CN112255557A - 一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明针对非车载充电机现场检测用充电负载体积大、重量重而受车辆装载空间、载重以及地下车库限高等外在因素限制的问题，提出了一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置，包括处理器、CAN通信模块、电源模块、人机交互模块以及轻量化充电负载模块。可根据检测需要在线设置电池的类型、规格、温度以及电压等参数，用于模拟不同类型、规格以及参数的动力电池包。采用车载动力电池包级联直流变换器构成轻量化充电负载，同时具备恒压、恒流、恒功率以及恒电阻模式并具有在额定范围内连续调节的能力，在满足充电负载轻量化的同时，实现对非车载充电机的自主测试。

Description

一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟 装置

技术领域

本发明属于电动汽车充电设备现场检测领域，具体涉及一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置。

背景技术

随着全球能源危机的不断加剧和环境问题的日益突出，与传统汽车相比，电动汽车在节能减排方面存在的巨大优势受到各国政府和汽车企业的重视，电动汽车充电基础设施的建设应运而生。电动汽车充电基础设施的运行状态不仅会影响其自身可靠性，还会影响动力电池的使用寿命，因此，对电动汽车充电设备的性能进行测试至关重要。目前，用于电动汽车充电设备性能测试的负载可分为动力电池包和电子负载。云南电力试验研究院研究设计了一种非车载充电机试验测试平台。北京交通大学研究人员开发了基于计算机的“电气性能测试系统”实现充电机电气性能的自动测试。基于组态王软件的非车载充电机自动化检测平台，可以进行安全功能、输出特性以及绝缘性能等试验。可对交流充电桩的电性能及互操作性进行系统测试的电动汽车充电设施自动检测平台。对直流充电机的电性能及互操作性进行系统测试的电动汽车直流充电机自动检测平台。用于充电桩的电参数检测和通信兼容性测试的电动汽车直流充电桩自动检测系统。上述几种测试方法主体硬件平台可分为交流输入控制、直流负载控制和测量三部分组成，其控制测量方法相对简单，主要测试不同输出功率下充电设备的特性，直流负载控制只能简单地模拟动力电池的固定充电特性曲线，没有建立系统、动态的动力电池模型，与实际动力电池的特性相差甚远，并且电子负载的工作原理是通过内部功率场效应管或功率晶体管耗散功率来直接消耗电能，需要配备大的散热器，导致电子负载自身体积大和重量重，当应用于非车载充电机现场移动检测时，受装载车辆空间、载重或地下车库限高等外在因素的限制，制约了电子负载在非车载充电机现场测试中的实际应用。H.Bai等在插入式电动汽车充电机的设计工作中，使用320V/44Ah锂电池组作为充电负载搭建测试平台来验证所设计的大功率充电机的性能。Y.Lu等在测试其所开发2.4kW车载充电机时，使用12V/200Ah的铅酸电池作为试验充电负载来测试充电机的性能。如此，规格参数单一的动力电池包作为充电负载用于现场测试时适应性差，难以满足不同规格、型号的非车载充电机现场测试的需要，在正常的充电过程中，动力电池包的极端参数，例如：单体温度过高，单体电压过高，一般不会出现，难以测试非车载充电机的应急反应和保护的能力。另外，动力电池组的荷电状态和电压是由电池实际储能所决定，测试中不能自主调整荷电状态和电压，因此，整个测试过程是被动的，测试过程耗时长，效率低，测试范围和测试项目有限，无法实现对非车载充电机的自主测试。因此，研制一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有电动汽车非车载充电机现场检测用充电负载存在的不足，提出一种轻量化电动汽车电池模拟装置，可根据检测需要在线设置电池的类型、规格、温度以及电压等参数，用于模拟不同类型、规格以及参数的动力电池包。采用车载动力电池包级联直流变换器构成轻量化充电负载，同时具备恒压、恒流、恒功率以及恒电阻模式并具有在额定范围内连续调节的能力，在满足充电负载轻量化的同时，实现对非车载充电机的自主测试。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置，包括处理器、CAN通信模块、电源模块、人机交互模块以及轻量化充电负载模块。

所述CAN通信模块分别与所述处理器及被测非车载充电机连接，所述电源模块与所述处理器连接；

所述处理器，用于通过所述CAN通信模块与所述被测非车载充电机进行通信，并根据所设置的电池参数和测量的充电电流或电压来构建动力电池充电模型，通过动力电池模型荷电状态和电池电动势在线估计，实时调节充电负载的参数以模拟动力电池充电响应，模拟不同类型、规格以及参数的动力电池包。

优选地，该模拟装置还包括用于显示电池模型充电状态信息的人机交互模块；

所述人机交互模块与所述处理器连接。

优选地，该模拟装置还包括用于在线设置电池的类型、规格、温度以及电压等参数的设置装置；

所述设置装置与所述处理器连接。

优选地，该模拟装置还包括用于测量电池的充电电流以及充电电压的测量模块；

所述测量模块与所述处理器连接。

优选地，所述测量模块为功率分析仪。

优选地，该模拟装置还包括轻量化充电负载模块；

所述轻量化充电负载模块与所述处理器连接。

优选地，所述轻量化充电负载模块由车辆的车载动力电池包级联直流变换器构成，减小负载的重量和体积。

优选地，所述直流变换器是由升压变换器和降压变换器两级级联构成并且采用三相交错并联结构。

优选地，所述轻量化充电负载具备恒压、恒流、恒功率以及恒电阻四种工作模式并具有在额定范围内连续调节的能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或技术方案，下面将对实施例或技术方案描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明为本发明提供的一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置的结构示意图；

图2为本发明提供的一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置的动力电池动态电路模型；

图3为本发明提供的一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置的恒流充电计算流程图；

图4为本发明提供的一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置的轻量化可调充电负载的主拓扑结构；

图5为本发明提供的一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置的轻量化可调充电负载工作在恒压模式下的控制系统结构图；

图6为本发明提供的一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置的轻量化可调充电负载工作在恒流模式下的控制系统结构图；

图7为本发明提供的一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置的轻量化可调充电负载以恒压源输入，工作在恒功率模式下的控制系统结构图；

图8为本发明提供的一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置的轻量化可调充电负载工作在以恒流源输入，工作在恒功率模式下的控制系统结构图；

图9为本发明提供的一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置的轻量化可调充电负载工作在以恒压源输入，工作在恒电阻模式下的控制系统结构图；

图10为本发明提供的一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置的轻量化可调充电负载工作在以恒流源输入，工作在恒电阻模式下的控制系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对发明进一步详细说明。

所述轻量化电动汽车电池模拟装置的结构示意图如图1所示，所述处理器根据所设置的电池参数和测量的充电电流或电压来构建动力电池充电模型并模拟实际电池的充电响应，模型包括电池电压、电流、SOC(State Of Charge)、温度等信息。当需要检测充电机在电池充电异常时的响应情况时，所述动力电池模型可以进行电池过压、过温等充电异常现象的模拟；根据电池模型的计算结果设置所述轻量化充电负载模块的参数来模拟实际电池的充电响应；所述人机接口模块显示电池模型充电状态信息、提供设置电池参数及异常的接口界面，从而实时直观监控电池的充电状态并方便设置电池参数及异常状况；所述测量模块将测量得到的非车载充电机输出电流电压传给所述处理器以模拟充电响应；所述CAN通信模块通过CAN总线与非车载充电机进行通讯，根据CAN通讯协议模拟实现电动汽车实际电池管理系统与非车载充电机之间的通信过程。

所述处理器计算动力电池模型的电池开路电压Uoc和电池的荷电状态SOC的关系采用Gregory L.Plett的“复合模型”：

式(1)中，K₀～K₄为拟合系数，由模型参数辨识方法可以得到不同电池类型下的该组拟合系数。另外的，电池内阻特性包含由浓差极化和电化学极化引起的极化内阻以及由电阻极化引起的欧姆内阻特性，两个RC并联电路与欧姆内阻串联可以共同模拟电池内阻特性，因此电池动态电路模型如图2所示：

图2中，C₁R₁，C₂R₂并联电路分别用于描述电池的浓差极化和电化学极化现象，R_O表示电池内部欧姆电阻，I_C、U_T分别表示电池充电电流和端电压。

所述处理器以测量的充电输出为依据，通过模拟计算得到电池的电压或电流、SOC、温度等充电响应信息以模拟电池的充电响应。

所述处理器为了适应现场检测的需要，缩短测试时间，提高测试效率，实现测试过程的可控性，对电池的SOC进行估算时，在传统的安时计量法的基础上引入了一个加速系数K_T，电池的SOC在离散时域的表达式为：

其中，C为单体电池容量，η₀为基准库仑效率，

为SOC影响系数，

为温度影响系数，加速系数K_T为一个计算周期所模拟的充电时间与一个计算周期的时长之比。

由图2可知，在恒流充电方式下，电池端电压的计算公式如下：

U_Tk＝f_Uoc(SOC_k)+U_P1k+U_P2k+I_CkR_Ok (3)

其中，U_P1k为单体电池在第k个计算周期的浓差极化电压；U_P2k为单体电池在第k个计算周期的电化学极化电压；U_P1(k-1)为单体电池在第k-1个计算周期的浓差极化电压；U_P2(k-1)为单体电池在第k-1个计算周期的电化学极化电压；f_Uoc(SOC_k)为第k个计算周期的开路电压，I_Ck为充电电流。极化内阻R₁、R₂、R_O，以及极化时间常数τ₁、τ₂在不同SOC下的值可以由参数辨识模板数据通过线性插值得到。

在恒压充电方式下，充电电流的计算公式为：

其中，U_Ck为充电电压。

电池的温度计算公式如下：

其中，Q_k为电池生热；Q₁为单位电化学反应热；Φ_k为电池散热量；T_k为电池温度；T_m为环境温度；R_K为传热过程热阻。

以恒流充电方式为例具体说明充电响应计算过程，以测量的充电电流为依据，通过模拟计算得到电池的电压、SOC、温度等充电响应信息，计算流程如图3所示。

所述处理器可以进行电池过压、过温等充电异常现象的模拟，通过所述人机交互模块在线调整单体电池的SOC或内阻值可以模拟充电过程中单体电池可能出现的过压以及过温等的异常现象。

所述轻量化充电负载采用车辆的车载动力电池包级联直流变换器构成，其具体结构如图4所示：输入电源为非车载充电机，输入电源的正极分别与输入侧电容C₁的正极和电感L₁的输入侧相连；输入侧电容C₁的负极直接与输入电源的负极相连；电感L₁的输出侧分别与第一IGBT开关管S₁的漏极和第一碳化硅二极管D₁的正极相连；第一IGBT开关管S₁的源极直接与输入电源的负极相连；第一碳化硅二极管D₁的负极分别与级联电容C₂的正极和第二IGBT开关管S₂的漏极相连；级联电容C₂的负极直接与输入电源的负极相连；第二IGBT开关管S₂的源极分别与第二碳化硅二极管D₂的负极和电感L₂的输入侧相连；第二碳化硅二极管D₂的正极直接与输入电源的负极相连；电感L₂的输出侧与输出侧电容C₃的正极相连；输出侧电容C₃的负极直接与输入电源的负极相连；输出侧电容C₃的正极就作为变换器输出的正极，电容C₃的负极作为变换器输出的负极。变换器输出侧直接连接车载动力电池包。

所述处理器通过控制可使大功率可控充电负载工作在恒压、恒流、恒功率、恒电阻四种工作模式下。

图5所示为用于大功率可控充电负载工作在恒压模式下的控制系统结构图。

(1)Boost变换器：从变换器输入侧取得变换器输入电压信号U_in，与给定的输入侧电压值U_{in_ref}通过第一减法器1-1，做差形成误差信号V_w1，送入电压调节器1-2，得到电压调节器的输出信号I_{sw1_ref}；第一减法器1-1和电压调节器1-2构成电压外环；

从变换器的开关管S₁的处取得的电流信号I_sw1，与电压调节器1-2的输出信号I_{sw1_ref}通过第二减法器1-3，做差形成误差信号I_w1，送入电流调节器1-4，得到电流调节器的输出信号V_buck；第二减法器1-3和电流调节器1-4共同构成电流内环；

调制信号V_buck与高频三角波通过第一比较器1-5的比较后，得到控制开关S₁的开关信号，开关信号直接送到S₁驱动模块1-6，经过S₁驱动模块1-6的放大后得到驱动S₁高频开关的开关驱动信号，此信号直接送至IGBT开关管S₁的栅极，用来控制其开通与关断；

(2)Buck变换器：从级联电容C₂两侧取得Buck变换器输入电压信号U_{in_buck}，与给定的输入侧电压值U_{in_buck_ref}通过第三减法器1-7，做差形成误差信号V_w2，送入电压调节器1-8，得到电压调节器的输出信号I_{sw2_ref}；第三减法器1-7和电压调节器1-8构成电压外环；

从变换器的开关管S₂的处取得的电流信号I_sw2，与电压调节器1-8的输出信号I_{sw2_ref}通过第四减法器1-9，做差形成误差信号I_w2，送入电流调节器1-10，得到电流调节器的输出信号V_boost；第四减法器1-9和电流调节器1-10共同构成电流内环；

调制信号V_boost与高频三角波通过第一比较器1-11的比较后，得到控制开关S₂的开关信号，开关信号直接送到S₂驱动模块1-12，经过S₂驱动模块1-12的放大后得到驱动S₂高频开关的开关驱动信号，此信号直接送至IGBT开关管S₂的栅极，用来控制其开通与关断。

图6所示为用于大功率可控充电负载工作在恒流模式下的控制系统结构图。

(1)Boost变换器：从变换器输入侧取得变换器输入电压信号I_in，与给定的输入侧电压值I_{in_ref}通过第一减法器2-1，做差形成误差信号V_w1，送入电压调节器2-2，得到电流调节器的输出信号I_{sw1_ref}；第一减法器2-1和电流调节器2-2构成电压外环；

从变换器的开关管S₁的处取得的电流信号I_sw1，与电流调节器2-2的输出信号I_{sw1_ref}通过第二减法器2-3，做差形成误差信号I_w1，送入电流调节器2-4，得到电流调节器的输出信号V_buck；第二减法器2-3和电流调节器2-4共同构成电流内环；

调制信号V_buck与高频三角波通过第一比较器2-5的比较后，得到控制开关S₁的开关信号，开关信号直接送到S₁驱动模块2-6，经过S₁驱动模块2-6的放大后得到驱动S₁高频开关的开关驱动信号，此信号直接送至IGBT开关管S₁的栅极，用来控制其开通与关断；

(2)Buck变换器：从级联电容C₂两侧取得Buck变换器输入电压信号U_{m_buck}，与给定的输入侧电压值U_{in_buck_ref}通过第三减法器2-7，做差形成误差信号V_w2，送入电压调节器2-8，得到电压调节器的输出信号I_{sw2_ref}；第三减法器2-7和电压调节器2-8构成电压外环；

从变换器的开关管S₂的处取得的电流信号I_sw2，与电压调节器2-8的输出信号I_{sw2_ref}通过第四减法器1-9，做差形成误差信号I_w2，送入电流调节器2-10，得到电流调节器的输出信号V_boost；第四减法器2-9和电流调节器2-10共同构成电流内环；

调制信号V_boost与高频三角波通过第一比较器2-11的比较后，得到控制开关S₂的开关信号，开关信号直接送到S₂驱动模块2-12，经过S₂驱动模块2-12的放大后得到驱动S₂高频开关的开关驱动信号，此信号直接送至IGBT开关管S₂的栅极，用来控制其开通与关断。

图7为大功率可控充电负载以恒压源输入，工作在恒功率模式下的控制系统结构图。(图8为大功率可控充电负载以恒流源输入，工作在恒功率模式下的控制系统结构图，和图7所述控制方法完全相同，所以就不再详细说明。)

(1)Boost变换器：从变换器输入侧取得变换器输入电压信号U_in和输入电流信号I_in，将两者通过乘法器3-13相乘形成输入功率信号P_in，与给定的输入侧电压值P_{in_ref}通过第一减法器3-1，做差形成误差信号V_w1，送入电压调节器3-2，得到功率调节器的输出信号I_{sw1_ref}；第一减法器3-1和功率调节器3-2构成功率外环；

从变换器的开关管S₁的处取得的电流信号I_sw1，与功率调节器3-2的输出信号I_{sw1_ref}通过第二减法器3-3，做差形成误差信号I_w1，送入电流调节器3-4，得到电流调节器的输出信号V_buck；第二减法器3-3和电流调节器3-4共同构成电流内环；

调制信号V_buck与高频三角波通过第一比较器3-5的比较后，得到控制开关S₁的开关信号，开关信号直接送到S₁驱动模块3-6，经过S₁驱动模块3-6的放大后得到驱动S₁高频开关的开关驱动信号，此信号直接送至IGBT开关管S₁的栅极，用来控制其开通与关断；

(2)Buck变换器：从级联电容C₂两侧取得Buck变换器输入电压信号U_{in_buck}，与给定的输入侧电压值U_{in_buck_ref}通过第三减法器3-7，做差形成误差信号V_w2，送入电压调节器1-8，得到电压调节器的输出信号I_{sw2_ref}；第三减法器3-7和电压调节器3-8构成电压外环；

从变换器的开关管S₂的处取得的电流信号I_sw2，与电压调节器3-8的输出信号I_{sw2_ref}通过第四减法器3-9，做差形成误差信号I_w2，送入电流调节器3-10，得到电流调节器的输出信号V_boost；第四减法器3-9和电流调节器3-10共同构成电流内环；

调制信号V_boost与高频三角波通过第一比较器3-11的比较后，得到控制开关S₂的开关信号，开关信号直接送到S₂驱动模块3-12，经过S₂驱动模块1-12的放大后得到驱动S₂高频开关的开关驱动信号，此信号直接送至IGBT开关管S₂的栅极，用来控制其开通与关断。

图9为大功率可控充电负载以恒压源输入，工作在恒电阻模式下的控制系统结构图。(图10为大功率可控充电负载以恒流源输入，工作在恒电阻模式下的控制系统结构图，和图9所述控制方法完全相同，所以就不再详细说明。)

(1)Boost变换器：从变换器输入侧取得变换器输入电压信号U_in，与给定的电阻值R_ref通过除法器4-13形成输入侧电流值I_{in_ref}，从变换器输入侧取得变换器输入电流信号I_in，与I_{in_ref}通过第一减法器4-1，做差形成误差信号V_w1，送入电流调节器4-2，得到电流调节器的输出信号I_{sw1_ref}；第一减法器4-1和电流调节器4-2构成功率外环；

从变换器的开关管S₁的处取得的电流信号I_sw1，与电流调节器1-2的输出信号I_{sw1_ref}通过第二减法器4-3，做差形成误差信号I_w1，送入电流调节器4-4，得到电流调节器的输出信号V_buck；第二减法器4-3和电流调节器4-4共同构成电流内环；

调制信号V_buck与高频三角波通过第一比较器4-5的比较后，得到控制开关S₁的开关信号，开关信号直接送到S₁驱动模块4-6，经过S₁驱动模块4-6的放大后得到驱动S₁高频开关的开关驱动信号，此信号直接送至IGBT开关管S₁的栅极，用来控制其开通与关断；

(2)Buck变换器：从级联电容C₂两侧取得Buck变换器输入电压信号U_{in_buck}，与给定的输入侧电压值U_{in_buck_ref}通过第三减法器4-7，做差形成误差信号V_w2，送入电压调节器4-8，得到电压调节器的输出信号I_{sw2_ref}；第三减法器4-7和电压调节器4-8构成电压外环；

从变换器的开关管S₂的处取得的电流信号I_sw2，与电压调节器4-8的输出信号I_{sw2_ref}通过第四减法器4-9，做差形成误差信号I_w2，送入电流调节器4-10，得到电流调节器的输出信号V_boost；第四减法器4-9和电流调节器4-10共同构成电流内环；

调制信号V_boost与高频三角波通过第一比较器4-11的比较后，得到控制开关S₂的开关信号，开关信号直接送到S₂驱动模块4-12，经过S₂驱动模块4-12的放大后得到驱动S₂高频开关的开关驱动信号，此信号直接送至IGBT开关管S₂的栅极，用来控制其开通与关断。

Claims (10)

1.一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置，其特征在于，包括处理器、CAN通信模块、电源模块；

所述CAN通信模块分别与所述处理器及被测非车载充电机连接，所述电源模块与所述处理器连接；

所述处理器，用于通过所述CAN通信模块与所述被测非车载充电机进行通信，并根据所设置的电池参数和测量的充电电流或电压来构建动力电池充电模型，通过动力电池模型荷电状态和电池电动势在线估计，实时调节充电负载的参数以模拟动力电池充电响应，模拟不同类型、规格以及参数的动力电池包。

2.根据权利要求1所述的一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置，其特征在于，所述模拟装置还包括用于显示电池模型充电状态信息的人机交互模块；

所述人机交互模块与所述处理器连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置，其特征在于，该模拟装置还包括用于在线设置电池的类型、规格、温度以及电压等参数的设置装置；

所述设置装置与所述处理器连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置，其特征在于，该模拟装置还包括用于测量电池的充电电流以及充电电压的测量模块；

所述测量模块与所述处理器连接。

5.根据权利要求4所述的一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置，其特征在于，所述测量模块为功率分析仪。

6.根据权利要求1所述的一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置，其特征在于，所述动力电池模型可以进行电池过压、过温等充电异常现象的模拟。

7.根据权利要求1所述的一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置，其特征在于，该模拟装置还包括轻量化充电负载模块；

所述轻量化充电负载模块与所述处理器连接。

8.根据权利要求7所述的一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置，其特征在于，所述轻量化充电负载模块由车辆的车载动力电池包级联直流变换器构成，减小负载的重量和体积。

9.根据权利要求8所述的一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置，其特征在于，所述直流变换器是由升压变换器和降压变换器两级级联构成并且采用三相交错并联结构。

10.根据权利要求7所述的一种用于非车载充电机现场检测的轻量化电动汽车电池模拟装置，其特征在于，所述轻量化充电负载具备恒压、恒流、恒功率以及恒电阻四种工作模式并具有在额定范围内连续调节的能力。

Images