研

究

背

景

       汽车动力锂电池在工作过程中往往需要大倍率充放电，而在实验室中如何方便地实现锂电池可控地大倍率充放电是电池充放电实验中面临的一个问题。目前电池实验是通过电化学工作站或者专业的充放电仪来进行，而一般的电化学工作站主要功能为测量电池参数，其放电倍率很少能达到10 C，充放电仪通常采用馈能式电子负载，其可以达到很高的放电倍率且可以循环利用能源，但是价格昂贵。孟彦京等设计了一种DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)控制的电池充放电效率实验系统，其放电回路使用的是Boost电路，故其电池放电时只能升压而不能降压，不能实现零到最高放电倍率的任意功率放电，故该系统只能用于某些特定功率的放电实验而不能模拟车辆行驶工况的电池放电。贾高峰等曾设计一种动力电池组性能测试系统，其放电器使用Cuk变换器和变阻器，利用PWM(Pulse-Width Modulation)波控制输出电压的方式控制放电功率，但Cuk变换器也只能实现单向的升降压。曾巍等研制的电池性能检测系统利用VMOS(V-groove Metal Oxide Semiconductor，V形槽金属氧化物半导体)管的GS电位差与导通电流的关系控制放电功率，其放电回路并没有采用升降压技术，鉴于单体电池的低电压水平，希望达到10C的最高放电倍率，其负载阻值将会是0.1Ω级别，功率为100W级别，这一级别电阻较贵，且由于电阻制造精度的问题将会带来较大的实验误差。牛红涛等研究钒电池测试系统时使用的放电仪器为程控直流电子负载，目前直流负载成本大约在8~10元/W，且电流电压功率都有使用限制。刘言新设计的双向流动的电池充放电系统中，充放电电路并不是一种完全意义上的双向升降压电路，而是一种充电Buck和放电Boost的组合电路，只能实现充电降压放电升压的目的，这将使其不能完成汽车行驶工况的模拟工作。同样的电路在赵立萍电动汽车复合储能系统研究中也被利用。

创新点及解决的问题

       本文设计了一套能够实现电池高倍率放电并且可按工况输出的电池测试系统。该系统采用一种新型的对称结构的DC/DC(Direct Current to Direct Current converter，直流到直流变换器)其能够实现任意方向的升压和降压功能，能够实现单体最高30 A的大电流放电，完全满足了单体电池各种工况的放电需求；并且本系统基于MATLAB编程，故可以基于MALAB自定义测试需求。

重点内容导读

      基于PWM(Pulse-Width Modulation，脉冲宽度调制)波和VISA(Virtual Instrument Software Architecture，虚拟仪器软件结构)接口设计一套研究电池工况热特性的实验系统，系统可以对电池进行不同工况（如NEDC, New European Driving Cycle，新欧洲循环驾驶、UDDS, Urban Dynamometer Driving Schedule，城市道路循环等）放电实验研究，并可以采集实验过程中的温度信息，采样频率可根据实际需要自定义。文章论述了该系统中PWM波工作原理，根据NEDC工况计算采样精度为0.1s的PWM波数组，用于控制电池按照NEDC工况放电。系统硬件中，DC/DC(Direct Current to Direct Current converter，直流到直流变换器)为一种新型的对称结构的电压转换器，可实现双向升降压，方便工况的模拟；PWM波产生器产生NEDC工况控制信号，控制PWM执行器执行操作。并验证系统关键部件的可靠性和精度。最后，对国内主流18650电池进行NEDC实验并获得其放电温度曲线。

结   论

      该系统不借助于电化学工作站和充放电仪，可进行单体动力锂电池高倍率某工况放电热特性研究。实验证明，该系统运行可靠，电池放电电流跟随工况的效果较好，可精确获得电池温度信息。同时系统由于使用的DC/DC电源可自主编程，采样上位机程序由MATLAB编写，故其可扩展性较强，且还可添加其他外设进行其他电池特性的研究。本系统大大节省实验室研究电池特性的设备开支，方便实验室的研究工作。