基于PWM波的动力电池放电实验系统

李圆圆，霍 炜，朱智富，张 翼 ，李志明，樊华敏，黄福闯



基于PWM波的动力电池放电实验系统

李圆圆1，霍 炜1，朱智富2，张 翼1，李志明1，樊华敏1，黄福闯1

（1青岛大学机电工程学院，动力集成及储能系统工程技术中心，山东青岛 266071；2青岛大学物理科学学院，山东青岛 266071）

基于PWM（pulse-width modulation，脉冲宽度调制）波和VISA（virtual instrument software architecture，虚拟仪器软件结构）接口设计一套研究电池工况热特性的实验系统，系统可以对电池进行不同工况（如NEDC，new european driving cycle，新欧洲循环驾驶、UDDS，urban dynamometer driving schedule，城市道路循环等）放电实验研究，并可以采集实验过程中的温度信息，采样频率可根据实际需要自定义。文章论述了该系统中PWM波工作原理，根据NEDC工况计算采样精度为0.1s的PWM波数组，用于控制电池按照NEDC工况放电。系统硬件中，DC/DC（direct current to direct current converter，直流到直流变换器）为一种新型的对称结构的电压转换器，可实现双向升降压，方便工况的模拟；PWM波产生器产生NEDC工况控制信号，控制PWM执行器执行操作。并验证系统关键部件的可靠性和精度。最后，对国内主流18650电池进行NEDC实验并获得其放电温度曲线。

PWM；循环工况；锂电池；VISA对象

汽车动力锂电池在工作过程中往往需要大倍率充放电，而在实验室中如何方便地实现锂电池可控地大倍率充放电是电池充放电实验中面临的一个问题。目前电池实验是通过电化学工作站或者专业的充放电仪来进行，而一般的电化学工作站主要功能为测量电池参数[1]，其放电倍率很少能达到10 C[2]，充放电仪通常采用馈能式电子负载，其可以达到很高的放电倍率且可以循环利用能源，但是价格昂贵[3-5]。孟彦京等[6]设计了一种DSP（digital signal processor，数字信号处理器）控制的电池充放电效率实验系统，其放电回路使用的是Boost电路，故其电池放电时只能升压而不能降压，不能实现零到最高放电倍率的任意功率放电，故该系统只能用于某些特定功率的放电实验而不能模拟车辆行驶工况的电池放电。贾高峰等[7]曾设计一种动力电池组性能测试系统，其放电器使用Cuk变换器[8]和变阻器，利用PWM（pulse-width modulation）波控制输出电压的方式控制放电功率，但Cuk变换器也只能实现单向的升降压。曾巍等[9]研制的电池性能检测系统利用VMOS（V-groove metal oxide semiconductor，V形槽金属氧化物半导体）管的GS电位差与导通电流的关系控制放电功率，其放电回路并没有采用升降压技术，鉴于单体电池的低电压水平，希望达到10 C的最高放电倍率，其负载阻值将会是0.1 Ω级别，功率为100 W级别，这一级别电阻较贵，且由于电阻制造精度的问题将会带来较大的实验误差。牛红涛等[10]研究钒电池测试系统时使用的放电仪器为程控直流电子负载，目前直流负载成本大约在8～10元/W，且电流电压功率都有使用限制。刘言新[11]设计的双向流动的电池充放电系统中，充放电电路并不是一种完全意义上的双向升降压电路，而是一种充电Buck和放电Boost的组合电路，只能实现充电降压放电升压的目的，这将使其不能完成汽车行驶工况的模拟工作。同样的电路在赵立萍[12]电动汽车复合储能系统研究中也被利用。

鉴于此本工作设计了一套能够实现电池高倍率放电并且可按工况输出的电池测试系统。该系统采用一种新型的对称结构的DC/DC（direct current to direct current converter，直流到直流变换器），其能够实现任意方向的升压和降压功能，能够实现单体最高30 A的大电流放电，完全满足了单体电池各种工况的放电需求；并且本系统基于MATLAB编程，故可以基于MALAB自定义测试需求。

1 系统原理

图1为电池实验系统原理图，其结构分为两部分：①主电路，被测电池经DC/DC升压，DC/DC输出端接入滑动变阻器作为负载，在主回路中间串联PWM波执行器；②控制及信号采集电路。PWM波产生器产生PWM波，PWM波占空比随NEDC工况变化并控制PWM波执行器；温度传感器温度信号和PWM波执行器执行结果分别经示波器两个通道被采集，由VISA接口（virtual instrument software architecture，虚拟仪器软件结构）传入PC中并被存储。由于被测电池最高电压仅为4.2 V，如果直接接入主电路，则负载电阻必须足够小才能 满足最高10 C的放电倍率。此时滑动变阻器工作 电阻丝匝数过少，不能满足散热功率需求；并且 微小电阻误差将导致较大的放电倍率误差。故需 要通过DC/DC将电压升高，增加滑动变阻器的 散热面积，保证电池放电的功率需求，减少实验 误差。

图1 电池实验系统原理图

1.1 PWM控制机制简介

图2 所示为正弦半波与PWM波对照图，其中每/7正弦波的积分面积可用对应区间的PWM波积分面积表示，即可用离散数字的PWM波来等效表示连续的模拟物理量[13]。PWM波分为等幅波和不等幅波两种，但这两种波都是基于面积等效原理来实现等效转换，本实验采用等幅波。从图3可以看出，每个PWM波周期相等，不同点在于脉宽不尽相等。这里将脉宽和周期比值定义为占空比，也即通过控制占空比可以得到NEDC循环工况。

图2 正弦半波与PWM波对照图

1.2 计算NEDC工况下PWM波占空比

作用于汽车的行驶阻力主要包括加速阻力、坡度阻力、车轮滚动阻力和空气阻力[14-15]，即可以用式(1)表示

Dem=a+G+R+D（1）

式中，a为加速阻力；G为坡度阻力；R为车轮滚动阻力；D为空气阻力。

实验平台为一汽佳宝小型箱型货车，利用式(1)可计算出该车在不考虑制动能回收情况下，NEDC循环的功率循环图。被测单体电池最大放电倍率选定为10 C，即当汽车达到最大功率时，此时电池放电倍率应为10 C。因此将功率循环图中每一点的功率值同时除以最大功率值，就得到单体电池NEDC放电占空比循环图，如图3所示。

图3 一个NEDC对应的占空比循环图

2 硬件设计

2.1 PWM执行器设计

图4为Multisim搭建的PWM执行器原理图，图中左侧第一个PNP型三级管电路将PWM信号幅值放大，而第二个PNP型三极管电路将反向信号再次反转为正向信号，第三个推挽电路将信号 功率放大，以驱动下级功率MOS（metal oxide semiconductor，金属氧化物半导体）管，减少锯齿波的产生[16-17]。

图4 PWM执行器原理图

2.2 DC/DC

该DC/DC为一种可控双向直流变压器，图5为其原理图。图中MOSFET（metal-oxide- semiconductor field effect transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管）Q1、Q2栅极由DC/DC控制板发出的PWM波控制。理论情况下，Q1、Q2的栅极信号互补，当Q2导通Q1此时断开，电池BT1对电感充电，当Q2断开Q1导通，电感放电，完成整个电压变换的过程。因为该DC/DC结构输入输出完全对称，故可以实现反向对电池进行充电。该结构相对于传统的Buck、Boost电路[18]的优点在于可以实现任意方向的升降压，且相对于Boost当开关管出现故障之后整个电路并不会对电池进行充电，防止其出现过充情况，系统更加安全。

图5 DC/DC原理图

Fig.5 Scheme of DC/DC

2.3 温度传感器

温度传感部件为10 KB=3950 NTC（negative temperature coefficient，负温度系数）热敏电阻。如图6温度传感器电路图，1可变电阻代表NTC，电阻2起分压作用，同时将负温度系数的温度传感器转换为正温度系数的电压输出，电压输出端电容起滤除噪音的作用。示波器XSC1用于采集温度的电压信号，实际使用的示波器为普源精电MSO4022，用USB（universal serial bus，通用串行总线）通过VISA接口与电脑连接，由MATLAB远程采样查询该示波器对应通道的电压平均值，之后带入式(4)计算出对应的温度值。因温度不是突变量对温度传感器的响应时间要求较低，示波器上升时间1.8 ns完全满足要求，且示波器在200 mV/div～5 V/div范围的直流偏移精确度为±0.1div±2mV±0.5%偏移值也满足温度采样要求。NTC热敏电阻温度特性公式[19]见式(2)

式中，t为热敏电阻在1下的阻值，单位为K；为热敏电阻2下的阻值，单位为K，通常为(25+ 273.15)K；为热敏电阻固有参数，此处为3950；分压电路中输出电压o与温度传感器阻值t关系式如式(3)

式中，o为阻值t对应输出电压；ref为参考电压，此处为3.3 V；2为图6中分压电阻，此处为10 kΩ；

联立式(2)、式(3)可得温度与输出电压关系式

由公式计算出输出电压-温度曲线如图7所示，从图中我们可以看出在-25～75 ℃之间曲线接近一次函数，呈较强的线性关系，使得测量数据更加 可靠。

3 实验与程序

PWM波执行器是工况模拟的关键硬件，故需验证其可靠性。实验方法为用示波器测量功率MOS管的G极电平信号。电脑通过USB连接普源MSO4022示波器，MATLAB编制的采样程序自动创建VISA对象，打开示波器对应通道占空比测功能，每隔0.1 s进行一次占空比采样，程序框图如图8(a)所示。图8(b)为PWM波产生器程序框图，使用的单片机为德州仪器MSP430F149单片机，选用800 kHz的晶振时钟源，输出频率为10 kHz的PWM，4个NEDC循环完成之后，进入低功耗模式。

图6 温度传感器电路图

图7 输出电压-温度曲线

（a）温度和占空比测量程序框图

（b）PWM产生器程序框图

图8 程序框图

Fig.8 Diagrams of programs

4 实验结果

PWM波执行器执行结果如图9所示。在测量占空比同时测量可编程直流电源放电电流随占空比变化的跟随情况，结果如图10所示。采用的可编程直流电源为普源精电DP821A，其在输出电流从满载到半载，或从半载到满载，输出电压恢复到15 mV之内的瞬态响应时间小于50 μs，程控分辨率电压为1 mV电流为1 mA，纹波噪声、准确度、稳定性见表1。从图8和图9中可以看出实际测量的占空比与理论占空比吻合的比较好，且电池放电电流与占空比变化趋势一致。故该系统符合电池测试方法的初衷，满足本次实验要求。

将以下7种备选动力18650电池，其参数见表2置于该实验系统中，分别进行4个NEDC循环，各电池的最高放电倍率为10 C，测量其温度变化趋势如图11所示。图中4条竖直的虚线把4个NEDC循环分开，可以看出电池温度随NEDC的变化规律，在每个NEDC进入最高功率时，电池温度同时也达到自己的最高温度，第三第四个NEDC循环电池电量不足，故电池温度持续下降。故系统可以对单体电池进行高倍率放电的温度特性实验研究。

表1 纹波噪声、准确度、稳定性

图9 PWM执行器实际输出占空比与理论占空比循环对照图

图10 电池实验电流与理论占空比循环对照图

5 结 论

该系统不借助于电化学工作站和充放电仪，可进行单体动力锂电池高倍率某工况放电热特性研究。实验证明，该系统运行可靠，电池放电电流跟随工况的效果较好，可精确获得电池温度信息。同时系统由于使用的DC/DC电源可自主编程，采样上位机程序由MATLAB编写，故其可扩展性较强，且还可添加其它外设进行其它电池特性的研究。本系统大大节省实验室研究电池特性的设备开支，方便实验室的研究工作。

图11 各电池10C 4个NEDC循环温度-时间曲线

表2 各电池10 C 4个NEDC循环最高温度降序排列及其它参数

[1] 关星. 基于DSP技术的电化学工作站的研究与设计[D]. 哈尔滨: 哈尔滨理工大学, 2007.

GUAN Xing. The study and design on the electrochemical power measurement workstation[D]. Harbin: Harbin University of Science and Technology, 2007.

[2] 王犇, 胡虹. 浅谈电化学工作站的应用研究[J]. 广东化工, 2015, 42(15): 152-153.

WANG Ben, HU Hong. The application of electrochemical workstation[J]. Guangdong Chemical Industry, 2015, 42(15): 152-153.

[3] 郑连清, 王青峰. 馈能型电子负载的并网控制[J]. 电网技术, 2008, 32(7): 40-45.

ZHENG Lianqing, WANG Qingfeng. Grid-connected control of feedback type electronic load[J]. Power System Technology, 2008, 32(7): 40-45.

[4] 朱金刚. 智能电子负载的设计[J]. 实验技术与管理, 2006, 23(6): 26-29.

ZHU Jingang. Design of intelligent electronic load[J]. Experimental Technology and Management, 2006, 23(6): 26-29.

[5] 刘志刚, 李宝昌, 汪至中. 电能反馈型电子负载的设计与实现[J]. 铁道学报, 2001, 23(3): 37-41.

LIU Zhigang, LI Baochang, WANG Zhizhong. Design and realization of energy feedback type electronic power load[J]. Journal of the China Railway Society, 2001, 23(3): 37-41.

[6] 孟彦京, 白冲, 王素娥. 一种蓄电池充放电效率测试系统的设计[J]. 陕西科技大学学报, 2016(1): 154-158.

MENG Yanjing, BAI Chong, WANG Sue. Design of a battery charge and discharge efficiency test system[J]. Journal of Shaanxi University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2016(1): 154-158.

[7] 贾高峰, 韩赞东, 王克争. 电动汽车用动力电池组性能测试系统[J]. 电源技术, 2004, 28(11): 712-714.

JIA Gaofeng, HAN Zandong WANG Kezheng. Performance testing system of power batteries for electric vehicles[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2004, 28(11): 712-714.

[8] 赵良炳. 现代电力电子技术基础[M]. 北京: 清华大学出版社, 1995.

ZHAO Liangbing. Modern power electronics technology foundation[M].Beijing: Tsinghua University Press, 1995.

[9] 曾巍, 唐海波, 韩伟, 等. 电动汽车用动力电池性能检测系统[J]. 电源技术, 2001, 25(1): 35-39.

ZENG Wei, TANG Haibo, HAN Wei, et al. Performance testing system for electric vehicles power battery[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2001, 25(1): 35-39.

[10] 牛红涛, 杨春生, 郭乃理, 等. 钒电池充放电测试系统及测试方法研究[J]. 科学技术与工程, 2015, 15(27): 38-41.

NIU Hongtao, YANG Chunsheng, GUO Naili, et al. Research of charge and discharge test system and test method for vanadium redox flow batteries[J]. Science Technology and Engineering, 2015, 15(27): 38-41.

[11] 刘言新. 能量双向流动的蓄电池充放电系统研究[D]. 西安: 陕西科技大学, 2016.

LIU Yanxin. Research on charging and discharging system with bidirectional energy flow for battery[D]. Xian: Shaanxi University of Science & Technology, 2016.

[12] 赵立萍. 电动汽车复合储能系统及其能量控制策略的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨理工大学, 2016.

ZHAO Liping. Research on composite energy storage system and energy control strategy of eclectric vehicle[D]. Harbin: Harbin University of Science and Technology, 2016.

[13] 王兆安, 黄俊. 电力电子技术[M]. 第4版. 北京: 机械工业出版社, 2004.

WANG Zhaoan, HUANG Jun. Power electronics technology[M]. 4th ed. Beijing: China Machine Press, 2004.

[14] 喻凡, 林逸. 汽车系统动力学[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005.

YU Fan, LIN Yi. Automotive system dynamics[M]. Beijing: China Machine Press, 2005.

[15] 余志生. 汽车理论[M]. 5版. 北京: 机械工业出版社, 2009.

YU Zhisheng. Automotive theory [M]. 5th ed. Beijing: China Machine Press, 2009.

[16] 霍罗威茨, 希尔, 吴利民. 电子学[M]. 2版. 北京: 电子工业出版社, 2005.

HORWITZ P, HILL W, WU Limin. The art of electronics[M]. 2nd ed. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2005.

[17] 史仪凯. 电工电子技术[M]. 北京: 科学出版社, 2014.

SHI Yikai. Electrical and electronic technology[M]. Beijing: Science Press, 2014.

[18] ABRAHAMI Pressman, KEITH Billings, TAYLOR Morey. 开关电源设计[M]. 3版. 北京: 电子工业出版社, 2010.

ABRAHAMIPressman, KEITH Billings, TAYLOR Morey. Switching power supply design[M]. 3nd ed. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2010.

[19] 范寒柏, 谢汉华. 基于NTC热敏电阻的三种高精度测温系统研究[J]. 传感技术学报, 2010, 23(11): 1576-1579.

FAN Hanbo, XIE Hanhua. Study with high precision on three typical temperature measurement based on NTC thermistor[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2010, 23(11): 1576-1579.

Experimental system of high-power battery discharge based on PWM wave

LI Yuanyuan1, HUO Wei1, ZHU Zhifu2, ZHANG Yi1, LI Zhiming1, FAN Huamin1, HUANG Fuchuang1

(1School of Mechanical and Electrical Engineering, Power & Energy Storage System Research Center, Qingdao University, Qingdao 266071, Shandong, China;2College of Physics, Qingdao University, Qingdao 266071, Shandong, China)

Based on the PWM(pulse-width modulation) wave and VISA(virtual instrument software architecture) interface, a battery experimental system which is used to study the thermal characteristics of batteries is designed. The system can be used to carry out various discharging experimental in which batteries discharge by different drive cycles, such as NEDC(new european driving cycle), UDDS(urban dynamometer driving schedule), etc., and can collect the temperature information during the experiment, as well as its sampling frequency can be customized according to actual needs. The working principle of the PWM wave in the system is discussed. According to the NEDC, the PWM wave array with sampling accuracy of 0.1s is used to control the discharge of the battery, also verifies the reliability of the system when conduct experiment of thermal characteristics of the single-cell lithium battery with high-rate discharge. There is a new type of symmetrical DC/DC(direct current to direct current converter) which can achieve two-way step-up and down to facilitate the simulation of drive cycles; and a PWM wave generator to produce NEDC condition control signal to control the implementation of the PWM actuator. The reliability and accuracy of critical components of the system is also verified. Finally, NEDC experiments are conducted for the domestic mainstream 18650 batteries and discharge temperature curves are obtained.

PWM; drive cycle; lithium battery; VISA object

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0121

TM 93；TM 4

A

2095-4239（2017）06-1333-07

2017-07-06；

2017-08-11。

青岛市战略性新兴产业培育计划（14-8-1-2-gx）。

李圆圆（1991—），男，硕士研究生，主要研究方向为车辆节能减排与新能源技术，E-mail：869915532@qq.com；

霍炜，副教授，主要研究方向为车辆节能减排与新能源技术，E-mail：qdhuowei @163.com；朱智富，副教授，主要从事灵活电源系统开发等方面的研究工作，E-mail：zhuzhifu-konyo@126.com。