電池模擬器技術(shù)綜述

摘 要：隨著電池行業(yè)的日益擴(kuò)張，電池的測(cè)試也越來(lái)越被重視。而電池模擬器作為研究電池性能的主要手段，有著無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。本文對(duì)電池模擬器的原理、類(lèi)型進(jìn)行了總結(jié)，分析了電池模擬器的缺點(diǎn)和不足，給出了電池模擬器未來(lái)的研究方向及發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：電池模擬器；類(lèi)型；趨勢(shì)；技術(shù)綜述

儲(chǔ)能技術(shù)是解決現(xiàn)代電力系統(tǒng)中可再生能源并網(wǎng)難題的關(guān)鍵技術(shù)。儲(chǔ)能電池是最主流的儲(chǔ)能技術(shù)，如果使用儲(chǔ)能電池原型進(jìn)行研究，一方面購(gòu)置、維護(hù)儲(chǔ)能設(shè)備需要大量的費(fèi)用，另一方面在進(jìn)行極端工況的實(shí)驗(yàn)時(shí)難免造成損壞，增加了對(duì)儲(chǔ)能的研究成本，延緩了研究進(jìn)度。其次對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)配套和輔助領(lǐng)域進(jìn)行研究時(shí)，也帶來(lái)了諸多不便和困難，如無(wú)法靈活調(diào)節(jié)儲(chǔ)能電池參數(shù)、無(wú)法準(zhǔn)確控制儲(chǔ)能電池工況、電池充放電時(shí)間較長(zhǎng)等。因此很有必要使用電池模擬器來(lái)代替電池原型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究，便于降低研究成本、加快研究進(jìn)度、減少實(shí)驗(yàn)的不便。

一、電池模擬器分類(lèi)

電池模擬器是一種模擬儲(chǔ)能電池外特性的裝置，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、易于維護(hù)的特點(diǎn)?，F(xiàn)在已經(jīng)研制出多種電池模擬器，根據(jù)原理的不同，現(xiàn)有的電池模擬器可以分為模擬式電池模擬器和數(shù)字式電池模擬器兩類(lèi)。

（一）模擬式電池模擬器

模擬式電池模擬器大多以小功率的樣品電池作為參考模型，通過(guò)對(duì)樣品電池的V-I 特性進(jìn)行跟蹤和功率放大來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬。模擬式電池模擬器的主要不足是主電路簡(jiǎn)單，輸出功率小，處理功能不強(qiáng)，特性誤差大。

（二）數(shù)字式電池模擬器

數(shù)字式電池模擬器則是結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)研制而成，具有較強(qiáng)的處理能力和更大的輸出功率。其中，根據(jù)控制器的不同可分為基于上位機(jī)和基于單片機(jī)兩種?；谏衔粰C(jī)的數(shù)字式電池模擬器原理是利用功能強(qiáng)大的上位計(jì)算機(jī)作為 CPU，在上位機(jī)的存儲(chǔ)器中手動(dòng)錄入電池外特性數(shù)據(jù)，工作時(shí)根據(jù)工作狀況通過(guò)查表的方法來(lái)確定實(shí)際工作點(diǎn)，然后控制開(kāi)關(guān)器件使其輸出給定的電壓。這是一種較為精確的方法，但需要手動(dòng)輸入大量數(shù)據(jù)，工作量大，并且需要有功能強(qiáng)大的上位機(jī)，成本高?；趩纹瑱C(jī)的數(shù)字式電池模擬器的原理也類(lèi)似，但是以功能強(qiáng)大的單片機(jī)取代專(zhuān)用的上位機(jī)，保證了一定精度的前提下降低了成本，是目前的主流電池模擬器。

從應(yīng)用的儲(chǔ)能電池種類(lèi)不同可以分為幾種：

1.光伏電池模擬器

太陽(yáng)能光伏電池模擬器，由于光伏電池板的造價(jià)高，提高了光伏電池研究成本。因此，利用光伏電池模擬器可以方便地模擬光伏電池在各種工況下的工作特性，代替實(shí)際光伏電池進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，有助于縮短研發(fā)周期，提高研究效率。同時(shí)，由于光伏電池模擬器只需考慮放電工況，所以它們均選擇了不控整流+DC/DC 變流器或者直流穩(wěn)壓電源+DC/DC 變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.燃料電池模擬器

針對(duì)使用燃料電池將涉及氫氣存儲(chǔ)和場(chǎng)地建設(shè)等一系列問(wèn)題，且燃料電池的購(gòu)買(mǎi)成本與運(yùn)行維護(hù)成本均較高等問(wèn)題，燃料電池模擬器裝置采用直流穩(wěn)壓電源+buck 變流器的拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池的模擬。

3.鎳氫電池模擬器

用于航空領(lǐng)域的鎳氫電池模擬器，該裝置采用轉(zhuǎn)換裝置分別模擬充電工況和放電工況。

4.全智能電池模擬器

全智能電池模擬器一般用于新能源汽車(chē)電機(jī)領(lǐng)域，該裝置作為一種電源裝置，可以方便用于新能源汽車(chē)的電機(jī)及其控制器測(cè)試中。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用三相電壓型 PWM 變流器+雙向 DC/DC 變流器，可以方便地實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)充放電電流的正弦波形和高功率因數(shù)控制，對(duì)電網(wǎng)無(wú)污染。

此外準(zhǔn)確的電池模型是研制電池模擬器的基礎(chǔ)。根據(jù)模型的形式，電池模型有電化學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型和電氣模型三種。電池的電氣模型還可以細(xì)分為三種：等效電路模型，交流阻抗模型和運(yùn)行時(shí)間模型。對(duì)于交流阻抗模型，它通過(guò)電化學(xué)阻抗譜的方法得到頻域交流等效阻抗模型，隨后用一個(gè)等效的復(fù)阻抗來(lái)匹配這個(gè)阻抗譜。但是這個(gè)匹配過(guò)程復(fù)雜而且不直觀，也不能體現(xiàn)直流特性和電池運(yùn)行時(shí)間。對(duì)于運(yùn)行時(shí)間模型，它采用復(fù)雜的電路拓?fù)鋪?lái)仿真電池的運(yùn)行時(shí)間直流特性。采用大電容來(lái)表征電池容量，電容電壓變化反映了開(kāi)路電壓隨充電荷電狀態(tài)的變化情況。

二、電池模擬器存在的問(wèn)題

綜上述所述，大部分現(xiàn)有的電池模擬器裝置均以不控整流器+DC/DC 變流器或者直流穩(wěn)壓電源+DC/DC 變流器作為模擬器的拓?fù)?。這些模擬器存在以下幾個(gè)不足：

（1）模擬對(duì)象單一，只能模擬一種特定的電池，如光伏電池模擬器只能模擬光伏電池外特性，而無(wú)法模擬其它種類(lèi)的電池。

（2）拓?fù)浯嬖诓蛔?，在不控整流?DC/DC 變流器的拓?fù)湎履芰恐荒軉蜗蛄鲃?dòng)，無(wú)法雙向流動(dòng)，只能模擬電池放電工況，無(wú)法模擬電池的其它工況，故對(duì)可充可放電池的模擬無(wú)能為力。

（3）電池種類(lèi)過(guò)少，缺乏新型電池（如液流電池、鋰電池和鈉硫電池等）的模擬器，給新型大規(guī)模儲(chǔ)能電池的研究帶來(lái)困難。

三、發(fā)展趨勢(shì)

（1）發(fā)展多功能的電池模擬器，以實(shí)現(xiàn)不同種類(lèi)、不同參數(shù)、不同工況的電池的智能模擬，即一臺(tái)電池模擬器可以同時(shí)具備模擬多種電池的功能，為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)高效、安全、可靠地應(yīng)用于可再生能源系統(tǒng)和電網(wǎng)提供有力的技術(shù)支撐。

（2）研究新型電池的模擬器研究，比如液流電池、鈉硫電池等電池的模擬器。

（3）研究電池模擬器和電網(wǎng)之間能量的雙向流動(dòng)，電池模擬器能夠同時(shí)模擬電池的充電情況和放電情況。

（4）研究準(zhǔn)確的電池模型。

四、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)電池模擬器的概況進(jìn)行了介紹，研究了現(xiàn)存電池模擬器的缺點(diǎn)不足，指明了電池模擬器未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

作者簡(jiǎn)介：李龍（1989-），男，漢族，河北人，碩士，研究實(shí)習(xí)員，工作單位：國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作天津中心；畢業(yè)院校：中國(guó)石油大學(xué)（北京）。