锂离子电池管理系统的特性仿真研究∗

魏丽君

（湖南铁道职业技术学院铁道供电与电气学院 株洲 410001）

1 引言

锂离子电池是以锂合金的金属氧化物为阳极材料、以石墨为阴极材料、使用非电解质的可充电电池［1～2］。当前在新能源系统、电动汽车以及不间断电源和大功率供电系统中的应用越来越广泛。但是大功率系统中仿真电池的特性以进行充放电管理系性能的评估，一般比较复杂。在新能源系统、大功率供电系统中，其研发和测试阶段，系统的功率输入以及能量吸收需要更大功率的电源，在实际工作中存在较大困难［3～5］。当前常见的方法是采用独立电源供电，独立负载吸收被测件释放的能量。但这违背了实际的工作情况，无法实现负载和电源之间功能的连续转换［6～10］；系统中大功率开关和继电器的存在使得系统复杂化，系统可靠性降低。因此，提出先进电源系统仿真电池的特性以进行充放电管理系统性能的评估，实现系统源与负载功能的无缝转换变得十分迫切［11～12］。

2 直流电源与电子负载单独工作方案

由于直流电源和电子负载都具有稳定性好，精度高、动态响应迅速等优点，在双向再生能源系统和模块的测试中，一般情况下，会采用直流电源和电子负载搭配，分别提供系统所需功率和吸收输出功率［13～15］。

图1所示就是将直流电源和电子负载组合起来，进行供电和吸收的一套电池仿真器系统（BSS）。

图1 直流电源和电子负载测试方案系统（BSS）图

直流电源处于输出状态，被测件吸收功率：V被测件=(V直流电源-V二极管)。

被测件处于输出状态，电子负载吸收电流：V被测件=V负载。

经过以上的分析，工作在单独直流电源和电子负载模式下时，它们均工作在CV模式下，即恒压模式。在电子负载工作时，其电压和直流电源的电压端存在一个差值，且电子负载端的电压要稍高于直流电源，这个电压差值会形成一个死区时间，在死区时间范围内，电池仿真系统将无法工作。此时，BSS将是电池管理系（BMS）测试的合适选择。

测试时分两种情况，其一电源提供维持电压，被测件吸收电流；其二是直流电源输出截止，被测件输出电流，被测件两端电压上升，此时，负载端的电压值经过升高后会钳制在一个略高的电压点上，并保持恒压工作模式。在这种情况下，为了防止被测件启动时，反向电流流向电源端，一般会在直流电源输出端设计一个方向的二极管，根据二极管的单向导通原则，此时电路会截止，很好地起到保护的作用。

当然，这种测试方法存在如下固有缺陷：1）当电流值和环境温度变化时，设计中的反向二极管压降会随之发生改变，从而改变电子负载和直流电源之间的死区电压值，从而影响相互工作状态；2）直流电源如果要实现远端感应就必须将感应线接到二极管端，反向二极管会导致直流电源的不稳定性，从而使得直流电源无法使用远端感应；3）直流电源和电子负载之间的电压死区存在高阻抗，BSS电压发生变化时，需要向它们分别发送对应的电压编程指令，才可以对电压进行跟踪，因此跟踪难度大，准确性有待进一步提高；4）电子负载的工作状态会根据两种情况而发生跳变，时而工作在截止状态，时而工作在恒压模式，因此动态性能会受到很大的影响。

系统动态性能的变化和死区电压的改变，会影响到整个系统的静态工作性能，会对双象限工作的精度和敏感程度进行相对的限制。因此需要对系统进行软件编程控制，让死区电压可以根据系统要求在一定幅度范围内进行调整，但是，由于死区电压存在固有的动态瞬变，因此在修正后同样会与电子负载恒压模式的瞬变中产生动态瞬变。其示意图如图2所示。

图2 单独直流电源和电子负载的输出－吸收模式跳变，存在明显的死区电压

3 直流电源与电子负载单独工作且工作区完全重叠方法

为了解决之前提到的死区时间对系统带来的影响问题，可以采用工作区间完全重叠的方法。设置方法如图3所示。在这种工作情况下，电子负载工作在恒流模式下。其电流设置为大于被测件能提供的电流最大值的某一固定值，吸收固定水平的电流和功率。此时，直流电源一直工作在恒压模式，为整个系统提供电流，因为和电子负载间不存在接有保护作用的反向二极管，因为不存在任何模式交叉问题。也不存在静态的电压瞬变，因此，包含非重叠工作的BSS配置也不会受到任何的影响。

图3 配置成工作区间完全重叠的直流电源和电子负载图

进行重叠工作的用于电池仿真器系统（BSS）的直流电源和电子负载被测件吸收功率：

被测件供给功率：

通过以上分析，以上方法很好地解决了电压死区的问题，但是也存在另外的一些问题：这种情况下直流电源的电压和功率需要大大提高，因为在此工作模式下，电池管理电路BMS和电子负载需要的电流和功率都必须全部由直流电源提供。

对于大系统而言，电子负载需要消耗全部功率，因此在设计中必须考虑大电源给系统带来的影响，此外，系统的测量精度如果建立在由这个系统测量读取的直流电源和电子负载的电流值的基础上，必然会对精度产生很大的影响，因为测量值是两个比较大的值，而差值是一个很小的值。

4 采用APS和N7909A工作方案

根据前面的分析，如果使用单一的测量系统对电流进行测量，系统的测量性能将会显著提高，可以大大减小由于单独直流电源和电子负载系统中功率输出配置和功率吸收的不足。此外，在功率转换过程中，可以实现无瞬态突变，切换过程对系统整体无太大影响，而且功率消耗小。测试系统的直流测量精度和动态性能也会得到进一步的提升，但是在双象限再生能源系统和器件的测试需求中，当前的选择并不多。APS N6900A/N7900A直流电源是当前可选情况下的最优之选。主要因为

1）具有多种型号，可以根据功率要求进行选择，实现了在最小的空间内提供相当大的功率。2）输出电压范围宽，可满足当前各种被测件的测试和使用。其功耗单元吸收功能可轻松增加，且可达到100%。同时由于电压范围宽，在测试选中提供了更多可能，灵活性更强，受被测件特性限制小。3）APS N7900动态直流电源具有非常先进的供给和测量能力，在创建动态输出事件并进行瞬态测量时具有特殊的优越性，可连续记录相关电参量。4）其系统具有模块化体系结构。在拓展方面同样具有无可比拟的优势，在综合供给—吸收系统中可拓展到高达10kW范围。

图4 APS和N7909A完美的供给-吸收响应

从图4可以得出APS配合N7909A功率耗散器单元可轻松升级到高达100%的功率吸收功能。

图5和图6是测试显示使用APS和N7909A功耗单元对超级电容器进行充放电时的电压电流及能量图。同时在捕获其电压、电流和能量时，也测试显示了在超级电容器上恢复的电流、电压和能量参数状态。

图5 超级电容器充放电电压和电流图

图6 超级电容器充放电能量图

从图5和图6的结果，可以得出：相比较方案一采用单独电源和电子负载的情况，APS和N7909A电压性能稳定可靠，电压分辨率提高10倍以上，可精确测量电压电流以及功率等相关参数，同时可实现在供给和吸收之间自由切换。解决了使用独立电源和电子负载时必须对从直流电源和电子负载读回的单独电流进行管理和吸收的问题。此外，为了达到APS和N7909A配合工作方案效果，系统还需要添加外围的相关电路，这样会增加电路的复杂性，从而给系统的调试和维护带来额外的困难度和其他需要不可预见的问题。

5 结语

微型、混合动力电动汽车（HEV）、不间断电源（UPS）、替代能源电源这些双向能源系统和器件一般都工作在千瓦级功率下，因此，在生产和开发过程中，提供供给和吸收千瓦级或更大功率非常困难，从而无法实现。一般情况下，采用单独的直流电源和电子负载进行功率输出和吸收可解决相关问题。但是本文同样分析了其存在的相关问题，在此基础上，也分析了直流电源与电子负载单独工作且工作区完全重叠方法，采用APS和N7909A工作方案。经过测试，APS和N7909A工作方案，将输出和吸收真正整合到单一系统中，解决了使用独立电源和电子负载时必须对从直流电源和电子负载读回的单独电流进行管理和吸收的问题，而且其模块化体系结构，可拓展到高达10kW测量范围。