安時(shí)法計(jì)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(shù)字積分計(jì)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總線是德國BOSCH公司從20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率可達(dá)1 Mbit·s-1。數(shù)據(jù)長度最多為8 Byte，不會(huì)占用總線時(shí)間過長，從而保證通信的實(shí)時(shí)性;CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。MC9S12XEC128單片機(jī)具有兩路CAN控制器，主板的一路CAN控制器用于主從板的內(nèi)部CAN通訊，另外一路用于主板和整車控制器(ECU)的通訊。系統(tǒng)中CAN通訊速率設(shè)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(nèi)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(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平并且具有DC2500V的隔離功能，符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，其原理如圖4所示。

內(nèi)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(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)1 Mbit·s-1，應(yīng)用于12 V或24 V的汽車和工業(yè)系統(tǒng)中，其原理如圖5所示。

3 數(shù)據(jù)監(jiān)控和采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)監(jiān)控和采集系統(tǒng)采用Visual C#2010軟件平臺(tái)，通過周立功USB—CAN II智能卡和CAN—bus接口庫函數(shù)接收BMS的實(shí)時(shí)CAN采樣數(shù)據(jù)，在上位機(jī)軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼和實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示，通過Access數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可直接轉(zhuǎn)出保存為Excel格式。數(shù)據(jù)庫和存儲(chǔ)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(chǔ)時(shí)間，可完整地記錄車輛的運(yùn)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(shù)使用方法：將庫函數(shù)文件均放在工作目錄下。庫函數(shù)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DllImport函數(shù)導(dǎo)入dll動(dòng)態(tài)庫，并聲明庫中包含的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)。接口函數(shù)使用流程。

4 Arbin公司的電動(dòng)汽車測試系統(tǒng)

美國Arbin公司的電動(dòng)汽車測試系統(tǒng)(EVTS)通過基于電池管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控和采集系統(tǒng)所保存的車輛外路路況的實(shí)際電池?cái)?shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)室可以模擬電池在原來車輛外路路況時(shí)的工作狀態(tài)。Arbin的電動(dòng)汽車測試系統(tǒng)(EVTS)是一系列大功率自動(dòng)電池測試系統(tǒng)，專門用于電動(dòng)汽車或混合電動(dòng)車電池的研究測試。系統(tǒng)提供了可編程電源和電子負(fù)載用于自動(dòng)充放電測試及模擬仿真測試，設(shè)備具有輔助電壓測試、輔助溫度測試及CAN BUS通訊等擴(kuò)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(tǒng)可以完全模擬汽車實(shí)際運(yùn)行過程中的電池充放電狀態(tài)。電池的工況實(shí)驗(yàn)主要是通過Arbin的電動(dòng)汽車測試系統(tǒng)(EVTS)的上位機(jī)控制軟件MITS中的可編程仿真功能來實(shí)現(xiàn)，但仿真數(shù)據(jù)依賴于客車外路測試時(shí)通過數(shù)據(jù)監(jiān)控和采集系統(tǒng)存儲(chǔ)下來的電池?cái)?shù)據(jù)。

MITS軟件的可編程仿真是將輸入的從非配置的動(dòng)態(tài)機(jī)制中獲得的數(shù)據(jù)作為一個(gè)控制函數(shù)，來控制測試系統(tǒng)到電池的輸出值。

(1)使能仿真控制。仿真控制選項(xiàng)可通過系統(tǒng)配置arbinSys.cfg中，高級(jí)選項(xiàng)目錄下的仿真控制打開。如果此選項(xiàng)未被勾選，那么在控制方式中的4種仿真功能是不可用的。通過仿真控制，用戶可方便地使用仿真文件中的數(shù)據(jù)作為復(fù)雜控制的參數(shù)得到任意的、瞬態(tài)的函數(shù)。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(dú)立的兩列存放，且沒有列名，只包含數(shù)據(jù)，兩列之間用tab鍵隔開，時(shí)間和電流的單位分別為秒和安培，電流的正負(fù)表示充放。

(2)編輯仿真選項(xiàng)表。

1)在測試選項(xiàng)表中，選擇控制方式，同時(shí)指定仿真文件。控制方式可是電流、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(qū)域，選擇指定仿真文件，在彈出的對(duì)話框中選擇需要進(jìn)行仿真的文件。

3)設(shè)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(yùn)行時(shí)間。

5 工況模擬仿真結(jié)果

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

對(duì)比圖可知，采用Arbin電動(dòng)汽車測試系統(tǒng)(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(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。原外路測試數(shù)據(jù)：初始Soc=85，測試結(jié)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)汽車測試系統(tǒng)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(shù)據(jù)：初始Soc=83，仿真結(jié)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Arbin電動(dòng)汽車測試系統(tǒng)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(tǒng)開始工作時(shí)，車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題，故測量數(shù)據(jù)有效。該測試不僅可以模擬外路運(yùn)行情況，同時(shí)，可通過電動(dòng)汽車測試系統(tǒng)計(jì)算出該過程中車輛的制動(dòng)回饋能量，實(shí)驗(yàn)中在Soc變化量為48%，時(shí)，車輛制動(dòng)回饋能量為14.87 Ah，回饋的Soc為12.39%。

實(shí)驗(yàn)室模擬的后半部分實(shí)際外路，Arbin采樣和模擬實(shí)驗(yàn)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(duì)比電壓電流曲線可以看出，實(shí)驗(yàn)室模擬仿真可以很好地跟蹤外路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但BMS為了保證采樣的實(shí)時(shí)性，采樣數(shù)據(jù)的上傳的實(shí)時(shí)性受到一定的影響，后期在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同步性方面還需要進(jìn)行改進(jìn)。

6 結(jié)束語

結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，通過Arbin的MITS上位機(jī)控制軟件，以電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的實(shí)際外路測試數(shù)據(jù)為依托，在實(shí)驗(yàn)室中就可以很好地模擬出外路實(shí)驗(yàn)的電池狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)證明，模擬實(shí)驗(yàn)可以基本替代對(duì)電池的外路實(shí)驗(yàn)，獲得比原來基于臺(tái)架實(shí)驗(yàn)更精確的電池?cái)?shù)據(jù)，簡化了實(shí)驗(yàn)過程，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中電池的放電可以通過Arbin電動(dòng)汽車測試系統(tǒng)直接回饋電網(wǎng)，使電能得到循環(huán)利用，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間和成本。