CN105911473A - 一种动力电池无模型快速模拟***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力电池无模型快速模拟***及方法，采用“见微知著‑以小见大”的思想，借助于一个小功率电池测试设备实时在线测试一个小电池模块，根据小电池模块电压变化并综合考虑电池组的不一致性，得到精确的大电池组模拟电压，利用对电流、电压的PID闭环控制，从而控制动力电池模拟器的输出电压，实现对动力电池组的实时在线、快速、精确模拟。本发明无需事先建立动力电池模型库，避免了由于电池模拟误差引进的模拟误差；对动力电池的实时在线、快速、精确模拟。

Description

一种动力电池无模型快速模拟***及方法
技术领域
本发明涉及一种动力电池无模型快速模拟***及方法。
背景技术
真实动力电池供电适应性和操作灵活性差，不仅需要按型号配备大量动力电池，而且还需要配备能量管理***监测与管理，使得测试成本飙升；充电和测试周期长，不能满足试验的快速性、连续性和长期性需求；尤其是真实动力电池是有限能源供电***，每用必衰，不能重复和还原相同条件下的真实测试，也不宜进行诸如紧急制动试验、电机频繁启制动试验等极端工况下的试验。而动力电池智能模拟仪器设备则完全能够避免和解决上述难题。它能够模拟动力电池的供电特性，灵活可控，一机多用，测试安全可靠，可及时回馈吸收测试负载的制动能量，极大地降低研发周期与成本。特别是能够重复性地验证和创造安全故障状况，这是真实动力电池永不能企及的。
如何模拟动力电池真实状态、适应实际工况是极其复杂和困难的，遂使得模拟仪器设备研发工作极具挑战性。这主要缘于动力电池的充放电过程具有高度的非线性和不确定性，其性能参数易受充放电倍率、环境温/湿度、荷电状态、使用方法以及老化程度等众多因素的影响，且相互耦合。尤其是因电池突加负荷或外部短路导致的大倍率放电时的动态过程更是难以模拟。
如图1所示，为目前常采用的电池模拟方法，包括电池模型、电压PID控制器、电池模拟器和负载。工作原理是：电池模型的输入是负载电流和初始SOC0，电池模型输出电压与模拟器输出电压比较作为PID控制器的输入，控制电池模拟器跟随电池模型输出电压变化而变化，从而实现电池模拟器对动力电池的模拟。该方法存在的主要问题是：①建模难度大和模型精度低；②电池模型适用性差，需要建立多种电池模型以适应不同类别电池的模拟需求；③模拟周期长，需要事先对动力电池进行多种测试，建立动力电池模型；④无法真实反映真实动力电池的输出特性。因此，亟需一种无模型的简单、准确、快速的电池模拟装置及实现方法，从而为电池供电装备试验运行和科学探索提供根本保障。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种动力电池无模型快速模拟***及方法，本发明借助于一个小功率电池测试设备实时在线测试一个小电池模块，根据小电池模块电压变化并综合考虑电池组的不一致性，得到精确的大电池组电压，从而控制动力电池模拟器的输出电压，实现对动力电池组的实时在线、快速、精确模拟。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种动力电池无模型快速模拟***，包括小电池模块、电池充放电测试单元、电流PID控制器、电压PID控制器和电池模拟器，其中，所述小电池模块电压等级是需模拟的动力电池电压等级的1/n，所述小电池模块的容量等级是需模拟的动力电池容量等级的1/m；所述小电池模块连接电池充放电测试单元，所述电池模拟器连接有负载，电池模拟器输出的负载电流除以m，作为电流PID控制器的给定值，电流PID控制器输出端连接电池充放电测试单元，实现电池充放电测试单元按照负载电流的变化对小电池模块进行充放电测试，将小电池模块的电压换算成动力电池电压，将其作为电压PID控制器的给定，电压PID控制器的输出连接电池模拟器。
优选的，所述电池模拟器与负载之间设置有电流传感器和电压传感器，分别检测负载电流和动力电池模拟器输出电压。
优选的，所述电池充放电测试单元与小电池模块之间设置有电流传感器和电压传感器，测量小电池模块的充/放电电流和小电池模块端电压。
优选的，所述需模拟的动力电池为由m并n串小电池模块组成的大电池组，其中，n＞1，m＞1。
优选的，所述电流PID控制器根据输入电流和输出电流的差调节PWM，控制所述电池充放电测试单元按照输入电流对小电池模块进行测试。
优选的，将小电池模块的电压换算成动力电池电压，即将小电池模块电压乘以n，并考虑不一致性，获得大电池组的模拟电压。
所述不一致性是指，在串联、并联的过程中，电池单体的电压、剩余电量、内阻、容量、自放电率和库伦效率的影响。
一种动力电池无模型快速模拟方法，包括以下步骤：
(1)动力电池模拟器驱动负载测试，获取动力电池模拟器输出电压和负载电流；
(2)将获得的负载电流除以m，采用闭环PID控制实现按照负载电流的变化对小电池模块进行充放电测试，获得测试中的小电池模块的端电压；
(3)将小电池模块电压乘以n，并考虑不一致性，获得动力电池的模拟电压，将其作为动力电池模拟器的给定输入；
(4)根据获得的动力电池的模拟电压，采用闭环PID控制实现动力电池模拟器的输出电压按动力电池的模拟电压的变化而变化。
优选的，所述步骤(1)中，将获得的负载电流除以m由微控制器进行操作。
优选的，所述步骤(3)中，微控制器借助电压传感器获取小电池模块的端电压。
所述步骤(4)中，电压PID控制器采用闭环PID控制实现动力电池模拟器的输出电压按大电池组模拟电压的变化而变化，从而实现一个小电池模块对一个由m并n串小电池模块组成的大电池组的实时模拟。
本发明的工作原理，将所有待模拟的电力电池组进行划分，以“见微知著-以小见大”的思想，只需要借助于一个小功率电池测试设备对一个小电池模块进行实时在线测试，根据小电池模块电压变化并综合考虑电池组的不一致性，得到精确的大电池组模拟电压，从而控制动力电池模拟器的输出电压，实现对动力电池组的实时在线、快速、精确模拟。无需事先建立动力电池模型库，避免了由于电池模拟误差引进的模拟误差。
本发明的有益效果为：
(1)无需事先建立动力电池模型库，避免了由于电池模拟误差引进的模拟误差；
(2)由于不需要建立电池模型，可实现对动力电池的实时在线、快速、精确模拟；
(3)无须研究动力电池内部复杂的电化学反应，对操作人员的知识水平要求低；
(4)仅需小电池模块即可实现大功率动力电池的在线、精确模拟，减少了对大量动力电池的需求降低测试成本，减少环境污染；
(5)操作简单、可靠，可应用于各类电池，应用范围广，尤其在动力电池测试和应用领域极具推广价值。
附图说明
图1为传统动力电池模拟方法示意图；
图2为本发明的动力电池无模型快速模拟示意图；
其中，1、小电池模块，2、小功率电池测试设备，3、电流PID控制器，4、电压PID控制器，5、动力电池模拟器，6、负载，7、电流传感器和电压传感器。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，目前常采用的电池模拟方法，包括电池模型、电压PID控制器、电池模拟器和负载。工作原理是：电池模型的输入是负载电流和初始SOC0，电池模型输出电压与模拟器输出电压比较作为PID控制器的输入，控制电池模拟器跟随电池模型输出电压变化而变化，从而实现电池模拟器对动力电池的模拟。该方法存在的主要问题是：①建模难度大和模型精度低；②电池模型适用性差，需要建立多种电池模型以适应不同类别电池的模拟需求；③模拟周期长，需要事先对动力电池进行多种测试，建立动力电池模型；④无法真实反映真实动力电池的输出特性。
本发明采用“见微知著-以小见大”的思想，公开了一种动力电池无模型快速模拟方法，借助于一个小功率电池测试设备实时在线测试一个小电池模块，根据小电池模块电压变化并综合考虑电池组的不一致性，得到精确的大电池组电压，从而控制动力电池模拟器的输出电压，实现对动力电池组的实时在线、快速、精确模拟。
如图2所示，一种动力电池无模型快速模拟方法，包括小电池模块1、小功率电池测试设备2、电流PID控制器3、电压PID控制器4、动力电池模拟器5、负载6、若干电流传感器和若干电压传感器7。
动力电池模拟器5连接负载6和电压PID控制器4；
动力电池模拟器5与负载6之间连接电流和电压传感器7，用于检测负载电流和动力电池模拟器输出电压；
小功率电池测试设备2连接小电池模块1和电流PID控制器3；
小功率电池测试设备2与小电池模块1之间连接有电流传感器和电压传感器7，用于测量小电池模块的充/放电电流和小电池模块端电压；
小电池模块电压等级是模拟器模拟电池组电压等级的1/n(n>1)，小电池模块的容量等级是动力电池模拟器模拟电池组容量等级的1/m(m>1)；
动力电池模拟器5的输出电流除以m是小功率电池测试设备2的输入电流；
电流PID控制器3根据输入电流和输出电流的差调节PWM，控制小功率电池测试设备2按照输入电流对小电池模块1进行测试；
小电池模块1在测试中的输出电压乘以n，再考虑电池组的不一致性，得到动力电池模拟器5的输入电压；
电压PID控制器4根据输入电压和输出电压的差调节PWM，控制动力电池模拟器5的输出电压随输入电压的变换而变化，从而实现了一个小电池模块对一个由m并n串小电池模块组成的大电池组的实时在线、快速、精确模拟；
一种应用上述动力电池无模型快速模拟方法，主要包括以下步骤：
(1)获取动力电池模拟器输出电压和负载电流：动力电池模拟器驱动负载测试，微控制器借助于电压传感器和电流传感器获取动力电池模拟器输出电压和负载电流；
(2)对小电池模块进行测试：将步骤(1)获得的负载电流除以m，作为电流PID控制器的给定，并通过闭环PID控制实现小功率电池测试设备按照负载电流的变化对小电池模块进行充放电测试；
(3)获取小电池模块端电压：微控制器借助于电压传感器获得测试中的小电池模块的端电压；
(4)得到大电池组模拟电压：将小电池模块电压乘以n，并考虑大电池组的不一致性，获得大电池组的模拟电压，即为动力电池模拟器的给定；
(5)控制动力电池模拟器模拟大电池组：根据步骤(4)获得的大电池组的模拟电压，电压PID控制器采用闭环PID控制实现动力电池模拟器的输出电压按大电池组模拟电压的变化而变化，从而实现一个小电池模块对一个由m并n串小电池模块组成的大电池组的实时在线、快速、精确模拟。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种动力电池无模型快速模拟***，其特征是：包括小电池模块、电池充放电测试单元、电流PID控制器、电压PID控制器和电池模拟器，其中，所述小电池模块电压等级是需模拟的动力电池电压等级的1/n，所述小电池模块的容量等级是需模拟的动力电池容量等级的1/m；所述小电池模块连接电池充放电测试单元，所述电池模拟器连接有负载，电池模拟器输出的负载电流除以m，作为电流PID控制器的给定值，电流PID控制器输出端连接电池充放电测试单元，实现电池充放电测试单元按照负载电流的变化对小电池模块进行充放电测试，将小电池模块的电压换算成动力电池电压，将其作为电压PID控制器的给定，电压PID控制器的输出连接电池模拟器。
2.如权利要求1所述的一种动力电池无模型快速模拟***，其特征是：所述电池模拟器与负载之间设置有电流传感器和电压传感器，分别检测负载电流和动力电池模拟器输出电压。
3.如权利要求1所述的一种动力电池无模型快速模拟***，其特征是：所述电池充放电测试单元与小电池模块之间设置有电流传感器和电压传感器，测量小电池模块的充/放电电流和小电池模块端电压。
4.如权利要求1所述的一种动力电池无模型快速模拟***，其特征是：所述需模拟的动力电池为由m并n串小电池模块组成的大电池组，其中，n＞1，m＞1。
5.如权利要求1所述的一种动力电池无模型快速模拟***，其特征是：所述电流PID控制器根据输入电流和输出电流的差调节PWM，控制所述电池充放电测试单元按照输入电流对小电池模块进行测试。
6.如权利要求1所述的一种动力电池无模型快速模拟***，其特征是：将小电池模块的电压换算成动力电池电压，即将小电池模块电压乘以n，获得大电池组的模拟电压。
7.一种动力电池无模型快速模拟方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)动力电池模拟器驱动负载测试，获取动力电池模拟器输出电压和负载电流；
(2)将获得的负载电流除以m，采用闭环PID控制实现按照负载电流的变化对小电池模块进行充放电测试，获得测试中的小电池模块的端电压；
(3)将小电池模块电压乘以n，并考虑不一致性，获得动力电池的模拟电压，将其作为动力电池模拟器的给定输入；
(4)根据获得的动力电池的模拟电压，采用闭环PID控制实现动力电池模拟器的输出电压按动力电池的模拟电压的变化而变化。
8.如权利其要求7所述的一种动力电池无模型快速模拟方法，其特征是：所述步骤(1)中，将获得的负载电流除以m由微控制器进行操作。
9.如权利其要求7所述的一种动力电池无模型快速模拟方法，其特征是：所述步骤(3)中，微控制器借助电压传感器获取小电池模块的端电压。
10.如权利其要求7所述的一种动力电池无模型快速模拟方法，其特征是：所述步骤(4)中，电压PID控制器采用闭环PID控制实现动力电池模拟器的输出电压按大电池组模拟电压的变化而变化，从而实现一个小电池模块对一个由m并n串小电池模块组成的大电池组的实时模拟。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117826003A (zh) * 2023-12-29 2024-04-05 湖南恩智测控技术有限公司 电池模拟器控制方法、电池模拟器及存储介质

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050253591A1 (en) * 2004-05-14 2005-11-17 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Cell evaluation device
CN101394096A (zh) * 2007-09-19 2009-03-25 比亚迪股份有限公司 电池组模拟器
CN102570548A (zh) * 2012-01-10 2012-07-11 长安大学 一种模拟蓄电池供电的方法及实现该方法的电源
CN203275628U (zh) * 2012-12-20 2013-11-06 中国北方车辆研究所 一种高压电池组外特性模拟器
CN103954917A (zh) * 2014-05-22 2014-07-30 山东大学 一种单体电池测试模拟装置及实现方法
CN203851060U (zh) * 2014-05-10 2014-09-24 湖北德普电气股份有限公司 一种动力电池模拟装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050253591A1 (en) * 2004-05-14 2005-11-17 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Cell evaluation device
CN101394096A (zh) * 2007-09-19 2009-03-25 比亚迪股份有限公司 电池组模拟器
CN102570548A (zh) * 2012-01-10 2012-07-11 长安大学 一种模拟蓄电池供电的方法及实现该方法的电源
CN203275628U (zh) * 2012-12-20 2013-11-06 中国北方车辆研究所 一种高压电池组外特性模拟器
CN203851060U (zh) * 2014-05-10 2014-09-24 湖北德普电气股份有限公司 一种动力电池模拟装置
CN103954917A (zh) * 2014-05-22 2014-07-30 山东大学 一种单体电池测试模拟装置及实现方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117826003A (zh) * 2023-12-29 2024-04-05 湖南恩智测控技术有限公司 电池模拟器控制方法、电池模拟器及存储介质

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