电池模拟器仿真与研究

戴袁园，曹文章

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽淮南， 232000）

0 引言

石油和煤炭是我国能源主要来源，但随着经济发展，需求量日益增多，石油与煤炭这类不可再生能源面临枯竭，并伴随着生态环境逐步恶化，而可再生能源的出现与利用成为当今能源体系中的重要部分。可再生能源开发潜力大、可持续利用，并对环境污染程度小，但其主要缺点之一是其随环境变化的不确定性难以并网[1～3]。储能技术可以解决它难以并网的问题，世界各国都在努力发展自己的储能技术。储能技术可以分为物理储能、化学储能、电磁储能三类，本文探讨的电池模拟器属于化学储能。化学储能的基础是储能电池，若对储能电池原型研究将面临成本高、费时费力、灵活性低等问题，难以模拟出电池工况，因此研究电池模拟器而不是电池原型[4～7]可提高研究效率，节约成本。

1 国内外研究现状

目前储能技术在国内外取得了很多研究成果[8]，采用电池模拟器代替电池原型可大大降低成本且模拟电池具有方便调整参数、精准控制电池的SOC等优点，这为科研实验带来了优点，如今国内外主要对光伏模拟器以及对电动汽车动力电池模拟器进行研究。

光伏模拟器的研究[9～11]，重点在于光伏电池列阵模拟器，它分为模拟式和数字式。模拟式光伏电池列阵模拟器由机箱和光伏电池等组成，可通过白炽灯调节光照强度，电流、电压的输出变化，实际光伏列阵可通过功率放大器代替。但其受温度影响较大，导致输出结果误差大。数字式光伏电池模拟器利用电力电子技术，功率电路为DC/DC拓扑结构，这是因为光伏电池只需要模拟放电。通过单片机或者DSP对其控制，因此数字式光伏电池模拟器适用于大中功率，其输出结果准确性强、可靠性高。

对电动汽车动力电池研究主要为锂电池模拟器研究[12～14]，电动汽车具有节能环保、绿色健康等优点，其核心技术即为动力电源，而锂电池因其自身的优越性成为目前及未来电动汽车的主要动力电源。文献12研制出了一种以三相电压型PWM整流器加双向DC/DC变换器的动力锂电池模拟器，当SOC在20%～100%时，锂电池的输出特性能够被准确模拟出来。文献13对线性稳压电路和隔离型多路DC/DC变换器进行了研究，文中表明DC/DC实现了多电池隔离供电，并对输出电压进行了第一次调压，线性稳压电路对输出电压纹波起到降低作用，因此该模拟器的输出结果准确性较高。文献14对动力锂电池的电池动态特性和其他相关参数做了详细分析，通过仿真验证了一种等效电路模型的输出电压、电流的精确度。

2 电池模拟器的工作原理和分类

■2.1 电池模拟器的工作原理

控制电池模拟器的输出电压，其模拟器的电池外特性与要模拟的电池外特性一致。因为充电工作状态原理相同，因此对放电工作进行说明。图1为电池模拟器的工作原理，电池特性

图1 电池负载特性和电池特性示意图

曲线有SOC=20%、SOC=50%、SOC=80%三种工况，图中负载特性曲线和电池特性曲线的三个交点即为模拟器的工作点。当电池模拟器处于放电状态时，模拟器的输出端接入的负载为阻性负载，符合欧姆定律也符合电池的工作特性。电池模拟器模拟过程工作量较大，通常需要使用电流、电压的采样芯片来采集直流侧电流、电压，然后将采集到的数据转换后传输给DSP或者FPGA。根据不同的电池外特性表达式和其SOC情况，计算得到直流参考电压值Vref，将电压参考值Vref输入到PI调节器，实现无静差控制，当负载发生波动时，重新测的电流值和电压值，传输到控制器，生成新的Vref使得其工作在新的稳态工作点[15-17]。

■2.2 电池模拟器分类

电池模拟器是一种模拟储能电池外特性的装置，它不仅需要实现电流可逆且双向流动、抗干扰性强、输出纹波小、电流电压输出范围大，同时也需要电路拓扑结构合理[18,19]。市场上已经研究出多种电池模拟器，按照其原理不同，可以分为以下两类：模拟式电池模拟器和数字式电池模拟器。下文主要介绍数字式电池模拟器。

2.2.1 模拟式电池模拟器

模拟式电池模拟器采用不同材料、状态的电池对其V-I特性进行放大功率等来实现模拟，模拟式电池模拟器常用于光伏电池模拟器，但模拟得到的误差大，并且主电路过于简单、输出功率小。

2.2.2 数字式电池模拟器

数字式电池模拟器结合了计算机控制技术和电力电子技术研发而成的，其优点有：处理数据能力强、输出功率大。数字式电池模拟器可以提供最准确、最优的转换效率和瞬态响应、它具有很好的适应性以及灵活性、极高的可靠性和可拓展性。根据能量流动的方向可以分为单向电池模拟器和双向电池模拟器。单向电池模拟器一般只可以模拟出电池充电和电池放电，而双向电池模拟器既可以模拟电池充电过程，也可以模拟电池放电过程，两者最大的区别为能量回馈。目前国内外主要研究了电池模拟器的两种拓扑结构：一是整流器+DC/DC电路，二是调压器+整流器。

（1）整流器+DC/DC电路

基于整流器+DC/DC电路为拓扑结构的电池模拟器关键地方有两个，一为整流技术，整流技术由原来的不控整流、晶闸管整流到目前主流的PWM整流，其中三相电压型PWM整流其功率因数高、电能双向传输能够模拟电池的充放电过程研究很多，常见的DC/DC电路有：BUCK电路、BOOST电路、BUCK+BOOST电路。整流器+DC/DC电路特点在于可以模拟出较大的功率输出范围，可以模拟出多种电池的充放电工况，实现能量反馈，最大的问题在于整流器和DC/DC电路需要两套控制，控制起来较难且结构复杂，其主要电路拓扑结构图如图2所示。

图2 三相电压型PWM整流+双向Buck/Boost电路

（2）调压器+整流器

基于调压器+整流器是在电网和三相PWM整流器（VSR）之间加入三相可调变压器，变压器的变比可根据需要模拟的直流电压等级来确定，VSR交流测输入电压改变，因此VSR可以输出相匹配的直流电压，当VSR处于整流状态时模拟电池放电，电能从电网侧传输到负载侧。当VSR处于逆变状态，模拟电池充电，由直流母线电容向网侧供电。调压器+整流器的特点在于可以实现能量双向流动，且该方案可以通过一套控制使输出直流电压的覆盖范围广，其控制精度高。但是其存在的缺点有模拟器的成本、重量、体积增加，功率输出范围小，难以模拟出多种电池的工况。其主要拓扑结构如图3所示。

图3 模拟器电路结构

3 DC/DC电路设计

DC/DC电路的设计需要满足能量双向流动，且结构简单、稳定可靠，本文电池模拟器DC/DC电路如图4所示，对图4进行定义，定义V1为电网电能通过三相PWM整流器整流后的直流电，定义V2为电池以此来代替实物电池，D1、D2为二极管，L为电感，C为电容，r为负载电阻。通过控电容电压与V2电压之间的大小关系来实现电流双向流动，以此来模拟电池的充放电过程。

图4 电池模拟器DC/DC电路

当电容电压高于电池电压V2时，电网经过三相PWM整流后的电能V1向电池V2充电。模拟出电池充电过程，当设定V2的电压值高于电容电压时，电池V2开始放电，电能由V2流向V1，同时V1的电能经过三相PWM整流器回馈给电网，以此实现能量回流，因此整个电路的电流正反向流动取决于电容电压与电池电压的大小，在工业设计上更容易实现，且整个系统为一套控制方法，解决了工业设计上硬切换的问题，真正实现了电流的正反向流动。

本文通过Matlab/Simulink软件搭建了电池模拟器仿真，其中误差状态变量取电容电流Ic输出电压VO，电压误差VO-Vref，电压误差积分vo vrefdt∫- ，为了减小电压纹波系统，仿真模型图如图5所示。

图5 电池模拟器仿真图

模拟电池充电时，主要参数如下仿真过程的总时间为0.02 S，电网经过三相PWM整流后的 电 能V1为24 V，电 感 值L为0.16×10-3H，电容值C为500×10-6F，频 率 为10kHz，负载电阻r值20Ω，当选取负载电阻为20Ω时，给定输出电压为10 V，电池电压V2为5 V时，此时电网电能向电池V2充电，得到10 V的电压波形与0.25 A的电感电流波形，由0.25电感电流可以判断出电能是由V1流向V2，仿真结果如图6所示。

图6 电池充电仿真结果

当选取负载为20Ω时，给定输出电压为10 V，电池电压V2为30 V时，此时电能由V2向V1流动，完成电池放电过程，得到10 V的电压波形与-0.25A的电感电流波形，由-0.25电感电流波形可以判断出电能是由V2流向V1，证明了电池模拟器DC/DC电路可以完成能量的双向流动，仿真结果如图7所示。

图7 电池放电仿真结果

4 结论

随着国内外可再生能源迅猛发展，储能技术得到不断研发。但使用储能电池原型来实验已逐渐被淘汰，电池模拟器的发展为科研带来了便捷，电池模拟器还具有成本低、准确性高等优点。本文对现有的电国内外池模拟器研究现状进行了介绍，对现有的电池模拟器的优点以及缺点进行了总结，这为未来储能技术中的电池模拟器发展起到重要作用，同时设计了电池模拟器后级DC/DC电路拓扑结构，完成了能量双向流动的目标，并通过仿真来验证了本次的设计思路，证明设计的可行性。