专利名称：一种电池模拟方法及模拟器的制作方法
技术领域：
本发明涉及大容量储能电池领域以及电力电子技术领域，具体涉及一种电池模拟方法及电池模拟器，用以模拟真实的电池(组)的工作外特性，适用锂离子电池、铅酸蓄电池、光伏电池、燃料电池、液流电池和钠硫电池等等。
背景技术：
随着智能电网建设的开展，风电、光能可再生能源发电技术的成熟，大规模大容量的储能电池(如锂离子电池、铅酸蓄电池、光伏电池、燃料电池、液流电池和钠硫电池等等)应用于可再生能源发电系统将起到平滑功率波动、削峰填谷和提高电网可靠性的作用。电池应用于电网储能，是很前沿的研究方向，但是目前仍存在技术、安全和成本方面的制约因素。对于电池在电力系统中的研究,往往只关心电池的外特性而不关心电池的内部机理,而电池模拟器是一种模拟电池外特性的装置，电池模拟器有着巨大的市场和使用价值。在实 际的研究和试验中使用真实的电池原型将会有成本高、维护困难、电池参数变更不灵活等问题，而且可能会有损坏电池的风险。同时对不用的电池进行研究需要高成本购买各种不同种类的电池，电池的购买和维护提高了研究成本，而随着更多新型储能电池的出现，使用电池原型进行试验和研究是不现实的。而通用模拟器的出现将会减少研究成本、加快研究进度、便于灵活改变电池参数和模拟多种电池。目前已有铅酸蓄电池、燃料电池、光伏电池模拟器等，这些电池模拟器存在着能量无法双向流动、拓扑无法满足性能、成本高等问题，同时这些电池模拟器都是单一的针对某种电池原型，无法扩展到模拟所有的电池原型，本发明提供一种电池模拟方法及电池模拟器，用于解决上述不足，同时三电平的拓扑结构使得本发明具有更好的模拟效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电池模拟方法，实现对真实电池的工作特性的模拟。本发明的另一目的是提供一种结构简单、使用方便、参数可调的电池模拟器，能实现对真实的电池的工作特性的模拟。一种电池模拟方法，包括以下步骤(I)设置电池的初始参数，初始参数包括荷电状态SOC和容量C ；(2)采集模拟器当前的输出直流电压V。和输出直流电流I。，依据I。和SOC计算电池直流电压参考值VMf ;(3)以Vref为给定值，V0为反馈量对模拟器进行电压闭环反馈控制；(4)采用电压闭环反馈控制的输出作为调制信号产生正弦脉宽调制波SPWM，利用正弦脉宽调制波SPWM控制模拟器使得其直流输出电压V。等于VMf ；(5)依据I。、V。、C和上一个模拟周期的SOC更新当前的SOC ；(6)重复(2) (5)直到模拟结束。根据权利要求I所述的电池模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)采用查表法或折线法或模型法计算电池直流电压参考值vMf。根据权利要求I所述的电池模拟器，其特征在于，所述步骤(5)的荷电状态SOC更新公式为SOC = S0C+IoXVoX At/C, At为模拟周期。根据权利要求I所述的电池模拟方法，其特征在于，所述电池为锂离子电池、铅酸蓄电池、光伏电池、燃料电池、液流电池和钠硫电池中的任意一种。实现权利要求I或2或3或4所述电池模拟方法的电池模拟器，包括三相三电平电压型PWM变流器(VSC)，其特征在于，三相三电平 电压型PWM变流器(VSC)的驱动输入端依次连接IGBT驱动电路(I)、控制器⑵和电流电压测量/保护电路(3)的输出端，控制器
(2)连接人机界面(4);三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的三个交流输入端均连接三相交流接触器(KM)，三相交流接触器(KM)连接三相隔离变压器(TM)的三个输出端，三相隔离变压器(TM)的三个输入端分别一一对应连接一熔断器(FUSE)后再一起连接到市电；三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的一个直流输出端串接熔断器(FUSE);电流电压测量/保护电路(3)的第一输入端连接电压型PWM变流器(VSC)的交流输入端，电流电压测量/保护电路(3)的第二输入端连接三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的直流输出端。根据权利要求5所述的电池模拟器，其特征在于，所述电流电压测量/保护电路
(3)包括一个信号处理电路、三个一端分别连接在三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的交流输入端和三相交流接触器(KM)之间，另一端连接信号处理电路的交流电流传感器、三个一端分别连接在三相隔离变压器(TM)的三个输入端两两之间，另一端连接信号处理电路的交流电流传感器的交流电压传感器、一个连接在三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的直流输出端与信号处理电路之间的直流电压传感器、一个串接在三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的直流输出端与信号处理电路之间的直流电流传感器。本发明的技术效果体现在本发明电池模拟方法以电池电压、电流和荷电状态等电池参数之间的关系为基础，在工作过程中通过实时检测模拟器工作电流，结合当前S0C，以及其它的电池参数(如温度、光照等)得到电池电压的参考值VMf。控制器以VMf为给定值，控制模拟器的最终直流输出电压使其等于VMf。同时在工作过程中根据工作情况更新荷电状态S0C，通过这种方法达到动态、高精度模拟电池电压、电流和荷电状态SOC的目标，克服了其它电池模拟方法只考虑电池电流和电池电压两者关系的不足。近年来，随着储能技术的发展，电池的电压等级、功率和容量日益增大，因而对电池模拟器的电压等级和容量提出了更高的要求。多电平变流器应用于电池模拟器领域，能够很好的解决上述问题。目前还没有将三电平的拓扑结构用于电池模拟器的应用场合。本发明电池模拟器使用三电平的拓扑结构，相比于两电平拓扑，三电平变流器具有十分明显的优势。两电平拓扑结构的不足之处在于当期应用于高压场合时，需要使用高反压的功率开关管或将多个功率开关管串联使用。此外由于两电平VSC交流侧输出电压总在二电平上切换，当开关频率不高时，将导致谐波含量相对较大，而三电平的具有中点钳位的拓扑结构可以解决这些问题。三相三电平电压型PWM变流器(VSC)设计了具有中点钳位的三相三电平PWM变流器(VSC)拓扑结构，这种拓扑结构中，有多个功率开关管串联使用，并使用二极管钳位，以获得交流输出电压的三电平调制。显然，三相三电平PWM变流器(VSC)在提高耐压等级的同时，有效地降低了交流侧谐波电压、电流，从而改善了网侧波形品质。
本发明电池模拟器的优点具体体现在三个方面一是本发明在现有的电池模拟器的基础上进行创新，采用三相三电平电压型PWM变流器(VSC)作为主拓扑，具有创新性，此拓扑能够满足能力双向流动的要求。二是本发明实用性好、使用范围广，模拟器的参数可以灵活调整和更换，并且可以模拟多种电池。三是三相三电平电压型PWM变流器(VSC)具有提高耐压等级、有效降低交流侧谐波电流改善电网品质等优点。在电池模拟器中增加了三相可调变压器TU，通过调节三相可调变压器来达到调节三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的交流输入电压，使得直流输出端之间的电压范围可以覆盖几十伏到几百伏不等，从而实现电池参数的可调功能。此外，由于参数可调，故电抗器L和直流电解电容Cl、C2均设计为可调形式，从而保证电池模拟器在模拟不同电池参数(电压、电流等)的实验中都能有良好的波形效果。其中，P点模拟电池的阳极，N点模拟电池的阴极。通过选取合适的控制策略，可以达到P、N点之间的电压、电流变化特性与真实电池的外特性一致的效果，此装置具有很高实用和工程价值。
图I为本发明电池模拟方法流程图；图2为本发明电池模拟方法中三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的双闭环控制流程图；图3为锂离子电池的等效数学模型；图4为本发明的实施例所模拟的锂离子电池工作特性示意图；图5为本发明的电路示意图；图6为本发明的三相三电平电压型P丽变流器(VSC)拓扑图；图7为本发明的信号处理电路的组成示意图；图8为本发明的人机界面的组成示意图。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施方式不应理解为对本发明的限制。本发明电池模拟方法，具体为(I)设置电池的初始参数,初始参数包括荷电状态SOC和容量C ；(2)采集模拟器当前的输出直流电压V。和输出直流电流I。，依据I0和SOC计算电池直流电压参考值VMf ;(3)以Vref为给定值，V0为反馈量对模拟器进行电压闭环反馈控制；(4)采用电压闭环反馈控制的输出作为调制信号产生正弦脉宽调制波SPWM，利用正弦脉宽调制波SPWM控制模拟器使得其直流输出电压V。等于VMf ；(5)依据I。、V。、C和上一个模拟周期的SOC更新当前的SOC ；(6)重复⑵ (5)直到模拟结束。步骤(2)中，针对不同种类的电池采用相对应的给定电压计算方式，例如铅酸蓄电池的直流电压参考值为
权利要求
1.一种电池模拟方法，包括以下步骤 (1)设置电池的初始参数，初始参数包括荷电状态SOC和容量C； (2)采集模拟器当前的输出直流电压V。和输出直流电流I。，依据I。和SOC计算电池直流电压参考值； (3)以VMf为给定值，V0为反馈量对模拟器进行电压闭环反馈控制； (4)采用电压闭环反馈控制的输出作为调制信号产生正弦脉宽调制波SPWM，利用正弦脉宽调制波SPWM控制模拟器使得其直流输出电压V。等于VMf ； (5)依据I。、V。、C和上一个模拟周期的SOC更新当前的SOC； (6)重复⑵ (5)直到模拟结束。
2.根据权利要求I所述的电池模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)采用查表法或折线法或模型法计算电池直流电压参考值VMf。
3.根据权利要求I所述的电池模拟器，其特征在于，所述步骤(5)的荷电状态SOC更新公式为SOC = S0C+IoXVoX At/C, At为模拟周期。
4.根据权利要求I所述的电池模拟方法，其特征在于，所述电池为锂离子电池、铅酸蓄电池、光伏电池、燃料电池、液流电池和钠硫电池中的任意一种。
5.实现权利要求I或2或3或4所述电池模拟方法的电池模拟器，包括三相三电平电压型PWM变流器(VSC)，其特征在于，三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的驱动输入端依次连接IGBT驱动电路(I)、控制器⑵和电流电压测量/保护电路(3)的输出端，控制器(2)连接人机界面(4);三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的三个交流输入端均连接三相交流接触器(KM)，三相交流接触器(KM)连接三相隔离变压器(TM)的三个输出端，三相隔离变压器(TM)的三个输入端分别一一对应连接一熔断器(FUSE)后再一起连接到市电；三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的一个直流输出端串接熔断器(FUSE);电流电压测量/保护电路(3)的第一输入端连接电压型PWM变流器(VSC)的交流输入端，电流电压测量/保护电路(3)的第二输入端连接三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的直流输出端。
6.根据权利要求5所述的电池模拟器，其特征在于，所述电流电压测量/保护电路(3)包括一个信号处理电路、三个一端分别连接在三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的交流输入端和三相交流接触器(KM)之间，另一端连接信号处理电路的交流电流传感器、三个一端分别连接在三相隔离变压器(TM)的三个输入端两两之间，另一端连接信号处理电路的交流电流传感器的交流电压传感器、一个连接在三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的直流输出端与信号处理电路之间的直流电压传感器、一个串接在三相三电平电压型PWM变流器(VSC)的直流输出端与信号处理电路之间的直流电流传感器。
全文摘要
本发明涉及一种电池模拟方法及模拟器，模拟方法为依据直流电流和荷电状态得到模拟器直流电压参考值Vref。以Vref为给定值，直流电压为反馈量进行闭环反馈控制，使得实际直流电压跟踪Vref，从而动态模拟电池外特性。电池模拟器包括三相三电平电压型PWM变流器、驱动电路、控制器、测量/保护电路和人机界面。本发明能够动态、高精度地模拟真实电池的工作特性，模拟器结构简单、使用方便、参数可调、实用性好。
文档编号G01R31/36GK102654565SQ20121011218
公开日2012年9月5日 申请日期2012年4月17日 优先权日2012年4月17日
发明者毛承雄, 王丹, 谢俊文, 陆继明, 魏大洋 申请人:华中科技大学