CN107907754A - 电动汽车非车载充电机测试用电池模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动汽车非车载充电机测试用电池模拟器，其包括依次电连接的锂电池组、用于管理锂电池组的BMS电池管理系统、以及用于外接电源或/和测试系统的双向DC/DC直流变换器；锂电池组通过双向DC/DC直流变换器向测试系统提供电源或外接电源通过双向DC/DC直流变换器给参与测试系统的工作的锂电池组充电。双向DC/DC直流变换器为非隔离半桥式。本发明设计合理、结构紧凑且使用方便。

Description

电动汽车非车载充电机测试用电池模拟器

技术领域

本发明涉及电动汽车非车载充电机测试用电池模拟器；本发明涉及新能源测试领域，尤其涉及一种电动汽车非车载充电机测试用电池模拟器。

背景技术

目动汽车的种类：纯电动汽车(BEV)、混合动力汽车(PHEV)、燃料电池汽车(FCEV)；纯电动汽车由电动机驱动的汽车。

纯电动汽车，相对燃油汽车而言，主要差别（异）在于四大部件，驱动电机，调速控制器、动力电池、车载充电器。相对于加油站而言，它由公用超快充电站。纯电动汽车之品质差异取决于这四大部件，其价值高低也取决于这四大部件的品质。纯电动汽车的用途也在四大部件的选用配置直接相关。

纯电动汽车时速快慢，和启动速度取决于驱动电机的功率和性能，其续行里程之长短取决于车载动力电池容量之大小，车载动力电池之重量取决于选用何种动力电池如铅酸、锌碳、锂电池等，它们体积，比重、比功率、比能量、循环寿命都各异。这取决于制造商对整车档次的定位和用途以及市场界定、市场细分。

纯电动汽车的驱动电机有直流有刷、无刷、有永磁、电磁之分，再有交流步进电机等，它们的选用也与整车配置、用途、档次有关。另外驱动电机之调速控制也分有级调速和无级调速，有采用电子调速控制器和不用调速控制器之分。电动机有轮毂电机、内转子电机、有单电机驱动、多电机驱动和组合电机驱动等。

优点：技术相对简单成熟，只要有电力供应的地方都能够充电。

缺点：蓄电池单位重量储存的能量太少，还因电动车的电池较贵，又没形成经济规模，故购买价格较贵，至于使用成本，有些使用价格比汽车贵，有些价格仅为汽车的1/3，这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价格。

混合动力

指能够至少从下述两类车载储存的能量中获得动力的汽车：

可消耗的燃料或可再充电能/能量储存装置。

根据动力系统结构形式可分为以下三类：

串联式混合动力汽车（SHEV）：车辆的驱动力只来源于电动机的混合动力(电动)汽车。结构特点是发动机带动发电机发电，电能通过电机控制器输送给电动机，由电动机驱动汽车行驶。另外，动力电池也可以单独向电动机提供电能驱动汽车行驶。

并联式混合动力汽车（PHEV）：车辆的驱动力由电动机及发动机同时或单独供给的混合动力(电动)汽车。结构特点是并联式驱动系统可以单独使用发动机或电动机作为动力源，也可以同时使用电动机和发动机作为动力源驱动汽车行驶。

混联式混合动力汽车（CHEV）：同时具有串联式、并联式驱动方式的混合动力(电动)汽车。结构特点是可以在串联混合模式下工作，也可以在并联混合模式下工作，同时兼顾了串联式和并联式的特点。

（注：随着混合动力电动汽车技术的发展，其类型不局限于以上几种，还可按照其它型式划分。）

那些通常采用传统燃料的，同时配以电动机/发动机来改善低速动力输出和燃油消耗。国内市场上，混合动力车辆的主流都是汽油混合动力，而国际市场上柴油混合动力车型发展也很快。

优点：

1．采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。

2．因为有了电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。

3．在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现“零”排放。

4．有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。

5．可以利用现有的加油站加油，不必再投资。

6．可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。

缺点：长距离高速行驶基本不能省油。

燃料电池

以燃料电池作为动力电源的汽车。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此

电动汽车

电动汽车

燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2~3倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。

单个的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的动力，满足车辆使用的要求。

近几年来，燃料电池技术已经取得了重大的进展。世界著名汽车制造厂，如戴姆勒－克莱斯勒、福特、丰田和通用汽车公司已经宣布，计划在2004年以前将燃料电池汽车投向市场。当下，燃料电池轿车的样车正在进行试验，以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正在进行示范项目。在开发燃料电池汽车中仍然存在着技术性挑战，如燃料电池组的一体化，提高商业化电动汽车燃料处理器和辅助部汽车制造厂都在朝着集成部件和减少部件成本的方向努力，并已取得了显著的进步。

与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点：

1．零排放或近似零排放。

2．减少了机油泄露带来的水污染。

3．降低了温室气体的排放。

4．提高了燃油经济性。

5．提高了发动机燃烧效率。

6．运行平稳、无噪声。

目前，电动汽车非车载充电机实验室测试负载常采用纯阻性负载和回馈式电子负载两种类型；由于受现场条件的局限性，现场测试一般采用纯阻性负载，有的会采用电动汽车进行实车实桩测试。但是不管是纯阻性负载、电子负载还是电动汽车都只能模拟电池的一种状态，有的甚至无法模拟真实的电池特性，导致测试结果偏离实际。

发展状况

中国

中国电动汽车重大科技项目的研发开始于2001年，经过两个五年计划的科技攻关以及奥运、世博、“十城千辆”示范平台的应用拉动，中国电动汽车从无到有，技术处于持续进步状态，建立起了具有自主知识产权的电动汽车全产业链技术体系。

到2010底，全国共有25个城市加入“十城千辆”节能与新能源汽车示范推广工程，50多家企业的184个车型进入《节能与新能源汽车示范推广应用工程推荐车型目录》，各地示范运行各类电动汽车超过1万辆，示范运行里程超过2亿公里，累计载客90亿人次以上。电动汽车关键技术总体水平和应用规模位于国际前列，部分领域实现突破性进展。同时，中国的电动汽车在产品研发及示范推广方面已经取得了举世瞩目的成绩。截至2012年6月底，共有83家企业的454款节能与新能源汽车产品进入《节能与新能源汽车示范推广推荐车型目录》。截至2012年3月底，25个示范城市累计推广节能与新能源汽车超过1.9万辆。其中，公共服务领域1.68万辆，建成充（换）电站170座，充电桩6400余个，载客超过90亿人次。

经过十年一剑的历程，中国的电动汽车已经开始从研究开发的阶段进入了产业化的阶段，冉冉升起的中国电动汽车产业正在呈现出蓬勃的生机。

当前，在各种新能源汽车的技术路线中，以混合动力、纯电动汽车和燃料电池汽车为代表的电动汽车被普遍认为是未来汽车能源动力系统转型发展的主要方向，已经成为世界汽车强国和主要汽车制造商发展重点。中国已经是世界汽车产业大国，但“大而不强”，中国未来的汽车工业必须探求新的思路。电动汽车产业有望为中国汽车工业开拓新的增长点。

2010 年年初国际气候组织曾对40 名电动汽车相关行业专家进行访谈，结果表明充电基础设施建设的重要程度在电动汽车发展众多影响因素中排名第2，超过了购买价格因素，仅次于排名第1的电池技术提高因素。充电设施的基础性、关键性作用各方已达成共识。

从国外发展情况来看，尽管国外主要发达国家的充电设施建设还处于起步阶段，但是政府支持力度非常大。从国内发展情况来看，中国充电设施建设主要参与者包括国家电网公司、南方电网公司、普天海油、中石化、比亚迪等企业。近几年来，中国已经投产了一定数量的充电站与充电桩，充电方式有快充、慢充、换电池等多种，先期的工作为后续建设提供了宝贵经验。当下，国家电网公司、南方电网公司、普天海油、中石化等企业已经与多数地方政府签订了战略合作协议，制定了较为明确的建设目标和计划，充电站建设开始呈现加速发展的势头。

尽管充电基础设施建设在国内外普遍得到高度重视，但是当下世界各国都面临着相关技术标准与运营模式不明确等一系列问题，中国亟待在试点基础上加大研究和创新力度，探索一条适合中国国情的充电基础设施发展道路。

国外

世界各国著名的汽车厂商都在加紧研制各类电动汽车，并且取得了一定程度的进展和突破。

第一，日本一直以来，出于对能源危机和环境保护的关注及占领未来世界汽车市场的考虑，日本十分重视电动汽车的研制与开发。从当下世界范围内的整个形势来看，日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在混合动力汽车的产品发展方面，日本居世界领先地位。企业，只有日本的丰田和本田两家汽车公司。1997年12月，丰田汽车公司首先在日本市场上推出了世界上第一款批量生产的混合动力轿车PRIUS。该轿车于2000年7月开始出口北美，同年9月开始出口欧洲，已经在全世界20多个国家上市销售。当下推出的产品已经是多次改进后的第二代产品，其生产工艺更为成熟。根据丰田汽车公司的测试，PRIUS轿车在城市工况下比同等排量的花冠轿车节油44.4%；在市郊节油29.7%，综合节油40.5%。有关统计数据显示，丰田汽车公司已占有全球混合动力汽车市场90%的份额。2004年9月15日，一汽集团与日本丰田汽车公司在北京举行了混合动力汽车合作项目签字仪式，宣布双方在2005年内。共同生产丰田PRIUS混合动力轿车。PRIUS混合动力轿车将在同年进入中国市场。

继PRIUS混合动力轿车之后，丰田汽车公司还推出了ESTIMA混合动力汽车和搭载软混合动力系统的CROWN轿车。丰田汽车公司在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面已经走在了世界的前列。此外。本田汽车公司开发的Insight混合动力电动汽车也已投放市场.供不应求。2002年4月，本田汽车公司在美国市场上投放了Civic混合动力汽车。日产汽车公司宣布，将于2006年向美国市场销售Ahima牌混合动力汽车，这是其于2002年与丰田汽车公司签署联合生产混合动力汽车协议的第一个产品。

第二，美国。美国的汽车公司在电动汽车产业化方面比来自日本的同行逊色不少，三大汽车公司仅仅小批量生产、销售过纯电动汽车，而混合动力和燃料电池电动汽车还未能实现产业化，来自日本的混和动力电动汽车在美国市场上占据了主导地位。

第三，挪威。2012年挪威电动汽车销量达到了1万辆，占当年新车销量的比例达到5.2%，这对人口仅500万人口的挪威来讲颇引人瞩目。挪威市场的电动汽车多为日产Leaf车型，2012年日产Leaf型车在挪威汽车销售市场上排名第13位，其他品牌的电动汽车有Revas和KewetBuddies等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题总的来说是提供一种电动汽车非车载充电机测试用电池模拟器；详细解决的技术问题以及取得有益效果在后述内容以及结合具体实施方式中内容具体描述。

一种电动汽车非车载充电机测试用电池模拟器，包括依次电连接的锂电池组、用于管理锂电池组的BMS电池管理系统、以及用于外接电源或/和测试系统的双向DC/DC直流变换器；

锂电池组通过双向DC/DC直流变换器向测试系统提供电源或外接电源通过双向DC/DC直流变换器给参与测试系统的工作的锂电池组充电。

作为上述技术方案的进一步改进：

双向DC/DC直流变换器为非隔离半桥式。

双向DC/DC直流变换器包括有用于实现锂电池组充放电的ＢＵＣＫ－ＢＯＯＳＴ电路以及用于控制ＢＵＣＫ－ＢＯＯＳＴ电路的处理器。

双向DC/DC直流变换器包括开关IGBTS1、开关IGBTS2、限流电阻R1、限流电阻R2、电容C1、电容C2、以及电感L；

电容C2与电感L组成滤波电路；

测试系统或外接电源一端依次电连接限流电阻R2、开关IGBTS2、电感L、限流电阻R1后电连接锂电池组的正极；锂电池组的负极电连接测试系统或外接电源另一端；

电容C2一端电连接在限流电阻R2与开关IGBTS2之间，电容C2另一端电连接测试系统或外接电源另一端；

开关IGBTS1一端电连接在电感L与开关IGBTS2之间，开关IGBTS1另一端电连接测试系统或外接电源另一端；

电容C1一端电连接在电感L与限流电阻R1之间，电容C1另一端电连接测试系统或外接电源另一端；

处理器用于控制开关IGBTS1、开关IGBTS2的开合；处理器用于控制限流电阻R1、限流电阻R2投切。

在锂电池组充电过程，IGBTS1一直处于关断状态，处理器通过控制IGBTS2的开通时间Ton和关断时间Toff控制占空比来实现BUCK降压电路，实现0-1000V直流到电池充电电压的转换。

处理器为HT77XX芯片。

本发明电动汽车非车载充电机测试用电池模拟器，可动态模拟各种电池特性，测试电压范围100-1000V连续可调，输出额定电流150A,可实现恒流、恒压、恒功率三种模式加载，满足不同电压等级的充电桩测试。同时该电池模拟器配备高效DC/DC非隔离双向变流器，具有输出的电压范围宽、精度高、动态响应快的特点。

该电池模拟器配置BMS仿真电动汽车电池管理系统，可根据需求值自动设置DC/DC双向变流器的输出电压，配合车辆接口模拟器可实现对充电桩的自动充电功能，使测试流程变的简单方便。同时电池管理系统还负责对锂电池组性能参数全程监测，如有异常，BMS电池管理系统会迅速切断对DC/DC双向变流器的输出，保证电池时时处于良好状态，延长电池寿命。由于使用的是真实锂电池组系统，完全再现实车实桩测试工况。测试结果更加真实准确。

本发明电池模拟器可动态模拟电池充电各种特性，系统电压可100-1000V范围内任意调节；由于配备真实锂电池，可真实再现实车实桩测试工况，同时BMS电池管理系统可根据测试需要进行故障模拟，比实车实桩测试更机动灵活。保证了测试结果的准确性和测试工况的多样性。

本发明的有益效果不限于此描述，为了更好的便于理解，在具体实施方式部分进行了更加详细的描述。

附图说明

图1是本发明的逻辑框图。

图2是本发明的电路示意图。

图3是本发明的使用控制图。

具体实施方式

如图1，本发明提出的电池模拟器包括依次电连接的锂电池组、BMS电池管理系统、以及非隔离半桥式双向DC/DC直流变换器三部分组成。

如图2所示；非隔离半桥式双向ＤＣ/ＤＣ变流器电路，通过ＢＵＣＫ－ＢＯＯＳＴ电路的转换实现低压直流和高压直流的转换，也就是蓄电池的充放电过程。

该系统主电路主要由开关IGBTS1、开关IGBTS2、限流电阻R1、限流电阻R2、电容C1、电容C2和电感L组成。U0是蓄电池组电压，Ud是直流输出电压。

在蓄电池充电过程，IGBTS1一直处于关断状态，通过控制IGBTS2的开通时间Ton和关断时间Toff控制占空比来实现BUCK降压电路，实现0-1000V直流到电池充电电压的转换。

DC/DC转换器采用HT77XX芯片用于控制开关IGBTS1、开关IGBTS2、限流电阻R1、限流电阻R2的开合。

HT77XX将脉冲频率调节器（PFM）、N沟道MOSFET、基准电压源和电压检测器集成在一块电路内，具有低静态电流、高转换效率、低起动和持继电压等特性，使得在便携式产品电池电压较低的情况下也可工作，并且延长电池工作时间。

PFM基本工作原理如下：输出电压通过分压电阻与基准电压作比较，并形成一个反馈。当输出电压减小并低于基准电压，PFM的比较器输出发生翻转并触发振荡电路开始工作。振荡电路输出一个固定时间的脉冲，用于控制MOS管的导通；反之，MOS管将截止。其中导通由振荡器控制，而截止时间取决于负载。按这种方法，即可控制输出电压。

当系统负载较轻，PFM工作过程可参考图2。在输出电压由0V升至内部基准电压前，PFM的比较器使能115KHz振荡器并打开MOS管（6.5μS高电平，2.2μS低电平）。由于翻转发生在比较器正端电压低于负端电压时，输出电压纹波将会影响PFM振荡。

当系统负载较重时，输出电压会产生较大的纹波，振荡电路激活并输出脉冲信号控制MOS管，直到比较器的正端电压高于基准电压。当MOS管导通，外部电感电流上升存储电量；当MOS管截止，电感两端电压反向，使电流经过二极管再由电容滤波后供给负载。当电感电流大于输出电流，输出电容用于存储电量。在MOS管刚刚处于截止状态时，由于电感共振作用会形成一个短暂的振荡，输出电容可用于消除电感共振引起的容量偏离。储存在电感上的电量被消耗，输出电容上存储的电量用于向负载提供稳定的电压。当存储的能量被耗尽，电流下降直至二极管截止后将进入下一个周期。

锂电池组：具体锂电池节数、电压等级、电池容量根据实际需要进行配置。

BMS电池管理系统：具有实时监控功能，包括监视电池组荷电状态SOC、电池组及单体电压、电流、温度、绝缘状态等参数；其有完备的锂电池保护功能，包括过充保护、过放保护、过电流保护、短路保护等；保证在充电桩测试过程中锂电池的安全。同时BMS电池管理系统还可与充电桩进行通讯交互，实时对通讯报文进行收发。

DC/DC双向变流器：可模拟多种电池输出特性和电池输入特性，具有双向运行特性，能量可双向流动。其输出可以对多种电池特性进行配置，进行不同节数串并联、不同SOC下电池的充放电特性设置，也可按客户需求自定义电池模型输出。

电感L：

选择正确的电感值需要在体积和转换效率上权衡。在绝大多数应用场合，选用47μF电感即可使HT77XX良好工作。标称值较小的电感价格低廉，可以提供较大输出电流，但输出有较大的纹波并且会降低效率；标称值较大的电感可以减小输出纹波提升转换效率，但会限制输出电流。电感必须有较小的直流等效电阻，通常要小于1Ω。在实际应用中，所选用电感的饱和电流必须远大于流过电感的峰值电流。另外必须选择低EMI、环型铁氧体磁心电感。为得到最高转换效率，最好选用等效电阻小于20mΩ的电感。

输入旁路电容C2：

输入端使用电容可以减小来自电源的瞬时大电流的影响，减小输入电流的纹波并且改善器件EMI影响。输入端电容必须尽量靠近HT77XX的Lx引脚，可以选用22μF到47μF的钽电容或陶瓷电容。

IGBT输出二极管：

肖特基二极管有较低正向管压降和较短的反向恢复时间，可以提高转换效率。在选择二极管时需符合如下特性：

低正向管压降，Vf低于0.3V ；

额定电流大于流通电感的峰值电流

输出滤波电容C1：

输出电容的串联等效电阻将直接影响到输出电压的纹波幅度（纹波幅度受电感峰值电流和电容的串联等效电阻影响）。所以必须选择串联等效电阻较小的电容或使用多个电容并联。在HT77XX应用电路中，可以使用两个并联的22μF的SMD陶瓷电容。下面的公式为输出电容与纹波之间的关系，由公式可以看出输出电容必须有较大的容量和较小的串联等效电阻

能量损耗：

电感能量损耗包括电流损耗和电压损耗，电流损耗是由电感的直流等效电阻引起，电压损耗是由电压在电感线圈上作引起。电感上损耗公式如下：

测试系统图如图3所示，测试原理：以并联的方式连接电网、充电桩、电池模拟器，启动充电桩，BMS电池管理系统会根据实际电池状态对各个阶段充电参数进行配置，并以报文形式与充电桩进行通讯交互，同时BMS电池管理系统会根据报文需求对DC/DC双向变流器进行实时设置，实现了充电桩测试过程中的动态充电流程。充电过程中，BMS电池管理系统一直处于监测状态，锂电池组状态异常时，BMS电池管理系统会迅速切断对DC/DC双向变流器的输出，从而保证了整个电池系统的安全。

本发明设计合理、成本低廉、结实耐用、安全可靠、操作简单、省时省力、节约资金、结构紧凑且使用方便。

本发明充分描述是为了更加清楚的公开，而对于现有技术就不再一一举例。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；作为本领域技术人员对本发明的多个技术方案进行组合是显而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种电动汽车非车载充电机测试用电池模拟器，其特征在于：包括依次电连接的锂电池组、用于管理锂电池组的BMS电池管理系统、以及用于外接电源或/和测试系统的双向DC/DC直流变换器；

锂电池组通过双向DC/DC直流变换器向测试系统提供电源或外接电源通过双向DC/DC直流变换器给参与测试系统的工作的锂电池组充电。

2.根据权利要求1所述的电动汽车非车载充电机测试用电池模拟器，其特征在于: 双向DC/DC直流变换器为非隔离半桥式。

3.根据权利要求2所述的电动汽车非车载充电机测试用电池模拟器，其特征在于: 双向DC/DC直流变换器包括有用于实现锂电池组充放电的ＢＵＣＫ－ＢＯＯＳＴ电路以及用于控制ＢＵＣＫ－ＢＯＯＳＴ电路的处理器。

4.根据权利要求3所述的电动汽车非车载充电机测试用电池模拟器，其特征在于: 双向DC/DC直流变换器包括开关IGBTS1、开关IGBTS2、限流电阻R1、限流电阻R2、电容C1、电容C2、以及电感L；

电容C2与电感L组成滤波电路；

测试系统或外接电源一端依次电连接限流电阻R2、开关IGBTS2、电感L、限流电阻R1后电连接锂电池组的正极；锂电池组的负极电连接测试系统或外接电源另一端；

电容C2一端电连接在限流电阻R2与开关IGBTS2之间，电容C2另一端电连接测试系统或外接电源另一端；

开关IGBTS1一端电连接在电感L与开关IGBTS2之间，开关IGBTS1另一端电连接测试系统或外接电源另一端；

电容C1一端电连接在电感L与限流电阻R1之间，电容C1另一端电连接测试系统或外接电源另一端；

处理器用于控制开关IGBTS1、开关IGBTS2的开合；处理器用于控制限流电阻R1、限流电阻R2的投切。

5.根据权利要求4所述的电动汽车非车载充电机测试用电池模拟器，其特征在于:在锂电池组充电过程，IGBTS1一直处于关断状态，处理器通过控制IGBTS2的开通时间Ton和关断时间Toff控制占空比来实现BUCK降压电路，实现0-1000V直流到电池充电电压的转换。

6.根据权利要求5所述的电动汽车非车载充电机测试用电池模拟器，其特征在于:处理器为HT77XX芯片。