电动汽车动力电池工况模拟实验方案设计

摘要 在电动汽车动力电池实际应用中，需经过长时间的实际路况测试，实验周期长、过程繁杂，且成本高。为解决这一问题，在基于飞思卡尔MC9S12XEG128单片机的电池管理系统(BMS)及C#数据采集监控系统实测数据基础上，基于Arbin的电动汽车测试系统(EVTS)设计动力电池的工况模拟实验平台，实现了对电池多参数的实时采样、显示、存储及实际路况模拟测试，从而实现了在实验室获得实车外路测试相同的电池工作数据。测试结果表明，该方案可获得与外路实车测试相同的结果。

随着环境污染的加剧，电动汽车以其节能环保的优势越来越受到重视，在电动汽车的研究和发展上，车载动力电池及其管理系统的研究与制造占据着重要的位置。伴随着电动汽车技术的成熟，电动汽车也逐渐从实验品转化为产品。在电动车辆测试中，电池的实际路况测试具有重要的地位，但在应用中，实际路况测试周期较长、成本较高，而台架模拟和实际运行有差别。通过本实验方案的设计可简化该测试过程。该方案依托电池管理系统(BMS)和基于电池管理系统的数据监控和采集系统采集的插电式镍氢快充混合动力客车外路测试电池数据，采用美国Arbin公司的电动汽车测试系统(EVTS)的MITS上位机控制软件进行模拟仿真，可在实验室获得与外路实验相同的电池测试数据，同时电池的放电通过测试系统回馈电网，电能可循环使用，该方案具有良好的可复制性，可在较大程度上节省实验成本。

1 插电式镍氢快充混合动力客车

插电式镍氢快充混合动力客车采用3组300 V/40 Ah电池组并联组成300 V/120 Ah电池组，如图1所示。镍氢(Ni-MH)电池属于碱性电池，因其不存在重金属污染问题，称为“绿色电池”，目前镍氢电池所能达到的性能指标为：能量密度(3 h)为55～70 Wh/kg，功率密度为160～500 W/kg，快速充电从满容量的40%充到80%为15 min，循环使用寿命超过1 000次(DOD=100%)，镍氢电池具有能量密度，功率密度较高，快速充电盒深度放电性能好，充放电效率高，无重金属污染，全密封免维护的优点。客车工作在纯电动和混合动力模式，电池剩余电量(Soc)40%时工作在混合动力模式，>40%，时工作在纯电动模式，工作模式切换如图2所示;纯电动模式时最高时速为70 km/h，该车作为公交车使用，一般工作于纯电动模式，电池的Soc在80%～30%，即每次放电量为50%，放电量为60 Ah，可保证纯电动模式下行驶约30 km;采用3C大电流充电，Soc从30%充到80%，即充电量为60 Ah大约需10 min，实现充电10 min，运行30 km的性能。

2 电池管理系统(BMS)

电池管理系统采用分布式主从结构，每套从系统负责每组300 V/40 Ah电池的21路模块电压，总电压，12路温度，支路电流的采样，电池剩余电量(Soc)计算以及和主控板的CAN通讯。主控板负责总电流，总电压的采样，电池剩余电量的计算，故障判断，系统保护和主从内部CAN通讯及主控和整车控制器(ECU)的CAN通讯，结构如图3所示。系统中电流的采样间隔为10 ms，可满足电量安时法的计算要求，电池Soc的计算采用安时积分法加校正来确定。

电池剩余电量(Soc)安时法计算公式如下

式中，α(t)为充放电效率，与电池温度和Soc有关，i(t)为电池充放电电流值，Q为电池额定容量，单位为Ah。

电量数字积分计算公式如下

Q(nT)为nT时刻电池电量，Q(0)为电池初始电量，单位Ah，i(nT)为nT时刻电流值，单位为安培，T为电流采样周期。

CAN通讯：CAN总线是德国BOSCH公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1 Mbit·s-1。数据长度最多为8 Byte，不会占用总线时间过长，从而保证通信的实时性;CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。MC9S12XEC128单片机具有两路CAN控制器，主板的一路CAN控制器用于主从板的内部CAN通讯，另外一路用于主板和整车控制器(ECU)的通讯。系统中CAN通讯速率设置为250 kbit·s-1，通信周期为100 ms。

外部CAN采用周立功CTM8251T通用CAN隔离收发器，CTM8251内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收发器件。芯片的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平并且具有DC2500V的隔离功能，符合ISO11898标准，其原理如图4所示。

内部CAN通信采用TLE6250G作为CAN收发器，TLE6250采用P-DSO-8-3封装，体积小，数据传输速度可达1 Mbit·s-1，应用于12 V或24 V的汽车和工业系统中，其原理如图5所示。

3 数据监控和采集系统

数据监控和采集系统采用Visual C#2010软件平台，通过周立功USB—CAN II智能卡和CAN—bus接口库函数接收BMS的实时CAN采样数据，在上位机软件中进行数据解码和实时监控显示，通过Access数据库存储数据，数据可直接转出保存为Excel格式。数据库和存储的Excel文件中包括3组电池的63个模块电压值，36路温度值，总电压，总电流和3个支路电流，主从板中的Soc值及存储时间，可完整地记录车辆的运行状态，用于后期电池状态研究。

周立功CAN—bus接口库函数使用方法：将库函数文件均放在工作目录下。库函数文件总共有3个文件：ControlCAN.h、ControlCAN.lib、ControlCAN.dll和文件夹kerne ldlls，程序中通过DllImport函数导入dll动态库，并声明库中包含的数据结构和函数。接口函数使用流程。

4 Arbin公司的电动汽车测试系统

美国Arbin公司的电动汽车测试系统(EVTS)通过基于电池管理系统的数据监控和采集系统所保存的车辆外路路况的实际电池数据，在实验室可以模拟电池在原来车辆外路路况时的工作状态。Arbin的电动汽车测试系统(EVTS)是一系列大功率自动电池测试系统，专门用于电动汽车或混合电动车电池的研究测试。系统提供了可编程电源和电子负载用于自动充放电测试及模拟仿真测试，设备具有辅助电压测试、辅助温度测试及CAN BUS通讯等扩展功能。本方案中采用的EVTS可同时获得双路400 V/200 A的输出，两路并联可以得到400 V/400 A输出。汽车纯电动工作时限定电池最大放电电流为360 A，故该系统可以完全模拟汽车实际运行过程中的电池充放电状态。电池的工况实验主要是通过Arbin的电动汽车测试系统(EVTS)的上位机控制软件MITS中的可编程仿真功能来实现，但仿真数据依赖于客车外路测试时通过数据监控和采集系统存储下来的电池数据。

MITS软件的可编程仿真是将输入的从非配置的动态机制中获得的数据作为一个控制函数，来控制测试系统到电池的输出值。

(1)使能仿真控制。仿真控制选项可通过系统配置arbinSys.cfg中，高级选项目录下的仿真控制打开。如果此选项未被勾选，那么在控制方式中的4种仿真功能是不可用的。通过仿真控制，用户可方便地使用仿真文件中的数据作为复杂控制的参数得到任意的、瞬态的函数。仿真文件必须保存为文本文件，存放在C：ArbinsoftwareMits_ProData目录下，文件中，时间和电流作为独立的两列存放，且没有列名，只包含数据，两列之间用tab键隔开，时间和电流的单位分别为秒和安培，电流的正负表示充放。

(2)编辑仿真选项表。

1)在测试选项表中，选择控制方式，同时指定仿真文件。控制方式可是电流、电压或功率仿真。

2)指定仿真文件，右键单击控制值下面的区域，选择指定仿真文件，在弹出的对话框中选择需要进行仿真的文件。

3)设置程序中的一些限定条件，包括最大充放电电压，电流，采样时间和程序运行时间。

5 工况模拟仿真结果

仿真数据采用原有车辆外路实际测试时，BMS采样的电流数据，电流的控制间隔设置为0.3 s，整个过程时间为50 min，Arbin的MITS上位机控制软件的采样周期设置为100 ms，测试过程为纯电动模式，当电池的Soc高于70%时，电池不进行制动回馈，当电池电量低于70%时，有制动回馈过程，整个过程包括启动加速，连续爬坡，连续下坡及连续加速和制动回馈。实际外路和仿真模拟时Arbin采样的电压曲线如图10所示，电流曲线如图11所示。

对比图可知，采用Arbin电动汽车测试系统(EVTS)可较好地获得与外路测试相同的电池工作状态。

原外路测试和仿真模拟实验数据对比。原外路测试数据：初始Soc=85，测试结束Soc=37，全程Soc减少48%，放电量为57.6 Ah。仿真模拟时Arbin电动汽车测试系统总放电量为72.587 Ah，总充电量为14.87 Ah，电量消耗为57.717 Ah，折合电池Soc变化量为48%。模拟仿真时BMS数据：初始Soc=83，仿真结束Soc=33，Soc减少50%，放电量为60 Ah。

仿真测试时BMS测得的放电量大于Arbin电动汽车测试系统原因分析：由图1中高压控制箱的连接可看出，充电枪与电池输出端并联，而系统开始工作时，车上的一部分用电器的电由电池输出，测得平常工作是的输出电流约为2.5 A，测试时间为50 min，即车上用电器的耗电量为2.08 Ah，总电量消耗为59.797 Ah，同时考虑BMS中关于电池充电效率的问题，故测量数据有效。该测试不仅可以模拟外路运行情况，同时，可通过电动汽车测试系统计算出该过程中车辆的制动回馈能量，实验中在Soc变化量为48%，时，车辆制动回馈能量为14.87 Ah，回馈的Soc为12.39%。

实验室模拟的后半部分实际外路，Arbin采样和模拟实验时BMS采样的电压波形如图12所示，电流波形如图13所示。对比电压电流曲线可以看出，实验室模拟仿真可以很好地跟踪外路实验数据，但BMS为了保证采样的实时性，采样数据的上传的实时性受到一定的影响，后期在实验数据同步性方面还需要进行改进。

6 结束语

结合现有实验条件，通过Arbin的MITS上位机控制软件，以电动汽车电池管理系统的实际外路测试数据为依托，在实验室中就可以很好地模拟出外路实验的电池状态。实验证明，模拟实验可以基本替代对电池的外路实验，获得比原来基于台架实验更精确的电池数据，简化了实验过程，同时，实验中电池的放电可以通过Arbin电动汽车测试系统直接回馈电网，使电能得到循环利用，节省了实验时间和成本。