電動汽車動力電池工況模擬實驗方案設計

摘要 在電動汽車動力電池實際應用中，需經過長時間的實際路況測試，實驗周期長、過程繁雜，且成本高。為解決這一問題，在基于飛思卡爾MC9S12XEG128單片機的電池管理系統(tǒng)(BMS)及C#數據采集監(jiān)控系統(tǒng)實測數據基礎上，基于Arbin的電動汽車測試系統(tǒng)(EVTS)設計動力電池的工況模擬實驗平臺，實現了對電池多參數的實時采樣、顯示、存儲及實際路況模擬測試，從而實現了在實驗室獲得實車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車測試相同的結果。

隨著環(huán)境污染的加劇，電動汽車以其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢越來越受到重視，在電動汽車的研究和發(fā)展上，車載動力電池及其管理系統(tǒng)的研究與制造占據著重要的位置。伴隨著電動汽車技術的成熟，電動汽車也逐漸從實驗品轉化為產品。在電動車輛測試中，電池的實際路況測試具有重要的地位，但在應用中，實際路況測試周期較長、成本較高，而臺架模擬和實際運行有差別。通過本實驗方案的設計可簡化該測試過程。該方案依托電池管理系統(tǒng)(BMS)和基于電池管理系統(tǒng)的數據監(jiān)控和采集系統(tǒng)采集的插電式鎳氫快充混合動力客車外路測試電池數據，采用美國Arbin公司的電動汽車測試系統(tǒng)(EVTS)的MITS上位機控制軟件進行模擬仿真，可在實驗室獲得與外路實驗相同的電池測試數據，同時電池的放電通過測試系統(tǒng)回饋電網，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(jié)省實驗成本。

1 插電式鎳氫快充混合動力客車

插電式鎳氫快充混合動力客車采用3組300 V/40 Ah電池組并聯組成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，全密封免維護的優(yōu)點。客車工作在純電動和混合動力模式，電池剩余電量(Soc)40%時工作在混合動力模式，>40%，時工作在純電動模式，工作模式切換如圖2所示;純電動模式時最高時速為70 km/h，該車作為公交車使用，一般工作于純電動模式，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，實現充電10 min，運行30 km的性能。

2 電池管理系統(tǒng)(BMS)

電池管理系統(tǒng)采用分布式主從結構，每套從系統(tǒng)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(tǒng)保護和主從內部CAN通訊及主控和整車控制器(ECU)的CAN通訊，結構如圖3所示。系統(tǒng)中電流的采樣間隔為10 ms，可滿足電量安時法的計算要求，電池Soc的計算采用安時積分法加校正來確定。

電池剩余電量(Soc)安時法計算公式如下

式中，α(t)為充放電效率，與電池溫度和Soc有關，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時刻電池電量，Q(0)為電池初始電量，單位Ah，i(nT)為nT時刻電流值，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80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，通信速率可達1 Mbit·s-1。數據長度最多為8 Byte，不會占用總線時間過長，從而保證通信的實時性;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控制器(ECU)的通訊。系統(tǒng)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的汽車和工業(yè)系統(tǒng)中，其原理如圖5所示。

3 數據監(jiān)控和采集系統(tǒng)

數據監(jiān)控和采集系統(tǒng)采用Visual C#2010軟件平臺，通過周立功USB—CAN II智能卡和CAN—bus接口庫函數接收BMS的實時CAN采樣數據，在上位機軟件中進行數據解碼和實時監(jiān)控顯示，通過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個模塊電壓值，36路溫度值，總電壓，總電流和3個支路電流，主從板中的Soc值及存儲時間，可完整地記錄車輛的運行狀態(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個文件：ControlCAN.h、ControlCAN.lib、ControlCAN.dll和文件夾kerne ldlls，程序中通過DllImport函數導入dll動態(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公司的電動汽車測試系統(tǒng)

美國Arbin公司的電動汽車測試系統(tǒng)(EVTS)通過基于電池管理系統(tǒng)的數據監(jiān)控和采集系統(tǒng)所保存的車輛外路路況的實際電池數據，在實驗室可以模擬電池在原來車輛外路路況時的工作狀態(tài)。Arbin的電動汽車測試系統(tǒng)(EVTS)是一系列大功率自動電池測試系統(tǒng)，專門用于電動汽車或混合電動車電池的研究測試。系統(tǒng)提供了可編程電源和電子負載用于自動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可同時獲得雙路400 V/200 A的輸出，兩路并聯可以得到400 V/400 A輸出。汽車純電動工作時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際運行過程中的電池充放電狀態(tài)。電池的工況實驗主要是通過Arbin的電動汽車測試系統(tǒng)(EVTS)的上位機控制軟件MITS中的可編程仿真功能來實現，但仿真數據依賴于客車外路測試時通過數據監(jiān)控和采集系統(tǒng)存儲下來的電池數據。

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

(1)使能仿真控制。仿真控制選項可通過系統(tǒng)配置arbinSys.cfg中，高級選項目錄下的仿真控制打開。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。通過仿真控制，用戶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，時間和電流作為獨立的兩列存放，且沒有列名，只包含數據，兩列之間用tab鍵隔開，時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，在彈出的對話框中選擇需要進行仿真的文件。

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

5 工況模擬仿真結果

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

對比圖可知，采用Arbin電動汽車測試系統(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Arbin電動汽車測試系統(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BMS測得的放電量大于Arbin電動汽車測試系統(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，而系統(tǒng)開始工作時，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，同時考慮BMS中關于電池充電效率的問題，故測量數據有效。該測試不僅可以模擬外路運行情況，同時，可通過電動汽車測試系統(tǒng)計算出該過程中車輛的制動回饋能量，實驗中在Soc變化量為48%，時，車輛制動回饋能量為14.87 Ah，回饋的Soc為12.39%。

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

6 結束語

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