利用APS建立动力电池模拟方案

2020-07-29 23:21:59·  来源:是德科技KEYSIGHT  
 
首先解释一下题目APS (Advanced Power System)是德科技新一代电源系统,是最高水平的多功能程控电源,同时配置了强大的分析能力。功率范围从1KW-20KW 单机,通过
首先解释一下题目
  • APS (Advanced Power System)
  • 是德科技新一代电源系统,是最高水平的多功能程控电源,同时配置了强大的分析能力。功率范围从1KW-20KW 单机,通过并机可扩展至400KW。
  • 电池模拟 (BSS)
  • 开发动力电池管理电路(BMU)工程师的必备,用于BMU开发和测试过程中电池的仿真。
锂电池的最基本单元叫做电芯(Cell),常见的有软包电芯、圆柱电芯和方形铝壳电芯,3.7V是锂离子电芯的标称电压,容量则是正常电压区电压范围内的电量总和。将多个电芯通过串、并联组合成电池模组,多个电池模组最后组合成高电压等级、高容量的电池包,如Tesla的电池包就是有7000多个18650(新电池包采用21700)圆柱型电芯组合而成。国内电动汽车主流采用单体容量更大的铝壳方形电芯组成。
 
电池管理电路(BMS)管理着电芯和电池的工作状态,包括充、放电、温度、工作电压等等,让电池工作在安全的区域,确保在不同环境和工作场景中充分利用电池的能量,延长电池使用寿命,避免电池的损坏和安全隐患。
因此,BMS设计和性能品质对电池组来说是至关重要的。然而BMS的设计和测试绝非普通的电源管理(PMS)那么简单。因为BMU的一边是如同黑匣子一般的电池,另一边是复杂的用电负载和充电设备。让我们先深入这个黑匣子看看究竟。
 
电池的电压等级和标称容量
这是所有电池厂家可以提供给BMS开发工程师的最基本的参数。如下图所示
 
但对于BMS研发和工程师来说,电池厂家给出的这两个简单的参数够用吗?!!!
 
电池内阻:关于这个问题,我想多唠叨几句
电池内阻是电池内部等效串联电阻Rs,通常称为电池交流内阻(ACR),或直流内阻(DCR)
 
如下图,内阻直接影响电池充放电过程中的端电压
1. 电芯在开路(不充放电)时,电压端电压等于开路电压3.79V;
2. 1A放电时,电流出入电池,电池端电压降低到3.316V;
3. 1A充电时,电流流入电池,电池端电压上升到3.95V;
 
需要提醒的是:电池的内阻和一般意义上的物理电阻不同。电池内阻可分为极化内阻和欧姆内阻,欧姆内阻于电流随线性变化,而极化内阻主要取决于电极材料,电解液,隔膜等,这会导致电池在充、放电过程中的端电压呈现出较为复杂的变化状态。
如下图所示,我们利用APS电源拉载脉冲电流,同时利用其200KSa/s(18bit)高速采样能力监测电池的端电压,可以看到其变化呈现3个不同阶段。
 
1)∆V1为电池电压随电流突变,表现为交流内阻ACR,∆V1/I2;
2)∆V2为电池极化过程电压的变化,表现为直流内阻DCR,(∆V2+∆V1)/I2;
3)∆V3为电池在电流I充电时电压上升率,体现了电池的容量C=I2*t/∆V3.
还要特别注意的是,SoC及温度对电池的内阻影响极大。例如一种电芯,从常温25℃、Soc为100%时的内阻,相比于低温-20℃、SoC为10%,内阻值可以相差55倍!
电池内阻直接限制了电池的快充和大电流放电,进而会影响实际放电容量。(注意:电池内阻不仅仅是电芯的内阻,还应包括电池保护/管理电路的引线,电池到电路输入端的引线电阻)。
 
因此,在测试BMS的时候,必须对在不同工作场景下电池的内阻做最充分的考虑!
 
电池容量分布
——单位容量对应的电压区间大小,或单位电压区间对应的容量大小。
 
如上图所示,假设A、B、C、D四个电芯标称容量相同,而且当前开路电压也都相同,但想一想,当前电量也相同吗?电量分布对电池特性有何影响,有多大的影响?针对以上这4种特性的电池,哪一种不适合快充、哪一种不适合快放呢?结合上述提到的知识,应该不难得出结论吧!
 
这些搞清楚了,就可以帮助工程师更好设计和测试BMS了。但BMS测试时,有不少的工程师通常直接连上锂电池组进行测试。但锂电池是一种化学能源,本身不可控,很难让它处于测试要求的工作状态,也缺乏必要的保护,导致工程师的测试工作举步维艰,费时费力,不得不彻夜加班,疲惫不堪!
 
 
1)动力电池容量大,改变电池的电压,必须对其进行完整的充、放电,费时费力费钱。
2)在进行过压、欠压、过流、高温等测试时,尚未确保工作性能的电池管理电路,可能会导致电池使用的安全隐患和危险。
利用电池模拟系统(BSS)来替代电池进行BMS、PCS,OBC等电源转换模块的功能和性能验证是科学的选择。有用电源+负载组合构建BSS方案,也有用双向电源构建的。既然是模拟电池,就需要BSS特性在关键性能上最接近于真实电池。对此,我们给出以下3个重要提示:
 提示1:
电流输出和吸收无缝转换
 
 
理想的电池一个恒压源,而且在输出电流和吸收电流转换时是无缝,即电池电压不会因为电流的正负变化而突变,如上图所示。但如果采用独立的电源+负载组合的BSS,模拟电池恒压源特性,电源和负载工作于恒压CV模式下,且电子负载电压要稍高于电源。
 
同时为了防止电源电流反灌损坏,必须在电源的输出端串联一个阻塞二极管。如下图所示,该电池模拟器在电流正、负切换时,就会造成电池电压的突变。
 
 
因此,利用双向无缝切换能力的APS来仿真电池,就可以避免这个问题。
APS双向无缝切换特性
 
 提示2:
电池内阻模拟和UVP(欠压保护)
前面我们提到,电池内阻对电池的充电,放电时的端电压影响巨大,尤其针对电池快充和高倍率放电等性能的验证。同时,电池的电压必须时刻工作于电池的正常工作电压区,当电压进入到电压预警区时,电池模拟器应该切断电池的供电。
 
过压保护OVP是测试电源标配的功能,但APS同时提供独特的欠压保护UVP功能,可以很好的起到电压低于预警的保护。另外,OVP和UVP保护响应时间也是非常重要的性能,例如APS的电压保护的典型响应时间小于30uS。
 
下图为APS电脑端程控软件BV9200,使用ARB任意波形分别施加10A,-10A,0A三个中幅值电流时,APS电源模拟48V电池,内阻0.1Ω时,电压和电流变化。
 
APS电池内阻模拟性能
 
 提示3:
电压瞬态响应
瞬态响应是指电源在负载电流突变时,电压跌落和过冲的波形特征,评价指标有响应时间为电压恢复到输出值的持续时间,和过冲幅度百分比或绝对电压值。
锂电池的瞬态响应时间几乎接近0,任何直流电源的瞬态响应速度都不可能优于锂电池。如下图所示,上述RP7946A模拟的48V电池,在电流0-20A变化时,电压波动极小(0.5V/48V,约1%)
 
 
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