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电动汽车动力电池工况模拟实验方案设计

电动汽车动力电池工况模拟实验方案设计

摘要 在电动汽车动力电池实际应用中,需经过长时间的实际路况测试,实验周期长、过程繁杂,且成本高。为解决这一问题,在基于飞思卡尔MC9S12XEG128单片机的电池管理系统(BMS)及C#数据采集监控系统实测数据基础上,基于Arbin的电动汽车测试系统(EVTS)设计动力电池的工况模拟实验平台,实现了对电池多参数的实时采样、显示、存储及实际路况模拟测试,从而实现了在实验室获得实车外路测试相同的电池工作数据。测试结果表明,该方案可获得与外路实车测试相同的结果。

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随着环境污染的加剧,电动汽车以其节能环保的优势越来越受到重视,在电动汽车的研究和发展上,车载动力电池及其管理系统的研究与制造占据着重要的位置。伴随着电动汽车技术的成熟,电动汽车也逐渐从实验品转化为产品。在电动车辆测试中,电池的实际路况测试具有重要的地位,但在应用中,实际路况测试周期较长、成本较高,而台架模拟和实际运行有差别。通过本实验方案的设计可简化该测试过程。该方案依托电池管理系统(BMS)和基于电池管理系统的数据监控和采集系统采集的插电式镍氢快充混合动力客车外路测试电池数据,采用美国Arbin公司的电动汽车测试系统(EVTS)的MITS上位机控制软件进行模拟仿真,可在实验室获得与外路实验相同的电池测试数据,同时电池的放电通过测试系统回馈电网,电能可循环使用,该方案具有良好的可复制性,可在较大程度上节省实验成本。

1 插电式镍氢快充混合动力客车

插电式镍氢快充混合动力客车采用3组300 V/40 Ah电池组并联组成300 V/120 Ah电池组,如图1所示。镍氢(Ni-MH)电池属于碱性电池,因其不存在重金属污染问题,称为“绿色电池”,目前镍氢电池所能达到的性能指标为:能量密度(3 h)为55~70 Wh/kg,功率密度为160~500 W/kg,快速充电从满容量的40%充到80%为15 min,循环使用寿命超过1 000次(DOD=100%),镍氢电池具有能量密度,功率密度较高,快速充电盒深度放电性能好,充放电效率高,无重金属污染,全密封免维护的优点。客车工作在纯电动和混合动力模式,电池剩余电量(Soc)40%时工作在混合动力模式,>40%,时工作在纯电动模式,工作模式切换如图2所示;纯电动模式时最高时速为70 km/h,该车作为公交车使用,一般工作于纯电动模式,电池的Soc在80%~30%,即每次放电量为50%,放电量为60 Ah,可保证纯电动模式下行驶约30 km;采用3C大电流充电,Soc从30%充到80%,即充电量为60 Ah大约需10 min,实现充电10 min,运行30 km的性能。

电动汽车动力电池工况模拟实验方案设计

2 电池管理系统(BMS)

电池管理系统采用分布式主从结构,每套从系统负责每组300 V/40 Ah电池的21路模块电压,总电压,12路温度,支路电流的采样,电池剩余电量(Soc)计算以及和主控板的CAN通讯。主控板负责总电流,总电压的采样,电池剩余电量的计算,故障判断,系统保护和主从内部CAN通讯及主控和整车控制器(ECU)的CAN通讯,结构如图3所示。系统中电流的采样间隔为10 ms,可满足电量安时法的计算要求,电池Soc的计算采用安时积分法加校正来确定。

电动汽车动力电池工况模拟实验方案设计

电池剩余电量(Soc)安时法计算公式如下

式中,α(t)为充放电效率,与电池温度和Soc有关,i(t)为电池充放电电流值,Q为电池额定容量,单位为Ah。

电量数字积分计算公式如下

Q(nT)为nT时刻电池电量,Q(0)为电池初始电量,单位Ah,i(nT)为nT时刻电流值,单位为安培,T为电流采样周期。

CAN通讯:CAN总线是德国BOSCH公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议,它是一种多主总线,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维,通信速率可达1 Mbit·s-1。数据长度最多为8 Byte,不会占用总线时间过长,从而保证通信的实时性;CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能,保证了数据通信的可靠性。MC9S12XEC128单片机具有两路CAN控制器,主板的一路CAN控制器用于主从板的内部CAN通讯,另外一路用于主板和整车控制器(ECU)的通讯。系统中CAN通讯速率设置为250 kbit·s-1,通信周期为100 ms。

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