开发动力电池仿真管理模拟方案

作者：是德科技KEYSIGHT•

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。

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%）