混合動(dòng)力儲(chǔ)能部件測(cè)試平臺(tái)的開發(fā)與特性測(cè)試*

李 明　張健磊　石俊杰

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心，063035，唐山∥第一作者，工程師）

混合動(dòng)力儲(chǔ)能部件測(cè)試平臺(tái)的開發(fā)與特性測(cè)試*

李 明張健磊石俊杰

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心，063035，唐山∥第一作者，工程師）

摘 要針對(duì)有軌電車混合動(dòng)力系統(tǒng)儲(chǔ)能部件工作特性，開發(fā)了混合動(dòng)力儲(chǔ)能部件特性測(cè)試平臺(tái)。介紹了測(cè)試平臺(tái)的工作原理、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，以及平臺(tái)軟硬件系統(tǒng)的組成，闡述了儲(chǔ)能部件電壓、電流等參數(shù)的測(cè)試方法。運(yùn)用該平臺(tái)，對(duì)超級(jí)電容、蓄電池產(chǎn)品進(jìn)行了充放電特性測(cè)試，得到了儲(chǔ)能部件產(chǎn)品的充放電特性曲線及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，為儲(chǔ)能部件的選型提供了數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞有軌電車；儲(chǔ)能部件；特性測(cè)試；測(cè)試平臺(tái)

*國家科技支撐項(xiàng)目（2014BAG08B02）

Author＇s address P&T Research Center，Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，063035，Tangshan，China

1　混合動(dòng)力儲(chǔ)能部件技術(shù)概述

現(xiàn)代有軌電車是城市交通的一種類型，以其舒適、環(huán)保、綠色的特征日益受到關(guān)注。尤其是混合動(dòng)力儲(chǔ)能部件充放電技術(shù)的進(jìn)步，加快了有軌電車低能耗、低排放水平的提升以及在國內(nèi)外城市交通中的推廣，世界各國均致力于混合動(dòng)力儲(chǔ)能部件及系統(tǒng)裝備的研制開發(fā)［1］。目前，應(yīng)用于軌道交通動(dòng)力系統(tǒng)的儲(chǔ)能部件主要為蓄電池、超級(jí)電容，他們具有各自的技術(shù)特性和結(jié)構(gòu)形式［2］。因此，合理設(shè)計(jì)車輛混合動(dòng)力牽引系統(tǒng)，需要對(duì)儲(chǔ)能部件的特性進(jìn)行充分測(cè)試，再根據(jù)儲(chǔ)能設(shè)備的特性進(jìn)行全面的匹配設(shè)計(jì)［3］。

蓄電池作為電化學(xué)裝置，在充電時(shí)將電能變換為潛在的化學(xué)能［4］；在放電時(shí)則將化學(xué)能變換為電能。目前在有軌電車上應(yīng)用較多的是鋰電池。鋰電池具有比能量高、比功率高、充放電壽命長、自放電率低、安全可靠等優(yōu)勢(shì)［5］。國內(nèi)生產(chǎn)的鋰電池主要有鈦酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池兩種。隨著新材料的出現(xiàn)和生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)成本的改進(jìn)，鋰電池的應(yīng)用范圍將不斷拓展。

超級(jí)電容是20世紀(jì)70年代末問世的新型儲(chǔ)能產(chǎn)品［6］，是介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的儲(chǔ)能元件，具有功率密度大、能量密度高、充電速度快、循環(huán)壽命長、對(duì)環(huán)境無污染等特點(diǎn)。根據(jù)儲(chǔ)能機(jī)理不同，超級(jí)電容一般分為雙電層電容器和法拉第準(zhǔn)電容器［7］。

由于超級(jí)電容和蓄電池各有優(yōu)缺點(diǎn)，目前有軌電車混合動(dòng)力系統(tǒng)多根據(jù)車輛和實(shí)際線路條件，采用兩者匹配的方案，實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)適用的方案配置。本文通過開發(fā)儲(chǔ)能部件性能測(cè)試平臺(tái)，進(jìn)行動(dòng)力電池和超級(jí)電容產(chǎn)品的性能測(cè)試，得到相應(yīng)的特性數(shù)據(jù)，為混合動(dòng)力列車儲(chǔ)能部件產(chǎn)品的選取提供支持。

2　儲(chǔ)能部件測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)原理

針對(duì)動(dòng)力電池和超級(jí)電容的不同特性，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行軟、硬件開發(fā)。該系統(tǒng)可測(cè)試不同放電倍率下動(dòng)力電池、超級(jí)電容的充放電特性，并能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能設(shè)備的電流、電壓、內(nèi)阻、電荷狀態(tài)（SOC）、能量狀態(tài)（SOE）、溫度等數(shù)據(jù)；能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、記錄和顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)報(bào)表和動(dòng)態(tài)曲線。測(cè)試平臺(tái)的原理如圖1所示。

圖1　測(cè)試平臺(tái)原理圖

2.1測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試對(duì)象

（1）電壓測(cè)試。對(duì)儲(chǔ)能部件的電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要包括選通環(huán)節(jié)、前級(jí)處理環(huán)節(jié)、V∕I（電壓電流）和I∕V（電流電壓）變換環(huán)節(jié)三個(gè)部分，如圖2所示。DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）給CPLD（電池選通電路）適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘時(shí)，由其內(nèi)設(shè)計(jì)選通器選通單個(gè)儲(chǔ)能部件，送入前級(jí)處理電路。為了提高信號(hào)間的抗干擾和帶負(fù)載能力，前級(jí)處理電路接入運(yùn)算放大器組成的電壓跟隨器和濾波電路。它將電壓信號(hào)送入V∕I、I∕V變換環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能部件電壓的實(shí)時(shí)采樣。

圖2　電壓監(jiān)測(cè)電路原理圖

（2）電流測(cè)試。混合動(dòng)力電源系統(tǒng)提供給用電負(fù)載的電流很大，測(cè)量時(shí)所選用的電流傳感器應(yīng)將大電流轉(zhuǎn)換為可供DSP直接采樣的電壓信號(hào)。其電路原理如圖3所示。電流傳感器只需外接正負(fù)直流電源，被測(cè)電流母線從傳感器中穿過或接于原邊端子，副邊端子再做簡單連接即可。前級(jí)處理電路能將充、放電電流通過電流型傳感器產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)換成可由DSP直接采樣的正電壓，直接送入DSP采樣通道，實(shí)現(xiàn)電流采樣。

圖3　電流監(jiān)測(cè)電路原理圖

（3）溫度測(cè)試。電池的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在每個(gè)單元電池的內(nèi)部，但實(shí)際工作中，溫度傳感器不可能安放在電池內(nèi)部而只能放置在表面。由于大容量的動(dòng)力電池中間部分散熱較慢，溫度上升最明顯，所以電池的正表面靠中部位置的溫度較高。因此，一般將傳感器布置在電池正表面的中部位置。

2.2測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試原理

2.2.1蓄電池充電性能測(cè)試原理

蓄電池充電性能測(cè)試的基本原理如圖4所示。其正負(fù)極分別與外電源的正負(fù)極相連接，并通過一定的方式對(duì)其進(jìn)行充電，使外電路中的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在其中，同時(shí)記錄充電過程中電池的充電電壓或充電電流隨時(shí)間變換規(guī)律。我國行業(yè)

圖4　化學(xué)電源充電原理示意圖

標(biāo)準(zhǔn)QC∕T 743—2006規(guī)定，充電量小于0.033 C即認(rèn)為電池已被充滿。

2.2.2蓄電池放電性能測(cè)試原理

蓄電池放電性能測(cè)試的基本原理如圖5所示。將其正極和負(fù)極與負(fù)載相連，使其化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能供給負(fù)載，同時(shí)記錄放電過程中電池電壓隨時(shí)間的變化規(guī)律。一般以非常小的放電量對(duì)電池進(jìn)行放電（0. 2 C）至電池電壓達(dá)到下限，即認(rèn)為放電完成。

2.2.3超級(jí)電容性能測(cè)試原理

超級(jí)電容相關(guān)參數(shù)和性能測(cè)試的原理與蓄電池類似。

3　儲(chǔ)能部件測(cè)試平臺(tái)開發(fā)

測(cè)試平臺(tái)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。硬件系統(tǒng)由程控電源、電子負(fù)載、PC機(jī)、儲(chǔ)能部件、導(dǎo)線及數(shù)據(jù)線等組成。軟件系統(tǒng)包括下位機(jī)數(shù)據(jù)采集程序、上位機(jī)與下位機(jī)通信程序、上位機(jī)數(shù)據(jù)處理程序和實(shí)時(shí)控制程序。測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)主界面如圖7所示。試驗(yàn)配置中包含放電端口設(shè)置，充電端口設(shè)置，內(nèi)阻端口設(shè)置。測(cè)試平臺(tái)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖7　測(cè)試平臺(tái)主界面

表1　測(cè)試平臺(tái)的主要技術(shù)指標(biāo)

通過測(cè)試蓄電池、超級(jí)電容的充放電性能，得出其充、放電特性曲線，可以對(duì)蓄電池、超級(jí)電容的性能進(jìn)行分析，從而為混合動(dòng)力列車的儲(chǔ)能部件產(chǎn)品的選取提供支持，并對(duì)混合動(dòng)力列車的運(yùn)行性能進(jìn)行整體分析。

4　儲(chǔ)能部件產(chǎn)品特性測(cè)試及結(jié)果分析

4.1蓄電池的充放電特性

測(cè)試采用某廠家的磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品，具體參數(shù)如下：

電池體系：磷酸鐵鋰∕石墨；

額定容量：25 Ah；

額定電壓：3.2 V；

內(nèi)阻：≤1 mΩ；

工作電壓范圍：2～3.65 V；

持續(xù)充電量：0～2 C；

持續(xù)放電量：0～3 C。

4.1.1蓄電池充電特性

設(shè)定恒流充電階段轉(zhuǎn)換到恒壓充電階段時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓為3.6 V，充電量為1 C（25 A）進(jìn)行充電。圖8為蓄電池充電特性曲線。可見，整個(gè)充電過程所需時(shí)間為97 min，第一階段恒流充電52 min，第二階段恒壓充電45 min。

圖8　蓄電池充電特性曲線

4.1.2蓄電池放電特性

將該廠家提供的8節(jié)電池編為B 1～B 8號(hào)，分別進(jìn)行倍率為1 C（25 A）、3 C（75 A）的恒流放電測(cè)試。不同電池在倍率1 C下的放電電壓變化曲線如圖9所示。8節(jié)被測(cè)試電池在倍率1 C下放電放出容量均在25 Ah以上，范圍為26.8～28 Ah。

圖9　1 C放電倍率下蓄電池放電特性曲線

不同電池在3 C倍率下放電電壓變化曲線如圖10所示。8節(jié)被測(cè)試電池在3 C倍率下放電放出容量范圍為26.3～27.1 Ah。本文選擇容量差別在5﹪以內(nèi)的電池單體組成電池箱，保證電池箱內(nèi)部各單體和支路充放電的一致性，電源箱實(shí)際輸出容量可達(dá)25 Ah以上。

圖10　3 C放電倍率下蓄電池放電特性曲線

B 4號(hào)電池在不同放電倍率下的放電特性曲線如圖11所示。由此可知，蓄電池放電倍率越大，放電時(shí)間越短。

圖11　不同放電倍率下蓄電池放電特性曲線

4.2超級(jí)電容的充放電特性

針對(duì)某廠家提供的超級(jí)電容產(chǎn)品進(jìn)行了充放電特性測(cè)試。其具體參數(shù)如下：

額定容量：165 F；

電容量容差：-0.2﹪～0.2﹪；

額定電壓：48 V；

最低工作電壓：28.8 V；

內(nèi)阻：6.3 mΩ；

放電深度：100﹪。

4.2.1超級(jí)電容充電特性

采用100 A對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，充電特性曲線如圖12所示。整個(gè)充電過程耗時(shí)194 s，第一階段恒流充電54 s，第二階段恒壓充電140 s。可知，超級(jí)電容充電時(shí)電壓和時(shí)間近似線性關(guān)系，充電性能較好。

4.2.2超級(jí)電容放電特性

設(shè)置放電電流分別為100 A、150 A、200 A進(jìn)行恒流放電測(cè)試，放電截止電壓為1 V，得到的放電特性曲線如圖13所示。在恒流放電試驗(yàn)過程中，放電電流分別為100 A、150 A、200 A時(shí)對(duì)應(yīng)的放電時(shí)間為53 s、35 s、27 s。可知，超級(jí)電容放電時(shí)電壓和時(shí)間近似線性關(guān)系，放電性能較好；不同放電電流下可放出電量基本一致，便于設(shè)計(jì)者進(jìn)行不同工況的評(píng)估。

圖12　超級(jí)電容的充電特性曲線

圖13　超級(jí)電容的放電特性曲線

5　結(jié)語

本文搭建了有軌電車混合動(dòng)力儲(chǔ)能部件產(chǎn)品特性測(cè)試平臺(tái)，針對(duì)蓄電池和超級(jí)電容產(chǎn)品進(jìn)行了充放電性能測(cè)試，得到了儲(chǔ)能部件產(chǎn)品的充放電特性曲線及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，為儲(chǔ)能部件的選型提供了有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，從而為以后設(shè)計(jì)混合動(dòng)力列車的牽引動(dòng)力系統(tǒng)提供支持。

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Development of Testing Platform for Hybrid Energy Storage Components and Performance Test

Li Ming，Zhang Jianlei，Shi Junjie

AbstractBased on the operating performance of energy storage components for tramcar hybrid energy storage system，a platform for the hybrid energy storage system performance test is developed.Its working principle，the overall structure and the combination of soft and hard systems are introduced，some testing methods are described.This platform is used for different super-capacitors and power battery products to test their charge∕discharge characteristics，from which the data-base of the storage components is obtained.The testing result provide data support for the type selection of the energy storage components.

Key wordstramcar；energy storage component；performance test；test platform

中圖分類號(hào)TM 912：U482.1

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.011

收稿日期：（2014-03-24）