开发动力电池仿真管理模拟方案设计（开发动力电池仿真管理模拟方案）

高级电力系统

这是德国科技的新一代电源系统，最高水平的多功能程控电源，并配备了强大的分析能力。功率范围为1KW-20KW单机，可通过并联机扩展至400KW。

电池(BSS)

对于开发动力电池管理电路(BMU)的工程师来说是必需的，该电路用于BMU开发和测试期间的电池模拟。

锂电池最基本的单元叫做电池。通常有软包电池、圆柱形电池和方形铝壳电池。3.7V是锂离子电池的标称电压，容量是正常电压范围内的电量之和。多个电池串并联组合形成电池模块，多个电池模块最终组合成高电压高容量电池组。例如，特斯拉的电池组由7000多个18650(新电池组为21700)圆柱形电池组成。国内电动车的主流是由单体容量更大的铝壳方形电芯组成。

电池管理电路(BMS)管理电芯和电池的工作状态，包括充电、放电、温度、工作电压等。使电池工作在安全区域，保证电池的能量在不同的环境和工作场景下得到充分利用，延长电池的使用寿命，避免电池损坏和安全隐患。

因此，电池管理系统的设计和性能质量对电池组非常重要。然而，BMS的设计和测试绝不是普通电源管理(PMS)那么简单。因为BMU的一边是像黑匣子一样的电池，另一边是复杂的电力负载和充电设备。让我们深入这个黑匣子，看看到底发生了什么。

电池的电压水平和标称容量

这是所有电池厂商能提供给BMS开发工程师的最基本参数。如下图所示

但是对于BMS R&D和工程师来说，电池制造商给出的这两个简单参数就足够了吗？

电池内阻：这个问题我想多唠叨几句。

电池的内阻是电池内部的等效串联电阻Rs，通常称为交流内阻(ACR)或DC内阻(DCR)。

如下图，内阻直接影响电池充放电时的端电压。

1.当电池开路(未充电或放电)时，电压端子处的电压等于3.79V的开路电压；

2.1A放电时，电流进出电池，电池端电压下降到3.316V；

3.1A充电时，电流流入电池，电池端电压升至3.95V；

需要提醒的是，电池的内阻不同于一般的物理电阻。电池的内阻可分为极化内阻和欧姆内阻。欧姆内阻随电流线性变化，极化内阻主要取决于电极材料、电解质、隔膜等。这会导致电池的端电压在充放电过程中呈现复杂的变化状态。

如下图所示，我们使用APS电源拉脉冲电流，同时利用其200KSa/s(18bit)的高速采样能力来监测电池的端电压。可以看出，其变化呈现出三个不同的阶段。

1) v1是电池电压随电流的突变，表现为交流内阻ACR，v1/I2；

2) V2是电池极化过程中电压的变化，表现为DC内阻DCR，(v2 v1)/I2；

3) V3是电流I充电时电池的电压上升率，反映电池的容量C=I2 * t/V3。

还需要注意的是，SoC和温度对电池内阻的影响很大。比如一个电芯在室温25、Soc 100%时的内阻，和在-20、Soc 10%的低温下可以相差55倍！

电池内阻直接限制了电池的快速充电和大电流放电，进而影响实际放电容量。(注：电池的内阻不仅是电池单元的内阻，也是电池保护/管理电路的引线和从电池到电路输入端的引线电阻

如上图所示，假设A、B、C、D四节电池的标称容量相同，电流开路电压都相同，但是想一想，电流功率也是一样的吗？电力的分配对电池特性的影响有多大？根据电池的上述四个特点，哪一个不适合快充，哪一个不适合快放？结合上面提到的知识，得出结论应该不难！

所有这些都可以帮助工程师更好地设计和测试BMS。但是在测试BMS的时候，很多工程师通常是直接连接锂电池组进行测试。但是锂电池是一种化学能，它本身是不可控的。很难保持在试验要求的工作状态，又缺乏必要的保护，导致工程师的试验工作艰难、费时费力，还要通宵加班，疲惫不堪！

1)动力电池容量大。要改变电池的电压，必须完全充放电，费时费力，成本高。

2)电池管理电路尚未保证工作性能，在进行过压、欠压、过流、高温测试时，可能导致安全隐患和电池使用危险。

用电池模拟系统(BSS)代替电池来验证BMS、PCS、OBC等电源转换模块的功能和性能是一种科学的选择。BSS方案可以由电源和负载组合构成，也可以由双向电源构成。由于是模拟电池，BSS特性需要在关键性能上最接近真实电池。对此，我们给出以下三个重要提示：

提示1:

电流和吸收的无缝转换

理想的电池是恒压源，输出电流和吸电流的转换是无缝的，即电池电压不会因为电流的正负变化而突然变化，如上图所示。但如果采用独立电源和负载组合的BSS来模拟电池恒压源的特性，电源和负载工作在恒压CV模式，电子负载的电压略高于电源。

同时，必须在电源的输出端串联一个阻塞二极管，以防止电源电流被反灌损坏。如下图所示，当电池模拟器的电流在正负之间切换时，电池电压会突然发生变化。

所以用具有双向无缝切换能力的APS来模拟电池，就可以避免这个问题。

提示2:

电池内阻模拟和UVP(欠压保护)

如前所述，电池的内阻对电池充放电过程中的端电压影响很大，尤其是对电池快速充电、高倍率放电等性能的验证。同时，电池的电压必须始终工作在电池的正常工作电压区。当电压进入电压报警区时，电池模拟器应切断电池的电源。

过压保护OVP是测试电源的标准功能，但APS还提供了独特的欠压保护UVP功能，可以保护电压低于预警。此外，OVP和UVP保护的响应时间也是一个非常重要的性能。例如，APS的电压保护的典型响应时间小于30uS。

下图是APS电脑的程控软件BV9200。在任意ARB波形下施加10A、-10A、0A三个中等幅度电流时，APS电源模拟一个48V电池，内阻为0.1时电压和电流发生变化。

APS电池内阻的仿真性能

提示3:

电压瞬态响应

瞬态响应是指负载电流突然变化时电压降和过冲的波形特征。评价指标包括作为电压恢复到输出值的持续时间的响应时间，以及过冲幅度或绝对电压值的百分比。

锂电池的瞬态响应时间几乎为零，任何DC电源的瞬态响应速度都不可能比锂电池好。如下图所示，RP7946A模拟的48V电池在cur时电压波动极小(0.5V/48V，约1%)