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      開發動力電池仿真管理模擬方案

      要長高

      描述

      APS (Advanced Power System)

      是德科技新一代電源系統,是最高水平的多功能程控電源,同時配置了強大的分析能力。功率范圍從1KW-20KW 單機,通過并機可擴展至400KW。

      電池模擬 (BSS)

      開發動力電池管理電路(BMU)工程師的必備,用于BMU開發和測試過程中電池的仿真。

      鋰電池的最基本單元叫做電芯(Cell),常見的有軟包電芯、圓柱電芯和方形鋁殼電芯,3.7V是鋰離子電芯的標稱電壓,容量則是正常電壓區電壓范圍內的電量總和。將多個電芯通過串、并聯組合成電池模組,多個電池模組最后組合成高電壓等級、高容量的電池包,如Tesla的電池包就是有7000多個18650(新電池包采用21700)圓柱型電芯組合而成。國內電動汽車主流采用單體容量更大的鋁殼方形電芯組成。

      電池管理電路(BMS)管理著電芯和電池的工作狀態,包括充、放電、溫度、工作電壓等等,讓電池工作在安全的區域,確保在不同環境和工作場景中充分利用電池的能量,延長電池使用壽命,避免電池的損壞和安全隱患。

      因此,BMS設計和性能品質對電池組來說是至關重要的。然而BMS的設計和測試絕非普通的電源管理(PMS)那么簡單。因為BMU的一邊是如同黑匣子一般的電池,另一邊是復雜的用電負載和充電設備。讓我們先深入這個黑匣子看看究竟。

      電池的電壓等級和標稱容量

      這是所有電池廠家可以提供給BMS開發工程師的最基本的參數。如下圖所示

      poYBAGK-mEGAOwCeAACvAugb--U099.png

      但對于BMS研發和工程師來說,電池廠家給出的這兩個簡單的參數夠用嗎??。?!

      電池內阻:關于這個問題,我想多嘮叨幾句

      電池內阻是電池內部等效串聯電阻Rs,通常稱為電池交流內阻(ACR),或直流內阻(DCR)

      poYBAGK-mEmALvZ0AADnrTPzy8Y219.png

      如下圖,內阻直接影響電池充放電過程中的端電壓

      1. 電芯在開路(不充放電)時,電壓端電壓等于開路電壓3.79V;

      2. 1A放電時,電流出入電池,電池端電壓降低到3.316V;

      3. 1A充電時,電流流入電池,電池端電壓上升到3.95V;

      poYBAGK-mFWAFVspAAKbK0tZIyo434.png

      需要提醒的是:電池的內阻和一般意義上的物理電阻不同。電池內阻可分為極化內阻和歐姆內阻,歐姆內阻于電流隨線性變化,而極化內阻主要取決于電極材料,電解液,隔膜等,這會導致電池在充、放電過程中的端電壓呈現出較為復雜的變化狀態。

      如下圖所示,我們利用APS電源拉載脈沖電流,同時利用其200KSa/s(18bit)高速采樣能力監測電池的端電壓,可以看到其變化呈現3個不同階段。

      pYYBAGK-mF6ARO6_AADc3hUsY1M017.png

      1) ?V1為電池電壓隨電流突變,表現為交流內阻ACR,?V1/I2;

      2) ?V2為電池極化過程電壓的變化,表現為直流內阻DCR,(?V2+?V1)/I2;

      3)?V3為電池在電流I充電時電壓上升率,體現了電池的容量C=I2*t/?V3.

      還要特別注意的是,SoC及溫度對電池的內阻影響極大。例如一種電芯,從常溫25℃、Soc為100%時的內阻,相比于低溫-20℃、SoC為10%,內阻值可以相差55倍!

      電池內阻直接限制了電池的快充和大電流放電,進而會影響實際放電容量。(注意:電池內阻不僅僅是電芯的內阻,還應包括電池保護/管理電路的引線,電池到電路輸入端的引線電阻)。

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      因此,在測試BMS的時候,必須對在不同工作場景下電池的內阻做最充分的考慮!

      電池容量分布

      ——單位容量對應的電壓區間大小,或單位電壓區間對應的容量大小。

      pYYBAGK-mG6AGUiGAAFdMZL_AlU273.png

      如上圖所示,假設A、B、C、D四個電芯標稱容量相同,而且當前開路電壓也都相同,但想一想,當前電量也相同嗎?電量分布對電池特性有何影響,有多大的影響?針對以上這4種特性的電池,哪一種不適合快充、哪一種不適合快放呢?結合上述提到的知識,應該不難得出結論吧!

      這些搞清楚了,就可以幫助工程師更好設計和測試BMS了。但BMS測試時,有不少的工程師通常直接連上鋰電池組進行測試。但鋰電池是一種化學能源,本身不可控,很難讓它處于測試要求的工作狀態,也缺乏必要的保護,導致工程師的測試工作舉步維艱,費時費力,不得不徹夜加班,疲憊不堪!

      1) 動力電池容量大,改變電池的電壓,必須對其進行完整的充、放電,費時費力費錢。

      2) 在進行過壓、欠壓、過流、高溫等測試時,尚未確保工作性能的電池管理電路,可能會導致電池使用的安全隱患和危險。

      利用電池模擬系統(BSS)來替代電池進行BMS、PCS,OBC等電源轉換模塊的功能和性能驗證是科學的選擇。有用電源+負載組合構建BSS方案,也有用雙向電源構建的。既然是模擬電池,就需要BSS特性在關鍵性能上最接近于真實電池。對此,我們給出以下3個重要提示:

      提示1:

      電流輸出和吸收無縫轉換

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      理想的電池一個恒壓源,而且在輸出電流和吸收電流轉換時是無縫,即電池電壓不會因為電流的正負變化而突變,如上圖所示。但如果采用獨立的電源+負載組合的BSS,模擬電池恒壓源特性,電源和負載工作于恒壓CV模式下,且電子負載電壓要稍高于電源。

      同時為了防止電源電流反灌損壞,必須在電源的輸出端串聯一個阻塞二極管。如下圖所示,該電池模擬器在電流正、負切換時,就會造成電池電壓的突變。

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      因此,利用雙向無縫切換能力的APS來仿真電池,就可以避免這個問題。

      提示2:

      電池內阻模擬和UVP(欠壓保護)

      前面我們提到,電池內阻對電池的充電,放電時的端電壓影響巨大,尤其針對電池快充和高倍率放電等性能的驗證。同時,電池的電壓必須時刻工作于電池的正常工作電壓區,當電壓進入到電壓預警區時,電池模擬器應該切斷電池的供電。

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      過壓保護OVP是測試電源標配的功能,但APS同時提供獨特的欠壓保護UVP功能,可以很好的起到電壓低于預警的保護。另外,OVP和UVP保護響應時間也是非常重要的性能,例如APS的電壓保護的典型響應時間小于30uS。

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      下圖為APS電腦端程控軟件BV9200,使用ARB任意波形分別施加10A,-10A,0A三個中幅值電流時,APS電源模擬48V電池,內阻0.1Ω時,電壓和電流變化。

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      APS電池內阻模擬性能

      提示3:

      電壓瞬態響應

      瞬態響應是指電源在負載電流突變時,電壓跌落和過沖的波形特征,評價指標有響應時間為電壓恢復到輸出值的持續時間,和過沖幅度百分比或絕對電壓值。

      鋰電池的瞬態響應時間幾乎接近0,任何直流電源的瞬態響應速度都不可能優于鋰電池。如下圖所示,上述RP7946A模擬的48V電池,在電流0-20A變化時,電壓波動極?。?.5V/48V,約1%)

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