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摘要：电动汽车用动力电池性能检测系统以AT89C52系列单片机作为系统的控制核心,采用电子逆变技术,由IGBT构成恒流充电电路及VMOS管并联方式组成恒流放电电路,以达到节能,减小体积,降低功耗的目的。系统集电池电压采样、数据处理、充放电控制、数据及曲线打印、键盘显示于一体,不需上位微机即可完成全部检测。充放电过程既可自动控制,也可手动控制。经实际应用证明,本系统性能稳定、实用性强,节能效果明显,充放电电流可达到500A,满足了电动汽车用大容量动力电池及电池组的充放电性能检测、容量和能量测量及寿命实验,解决了电动汽车用动力电池检测的难题。
关键词：电动汽车动力电池；检测；高频回路
随着汽车工业的迅速发展,在给人们带来便利的同时,也给人类的生存环境带来了严重危害。有关研究表明,城市环境污染的70%来源于汽车尾气,汽车尾气污染已成为城市的一大隐形杀手。目前解决这一问题的根本出路在于发展无污染的交通工具,电动汽车随之应运而生。以蓄电池做为动力源的电动汽车,无论从技术上还是经济上都是最可行的。我国从“九五”计划开始对电动汽车进行有组织的研究开发,作为一种战略性的跨世纪重大技术工程加以推动。
长期以来,作为电动汽车动力源的充电电池是限制电动汽车发展的最主要因素,国内外都投入了大量的人力、物力进行研究。电池能否满足电动汽车在各种运行情况下(如起动、爬坡、加速、快速充电等)的使用要求,就需要对电池的充放电性能进行分析检测。经过多年研究,我们在电动汽车用动力电池的检测系统中,运用电力电子技术实现了对镉镍、MH-Ni、铅酸等各种蓄电池性能的全自动检测,其中包括电池容量、能量、充放电平台、-ΔV出现时间、寿命等。该系统于1998年通过专家鉴定,本文就该系统的测量原理、技术路线和测量结果分析等方面进行介绍。
1 动力电池检测要求
动力电池的电性能,主要包括:容量、寿命、充电电压高低、放电电压及放电平台,电池内阻、电池充放电表面温升及自放电率等。从一次充放电过程中可测得上述大部分指标。
动力电池的检测过程分四个阶段:(1)充电阶段。充电有充电峰值电压、充电时间和-ΔV等参数的限定,充电终止以先满足的条件为依据。当充电时间、峰值电压和-ΔV其中任一条件满足时,即停止充电,可避免过充对电池的影响。(2)充放电间隔。指充电与放电之间的自放电状态。(3)放电阶段。这是最重要的一个阶段,电池的容量就是在此阶段以放电电流乘以放电时间得到的,放电恒流精度是测量准确与否的保证。该阶段有放电时间、放电截止电位等参数。(4)周期间隔。多周期工作时两周期之间的停止时间,此阶段电池处于自放电状态。
电动汽车用动力电池由多节单体电池串、并联构成,一般电压在100V以上,这要求检测系统有10～200V的电压调整范围;另外,动力电池一般容量都在100Ah以上,为模拟电动汽车在某些特定状况下的运行情况,检测系统应具备大电流充放电的功能,在较宽的范围内任意设定电流值,并能保持电流精确和恒定。为了满足动力电池的检测要求,如果我们在工频(50Hz)基础上设计该系统,体积会很大,能量消耗也会很多。因此,在该系统设计时,我们采用了分离式结构,即充电回路与放电回路分开。充电采用逆变技术,以IGBT为恒流充电核心,开关频率可达20kHz。这样充电部分体积只有原来工频设计方案的十分之一,既节约了材料,又减少了能量消耗。放电采用了多只VMOS管并联方式,放电回路独立于充电回路,可使充电高频回路对自动检测造成的干扰降至最低,从而提高整个系统的稳定性。
2 检测系统原理
2.1 系统组成
如图1所示,该系统是以ATMEL89C52单片机为核心组成的全自动检测装置。它由恒流源、电池电压采样、时钟、数据存储、数据处理、充放电控制、检测数据及曲线打印、参数设定、键盘显示等部分组成。
2.2 系统检测过程
首先根据检测需求,由键盘输入各种参数,启动测试;单片机启动系统内部时钟控制充放电过程,对电池进行数据采集;根据设定的参数,控制测量过程。当充电电压超峰值、充电时间到、-ΔV等任一状态出现,或者出现过流、过热保护时,单片机控制充电电路停止充电,系统进入充放电间隔状态,间隔一定时间后进入放电状态。当电池电压低于截止电位或放电时间到停止放电,一个检测周期结束。最后由单片机进行数据处理,计算该测试周期的容量及能量并显示,由打印机输出电池充放电特性曲线,以便分析。
2.3 充电电路原理
充电电路采用IGBT组成逆变电源,作为充电电路恒流源。
2.3.1 充电电路工作原理
输入三相380V、50Hz交流电,经整流滤波后变换成直流电,由IGBT组成逆变电路,将直流变成20kHz高频交流,经高频变压器将逆变得到的高频电压降至电池充电所需电压,再经整流滤波得到稳定的直流输出用于电池充电。充电回路中加入电流传感器,监测电路并提供负反馈闭环控制的反馈电压,通过TL494组成的脉宽调制电路和EXB841组成的驱动电路,控制IGBT的导通与截止的占空比,从而达到调整恒流的目的。
2.3.2 IGBT原理及特性
IGBT是在MOS器件漏极加一层负P层而制成的,以产生电导调制作用,减少了通态内阻。它具有以下特点:(1)电压驱动输入阻抗高;(2)开关速度快,toff可达1～4μs;(3)载流大,电流密度高,是MOSFET的数倍;(4)开关损耗小,饱和压降低;(5)安全工作区宽。基于IGBT上述优点,将其作为逆变器的开关元件。
由于IGBT工作于高频开关方式,开关频率可达20kHz,导通压降小,消耗能量低,高频变压器体积仅为工频变压器体积的二十分之一,同时,综合目前三种磁性材料各自优缺点,选取性能价格比最优的铁氧体磁性材料作为逆变整流器的主要变压器磁性材料。
2.3.3 驱动与保护
由于逆变电路主功率器件采用IGBT,故驱动电路采用相应的驱动模块EXB841。这种驱动模块驱动能力强,具有隔离及过流保护的能力。保护电路主要有功率元件过温、过流、短路及过压保护。驱动电路的特点有:(1)控制信号输入采用光电隔离;(2)信号电压放大;(3)过流检测;(4)低速过流切断;(5)栅关断电源。
2.3.4 脉宽调制电路
脉宽调制电路采用专用集成芯片TL494,电路如图1所示。频率由5脚和6脚的电阻RT电容CT决定。由于换能器工作一段时间后,工作频率会发生漂移。为了确保逆变电源工作频率跟随换能器谐振效率的目的,脚4受保护电路输出电压控制。在发生过荷时,保护电路输出高电平,封锁控制脉冲。改变1脚电压可改变脉宽,一般脉宽接近180°,留有一定死区。脚6输出的矩齿波经过整形后得到与振荡频率相同的矩形波,作为检测系统的时钟信号[2]。TL494输出两路PWM信号方可送入驱动电路。
（a）隔离 Isolating(b)整形 Wave-improving(C)自保护电路输出
图 1 脉宽调制电路
2.4 放电电路原理
2.4.1 恒流源原理
放电电路采用多只VMOS管并联,组成线性恒流源,原理图如图2所示。
1.给定Setting 2.比较器Complifier
3.放大器Amplifier 4.电流传感器Currentsensor
图2 放电电路原理图
放电回路的电流传感器为霍尔传感器,从中取得的电压信号作为负反馈信号。当电流比设定电流值大时,A点电压升高,负反馈放大器输出电压升高,大于给定电压值,比较器输出为负,VMOS管栅极输入电压值降低,使放电回路电流减小,A点电压下降至给定值电压,反之亦然,达到恒流目的。
2.4.2 限流回路原理
由于单只VMOS管额定功率较低,故放电采用多只VMOS管并联的方式,但在并联过程中,由于各只管子特性不一,只在栅极加入均流电阻的方式不能很好解决均流问题。经长期试验,我们采用的限流方式是通过对各个VMOS管的限流达到所有VMOS管均流的效果。此技术已申请国家实用新型专利,原理如图3所示。
图 3 限流回路原理图
当流经场效应管D、S极之间的电流在设定范围之内时,由于该电流在采样电阻(R1)两端产生的压降不足以使限流回路导通,限流回路不起作用,此时场效应管正常工作。当流经场效应管D、S极之间的电流达到设定值时,在采样电阻R1两端产生的压降使限流回路导通,从而将场效应管G、S极之间电压箝位。箝位电压使场效应管工作于预先由采样电阻R1值限定的电流值上。
2.4.3 由于电动汽车用动力电池在工作中,各阶段的工作电流不同,因此,本系统采用分段放电的方式,以模拟电池放电过程中各阶段的状态,电池容量也是根据不同阶段进行累加所得。
2.5 检测控制组成
检测控制电路核心为AT-MEL89C52,包括256个内存单位和8K内部程序存贮器。采样选用12位A/D转换器MAX187,分辨率可达1/4095,转换时间10μs,外部数据存贮器选用62256静态RAM,存贮测量参数及电压采样数据,存贮量高达32K,且有静电保护功能,外部时钟选用DS1216、与62256以骑背方式安装,节省线路空间[3]。
3 系统的可靠性设计与抗干扰对策
(1)电压和电流采样:采用了二阶低通滤波器和模拟信号光电隔离电路,在D/A转换电路中,也采用了模拟信号光电隔离电路。
(2)硬件系统:采用多重安全措施,如自动切除、声音报警、自动停机等,以确保动力电池在检测过程中不出现危险。
(3)系统软件:采用了数字滤波器和监视定时器等方法。
4 技术性能指标
(1)输入系统电压380V、50Hz、额定功率25kW;
(2)可检测充放电特性、容量、能量;
(3)充放电电流及精度:(10～500A)±0.1%FS;
(4)电压测量范围及精度:(0～50V)±0.1%FS;
(5)循环周期数99个。
5 测试结果分析
5.1 恒流充电
充电恒流精度如表1。任选1组动力电池,用5种不同电流进行试验,每隔10min测量1次,共测量10次,可看出恒流充电精度好于±1%,其中串联电池数在充电过程中由5只减到1只时,电流仍保持上述精度。
5.2 恒流放电
放电恒流精度如表2。任选1组保持上述精度。
5.3 电压测量精度
任选5组电池,进行10次测量,结果如表3。可以看出其精度在±0.1%以内。
5.4 容量检测精度
对同一批电池,任选5只进行6次容量检测,测试结果如表4,可以看出其精度好于±1%。
5.5 系统稳定性
系统连续运行10个周期,共计超过120h,系统能正常稳定无故障工作。
6 结论
系统采用计算机测控技术,克服检测过程中IGBT控制大电流充电、VMOS管并联均流、电压采集、过程控制等诸多难点,使该系统成为多功能、高效率、实用型的汽车用动力电池性能检测装置,解决了当前存在的对汽车动力电池进行检测分析的难点,可以满足各类研究单位和厂家的使用要求,有较高的推广应用价值。
表4 电池容量测试结果
参考文献:
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论文作者:陈明余
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/2/13
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