用于電子差速控制的輪轂式電動汽車電池模擬器硬件在環系統研究

劉助春

（湖南汽車工程職業學院，湖南 株洲 412000）

輪轂式電動汽車將四個輪轂電機分散到各個車輪中，具有結構緊湊、傳動效率高、轉矩分配靈活等優點，成為電動汽車的一個研究熱點[1-2]。由于輪轂式電動汽車四個車輪可獨立控制驅動/制動轉矩，能很好的拓展電池系統的功能，從而為實現差速控制功能試驗做鋪墊。電池系統是提高電動汽車安全性，延長使用壽命的關鍵[3]，目前輪轂式電動汽車電池系統一般通過純數值仿真或實物試驗來驗證電池管理系統的有效性，純數值仿真結果的可信度往往受到質疑，實物試驗由于實驗過程中不可控因素過多，易造成實物損壞，嚴重時甚至造成人員傷亡。因此電池模擬器硬件在環測試系統應運而生。

陳雨飛[4]設計的電池管理系統測試平臺通過兩個大小量程的可調電阻調節，可實現220～400V 電壓調節范圍，由于電池測試系統不是為了單一種類設計的，低壓范圍并不在此測試系統的調壓范圍內，不具有普適性；汪田洲[5]設計電池系統可以實現80 塊電池并聯充電，但并不能測試串聯的電池系統；閆斌[6]構建了電池硬件在環模型，具備模擬單體電池的能力，但不能測試多數量的電池組測試；閆斌[7]基于RT-lab 平臺構建了電池硬件在環測試系統，具有模擬一定數量單體電池串聯和并聯的功能；楊劉倩[8]搭建了電動汽車用電池管理系統的硬件在環平臺，只能模擬單一固定種類的電池，并不能根據電池種類靈活通過軟件編程，模擬調節電池種類。

本文設計的輪轂式電動汽車電池模擬器硬件在環測試系統具有軟件編程模擬五種以上種類的電池充放電特性，同時電壓調壓范圍為43 V～800 V，覆蓋主流電動汽車的電壓等級，可以滿足不同種類、不同組合方式的電池測試，同時為后續電子差速功能試驗的實現奠定基礎。

1 電池模擬器硬件在環測試系統總體設計

1.1 功能分析

電池模擬器硬件在環測試系統由控制柜斷路器、交流電抗器、AFF2000 以及其他控制部分組成。可通過上位機控制軟件實現直流電源、電池充放電、電池模擬功能，且具有電流雙向回饋的功能。

電池模擬器硬件在環測試系統是在雙向直流電源基礎上，通過嵌入的電池模型進行電壓與電流控制，實現電池充放電特性模擬。在電池放電時，根據放電電流更新電池輸出電壓和SOC 值；同理，在電池充電時，根據充電電流更新電池工作電壓和SOC 值。與此同時，電池模擬器硬件在環測試系統建立有安全保護機制，如最大電流保護，過充過放保護等措施。電池模擬器硬件在環測試系統可根據需求建立不同的電池模型，用以模擬相應電池的充放電特性。

1.2 電池模型

電池模擬器硬件在環測試系統的實質是在雙向直流電源的基礎上，利用電池模型進行電壓和電流控制，因此電池模型是電池模擬器核心軟件。本文開發的試驗系統在權衡精度和復雜性的基礎上，選擇廣泛應用的2RC 等效電路模型建立電池模型。電池的等效電路模型如圖1 所示。

圖1 電池等效電路簡化圖

動力電池的工作電壓和電流分別表示為V0和I，電阻Ri表示動力電池內阻；R1和C1描述電池雙電層部分的荷電變化，其兩端電壓是界面過電位V1；R2和C2用子描述擴散現象，上圖描述的擴散現象等效為一個RC回路，其兩端電壓是V2；理想電壓源簡化為一個電容Cb，它表示動力電池的存儲電能能力的大小，Cb兩端的電壓為Vb，它表示電池的開路電壓。

電池放電時的輸出方程：

式中τ1，τ2為時間常數，τ1=R1C1，τ2=R2C2，Vb（SOC）、Ri、R1、R2、C1、C2皆為電池模型參數，需要在相應位置編輯數值或者公式，I 為實時電流(A)，t 為時間(s)，SOC 為電量（0～100%或0～1的小數）。

2 上位機界面設計

2.1 直流電源界面

直流電源能提供定值恒壓輸出帶動電機或通過模擬電池特性帶動電機，可根據不同負載的需求，模擬5 種以上的電池充放電特性能，直流電源界面如圖2 所示。

圖2 直流電源界面

2.2 電池充放電界面

電池充放電能為外部實際電池組充、放電，可根據外部實際電池充放電參數的需求，為外部電池進行恒壓充電以及恒流放電。若模擬事先建好的電池特性當實際電池組電源，可根據外部使用電池的特性，為搭建好的電池特性模型充當電源，電池充放電界面如圖3 所示。

圖3 直流電源界面

2.3 模擬電池界面

根據所需輸出電壓范圍及運行時間估算電池組串聯與并聯數（初始端電壓=單體電壓*串聯數，電池總電量=單體電量*并聯數），搭建好的電池特性模型充當電源，如圖4 所示。

圖4 模擬電池界面

3 測試結果及分析

為了驗證輪轂驅動電動汽車電池模擬器硬件在環測試系統的實際效果，選擇直流電源功能，在圖4 中輸入穩壓值為260 V，測試其相關性能。

從圖5 可以看出，電流恒定在0.57 A，功率為0.15 kW，消耗0.02 Ah 的電量，電池輸出電壓恒定控制在260.5 V，和輸入的穩壓電源值基本一致，誤差在合理范圍內。

圖5 模擬電池實驗界面

4 結論

本文設計了輪轂式電動汽車電池模擬器硬件在環系統，對系統硬件部分以及上位機界面進行了開發設計，具有直流電源、電池充放電、電池模擬的功能，覆蓋主流電動汽車的電壓等級具有軟件編程模擬五種以上種類的電池充放電特性，可實現輸出電壓連續多檔調節，覆蓋主流電動汽車的電壓等級，可以滿足不同種類、不同組合方式的電池測試，可以實現電子差速控制的電池模擬，為其功能測試的實現奠定基礎。