用于电子差速控制的轮毂式电动汽车电池模拟器硬件在环系统研究

刘助春

（湖南汽车工程职业学院，湖南 株洲 412000）

轮毂式电动汽车将四个轮毂电机分散到各个车轮中，具有结构紧凑、传动效率高、转矩分配灵活等优点，成为电动汽车的一个研究热点[1-2]。由于轮毂式电动汽车四个车轮可独立控制驱动/制动转矩，能很好的拓展电池系统的功能，从而为实现差速控制功能试验做铺垫。电池系统是提高电动汽车安全性，延长使用寿命的关键[3]，目前轮毂式电动汽车电池系统一般通过纯数值仿真或实物试验来验证电池管理系统的有效性，纯数值仿真结果的可信度往往受到质疑，实物试验由于实验过程中不可控因素过多，易造成实物损坏，严重时甚至造成人员伤亡。因此电池模拟器硬件在环测试系统应运而生。

陈雨飞[4]设计的电池管理系统测试平台通过两个大小量程的可调电阻调节，可实现220～400V 电压调节范围，由于电池测试系统不是为了单一种类设计的，低压范围并不在此测试系统的调压范围内，不具有普适性；汪田洲[5]设计电池系统可以实现80 块电池并联充电，但并不能测试串联的电池系统；闫斌[6]构建了电池硬件在环模型，具备模拟单体电池的能力，但不能测试多数量的电池组测试；闫斌[7]基于RT-lab 平台构建了电池硬件在环测试系统，具有模拟一定数量单体电池串联和并联的功能；杨刘倩[8]搭建了电动汽车用电池管理系统的硬件在环平台，只能模拟单一固定种类的电池，并不能根据电池种类灵活通过软件编程，模拟调节电池种类。

本文设计的轮毂式电动汽车电池模拟器硬件在环测试系统具有软件编程模拟五种以上种类的电池充放电特性，同时电压调压范围为43 V～800 V，覆盖主流电动汽车的电压等级，可以满足不同种类、不同组合方式的电池测试，同时为后续电子差速功能试验的实现奠定基础。

1 电池模拟器硬件在环测试系统总体设计

1.1 功能分析

电池模拟器硬件在环测试系统由控制柜断路器、交流电抗器、AFF2000 以及其他控制部分组成。可通过上位机控制软件实现直流电源、电池充放电、电池模拟功能，且具有电流双向回馈的功能。

电池模拟器硬件在环测试系统是在双向直流电源基础上，通过嵌入的电池模型进行电压与电流控制，实现电池充放电特性模拟。在电池放电时，根据放电电流更新电池输出电压和SOC 值；同理，在电池充电时，根据充电电流更新电池工作电压和SOC 值。与此同时，电池模拟器硬件在环测试系统建立有安全保护机制，如最大电流保护，过充过放保护等措施。电池模拟器硬件在环测试系统可根据需求建立不同的电池模型，用以模拟相应电池的充放电特性。

1.2 电池模型

电池模拟器硬件在环测试系统的实质是在双向直流电源的基础上，利用电池模型进行电压和电流控制，因此电池模型是电池模拟器核心软件。本文开发的试验系统在权衡精度和复杂性的基础上，选择广泛应用的2RC 等效电路模型建立电池模型。电池的等效电路模型如图1 所示。

图1 电池等效电路简化图

动力电池的工作电压和电流分别表示为V0和I，电阻Ri表示动力电池内阻；R1和C1描述电池双电层部分的荷电变化，其两端电压是界面过电位V1；R2和C2用子描述扩散现象，上图描述的扩散现象等效为一个RC回路，其两端电压是V2；理想电压源简化为一个电容Cb，它表示动力电池的存储电能能力的大小，Cb两端的电压为Vb，它表示电池的开路电压。

电池放电时的输出方程：

式中τ1，τ2为时间常数，τ1=R1C1，τ2=R2C2，Vb（SOC）、Ri、R1、R2、C1、C2皆为电池模型参数，需要在相应位置编辑数值或者公式，I 为实时电流(A)，t 为时间(s)，SOC 为电量（0～100%或0～1的小数）。

2 上位机界面设计

2.1 直流电源界面

直流电源能提供定值恒压输出带动电机或通过模拟电池特性带动电机，可根据不同负载的需求，模拟5 种以上的电池充放电特性能，直流电源界面如图2 所示。

图2 直流电源界面

2.2 电池充放电界面

电池充放电能为外部实际电池组充、放电，可根据外部实际电池充放电参数的需求，为外部电池进行恒压充电以及恒流放电。若模拟事先建好的电池特性当实际电池组电源，可根据外部使用电池的特性，为搭建好的电池特性模型充当电源，电池充放电界面如图3 所示。

图3 直流电源界面

2.3 模拟电池界面

根据所需输出电压范围及运行时间估算电池组串联与并联数（初始端电压=单体电压*串联数，电池总电量=单体电量*并联数），搭建好的电池特性模型充当电源，如图4 所示。

图4 模拟电池界面

3 测试结果及分析

为了验证轮毂驱动电动汽车电池模拟器硬件在环测试系统的实际效果，选择直流电源功能，在图4 中输入稳压值为260 V，测试其相关性能。

从图5 可以看出，电流恒定在0.57 A，功率为0.15 kW，消耗0.02 Ah 的电量，电池输出电压恒定控制在260.5 V，和输入的稳压电源值基本一致，误差在合理范围内。

图5 模拟电池实验界面

4 结论

本文设计了轮毂式电动汽车电池模拟器硬件在环系统，对系统硬件部分以及上位机界面进行了开发设计，具有直流电源、电池充放电、电池模拟的功能，覆盖主流电动汽车的电压等级具有软件编程模拟五种以上种类的电池充放电特性，可实现输出电压连续多档调节，覆盖主流电动汽车的电压等级，可以满足不同种类、不同组合方式的电池测试，可以实现电子差速控制的电池模拟，为其功能测试的实现奠定基础。