混合动力储能部件测试平台的开发与特性测试*

李 明　张健磊　石俊杰

（唐山轨道客车有限责任公司产品技术研究中心，063035，唐山∥第一作者，工程师）

混合动力储能部件测试平台的开发与特性测试*

李 明张健磊石俊杰

（唐山轨道客车有限责任公司产品技术研究中心，063035，唐山∥第一作者，工程师）

摘 要针对有轨电车混合动力系统储能部件工作特性，开发了混合动力储能部件特性测试平台。介绍了测试平台的工作原理、系统总体结构，以及平台软硬件系统的组成，阐述了储能部件电压、电流等参数的测试方法。运用该平台，对超级电容、蓄电池产品进行了充放电特性测试，得到了储能部件产品的充放电特性曲线及相应的数据库，为储能部件的选型提供了数据支持。

关键词有轨电车；储能部件；特性测试；测试平台

*国家科技支撑项目（2014BAG08B02）

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

1　混合动力储能部件技术概述

现代有轨电车是城市交通的一种类型，以其舒适、环保、绿色的特征日益受到关注。尤其是混合动力储能部件充放电技术的进步，加快了有轨电车低能耗、低排放水平的提升以及在国内外城市交通中的推广，世界各国均致力于混合动力储能部件及系统装备的研制开发［1］。目前，应用于轨道交通动力系统的储能部件主要为蓄电池、超级电容，他们具有各自的技术特性和结构形式［2］。因此，合理设计车辆混合动力牵引系统，需要对储能部件的特性进行充分测试，再根据储能设备的特性进行全面的匹配设计［3］。

蓄电池作为电化学装置，在充电时将电能变换为潜在的化学能［4］；在放电时则将化学能变换为电能。目前在有轨电车上应用较多的是锂电池。锂电池具有比能量高、比功率高、充放电寿命长、自放电率低、安全可靠等优势［5］。国内生产的锂电池主要有钛酸锂电池和磷酸铁锂电池两种。随着新材料的出现和生产工艺、生产成本的改进，锂电池的应用范围将不断拓展。

超级电容是20世纪70年代末问世的新型储能产品［6］，是介于传统电容器和电池之间的储能元件，具有功率密度大、能量密度高、充电速度快、循环寿命长、对环境无污染等特点。根据储能机理不同，超级电容一般分为双电层电容器和法拉第准电容器［7］。

由于超级电容和蓄电池各有优缺点，目前有轨电车混合动力系统多根据车辆和实际线路条件，采用两者匹配的方案，实现最经济适用的方案配置。本文通过开发储能部件性能测试平台，进行动力电池和超级电容产品的性能测试，得到相应的特性数据，为混合动力列车储能部件产品的选取提供支持。

2　储能部件测试平台设计原理

针对动力电池和超级电容的不同特性，对测试系统进行软、硬件开发。该系统可测试不同放电倍率下动力电池、超级电容的充放电特性，并能实时监测储能设备的电流、电压、内阻、电荷状态（SOC）、能量状态（SOE）、温度等数据；能够实时监测、记录和显示系统数据，提供数据报表和动态曲线。测试平台的原理如图1所示。

图1　测试平台原理图

2.1测试平台的测试对象

（1）电压测试。对储能部件的电压实时监测，主要包括选通环节、前级处理环节、V∕I（电压电流）和I∕V（电流电压）变换环节三个部分，如图2所示。DSP（数字信号处理器）给CPLD（电池选通电路）适当的时钟时，由其内设计选通器选通单个储能部件，送入前级处理电路。为了提高信号间的抗干扰和带负载能力，前级处理电路接入运算放大器组成的电压跟随器和滤波电路。它将电压信号送入V∕I、I∕V变换环节，实现储能部件电压的实时采样。

图2　电压监测电路原理图

（2）电流测试。混合动力电源系统提供给用电负载的电流很大，测量时所选用的电流传感器应将大电流转换为可供DSP直接采样的电压信号。其电路原理如图3所示。电流传感器只需外接正负直流电源，被测电流母线从传感器中穿过或接于原边端子，副边端子再做简单连接即可。前级处理电路能将充、放电电流通过电流型传感器产生的电压转换成可由DSP直接采样的正电压，直接送入DSP采样通道，实现电流采样。

图3　电流监测电路原理图

（3）温度测试。电池的化学反应发生在每个单元电池的内部，但实际工作中，温度传感器不可能安放在电池内部而只能放置在表面。由于大容量的动力电池中间部分散热较慢，温度上升最明显，所以电池的正表面靠中部位置的温度较高。因此，一般将传感器布置在电池正表面的中部位置。

2.2测试平台的测试原理

2.2.1蓄电池充电性能测试原理

蓄电池充电性能测试的基本原理如图4所示。其正负极分别与外电源的正负极相连接，并通过一定的方式对其进行充电，使外电路中的电能转化为化学能储存在其中，同时记录充电过程中电池的充电电压或充电电流随时间变换规律。我国行业

图4　化学电源充电原理示意图

标准QC∕T 743—2006规定，充电量小于0.033 C即认为电池已被充满。

2.2.2蓄电池放电性能测试原理

蓄电池放电性能测试的基本原理如图5所示。将其正极和负极与负载相连，使其化学能转化为电能供给负载，同时记录放电过程中电池电压随时间的变化规律。一般以非常小的放电量对电池进行放电（0. 2 C）至电池电压达到下限，即认为放电完成。

2.2.3超级电容性能测试原理

超级电容相关参数和性能测试的原理与蓄电池类似。

3　储能部件测试平台开发

测试平台包括硬件系统和软件系统两部分。硬件系统由程控电源、电子负载、PC机、储能部件、导线及数据线等组成。软件系统包括下位机数据采集程序、上位机与下位机通信程序、上位机数据处理程序和实时控制程序。测试平台系统总体结构如图6所示。

图6　测试平台系统总体结构

测试平台系统主界面如图7所示。试验配置中包含放电端口设置，充电端口设置，内阻端口设置。测试平台的主要技术指标如表1所示。

图7　测试平台主界面

表1　测试平台的主要技术指标

通过测试蓄电池、超级电容的充放电性能，得出其充、放电特性曲线，可以对蓄电池、超级电容的性能进行分析，从而为混合动力列车的储能部件产品的选取提供支持，并对混合动力列车的运行性能进行整体分析。

4　储能部件产品特性测试及结果分析

4.1蓄电池的充放电特性

测试采用某厂家的磷酸铁锂电池产品，具体参数如下：

电池体系：磷酸铁锂∕石墨；

额定容量：25 Ah；

额定电压：3.2 V；

内阻：≤1 mΩ；

工作电压范围：2～3.65 V；

持续充电量：0～2 C；

持续放电量：0～3 C。

4.1.1蓄电池充电特性

设定恒流充电阶段转换到恒压充电阶段时对应的电压为3.6 V，充电量为1 C（25 A）进行充电。图8为蓄电池充电特性曲线。可见，整个充电过程所需时间为97 min，第一阶段恒流充电52 min，第二阶段恒压充电45 min。

图8　蓄电池充电特性曲线

4.1.2蓄电池放电特性

将该厂家提供的8节电池编为B 1～B 8号，分别进行倍率为1 C（25 A）、3 C（75 A）的恒流放电测试。不同电池在倍率1 C下的放电电压变化曲线如图9所示。8节被测试电池在倍率1 C下放电放出容量均在25 Ah以上，范围为26.8～28 Ah。

图9　1 C放电倍率下蓄电池放电特性曲线

不同电池在3 C倍率下放电电压变化曲线如图10所示。8节被测试电池在3 C倍率下放电放出容量范围为26.3～27.1 Ah。本文选择容量差别在5﹪以内的电池单体组成电池箱，保证电池箱内部各单体和支路充放电的一致性，电源箱实际输出容量可达25 Ah以上。

图10　3 C放电倍率下蓄电池放电特性曲线

B 4号电池在不同放电倍率下的放电特性曲线如图11所示。由此可知，蓄电池放电倍率越大，放电时间越短。

图11　不同放电倍率下蓄电池放电特性曲线

4.2超级电容的充放电特性

针对某厂家提供的超级电容产品进行了充放电特性测试。其具体参数如下：

额定容量：165 F；

电容量容差：-0.2﹪～0.2﹪；

额定电压：48 V；

最低工作电压：28.8 V；

内阻：6.3 mΩ；

放电深度：100﹪。

4.2.1超级电容充电特性

采用100 A对超级电容进行充电，充电特性曲线如图12所示。整个充电过程耗时194 s，第一阶段恒流充电54 s，第二阶段恒压充电140 s。可知，超级电容充电时电压和时间近似线性关系，充电性能较好。

4.2.2超级电容放电特性

设置放电电流分别为100 A、150 A、200 A进行恒流放电测试，放电截止电压为1 V，得到的放电特性曲线如图13所示。在恒流放电试验过程中，放电电流分别为100 A、150 A、200 A时对应的放电时间为53 s、35 s、27 s。可知，超级电容放电时电压和时间近似线性关系，放电性能较好；不同放电电流下可放出电量基本一致，便于设计者进行不同工况的评估。

图12　超级电容的充电特性曲线

图13　超级电容的放电特性曲线

5　结语

本文搭建了有轨电车混合动力储能部件产品特性测试平台，针对蓄电池和超级电容产品进行了充放电性能测试，得到了储能部件产品的充放电特性曲线及相应的数据库，为储能部件的选型提供了有力的数据基础，从而为以后设计混合动力列车的牵引动力系统提供支持。

参考文献

［1］ Osawa M（日）.混合动力车——世界第一辆混合动车［J］.变流技术与电力牵引，2005（2）：40.

［2］ 黄学杰.轨道交通领域锂离子动力电池应用初探［J］.电力机车与城市车辆，2012，35（5）：21.

［3］ 刘友梅.轨道电力牵引新能源列车的思考［J］.电力机车与城市车辆，2012，35（5）：1.

［4］ 张成龙.锂离子电池研究现状及展望［J］.科技向导，2011 （32）：139.

［5］ 何洪文，孙逢春.锂离子电池的充放电的特性研究［J］.北京理工大学学报，2002，25（2）：578.

［6］ 王惠勇，田树仁，夏国明，等.绿色储能元件——超级电容的探讨［J］.智能电器，2011（7）：18.

［7］ 牧伟芳，蔡克迪，金振兴，等.超级电容器的应用与展望［J］.炭素，2010（1）：42.

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

中图分类号TM 912：U482.1

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.011

收稿日期：（2014-03-24）