基于动力蓄电池组性能测试的快速响应滤波方法的研究_图文

1、基于动力蓄电池组性能测试的 快速响应滤波方法的研究彭 琨 1于世涛 2 张丽霞3(1. 保定供电 公司 , 河北 保定 071000; 2. 国电联合动力技术有限公司 , 北京 100044;3. 华北电力大学电气与电子工 程学院 , 河北 保定 071003摘 要 :为了解决电池测试时提高滤波器 动态响应速度的问题 , 对可控阻尼滤 波器算法和 谐振电流 法两类提高 切比雪夫 滤波器方法的性能进行比较研究。基于 MATLAB 下的仿真环 境建立 电池测 试系统 , 从 电池充放 电的稳 态效果 和动态 响应速 度两方面进行具体分析。研究表明 , 极点移位法在电池 测试系统应用中具有更好的综合

2、性能。关键词 :电池测试 ; 滤波器 ; 响应速度动力电池组对其测试系统的输出电流 要求严格 , 其中良 好的稳态效 果 (宽输 出范围 , 电流 纹波不 大于 5%和 快速响 应能力 (转换时间 小于 50ms 是一个 重要的 指标。如 果电流 纹波过大或者响应速度太慢会影响测量的 准确性 , 增大损耗甚至影响蓄电池的寿命。1, 2图 1 电池测试系统原理框图电池测试系统原理 框图 如图 1所示。系 统采 用晶 闸管 全控桥或可逆 PWM 大功率变流器作 为 AC DC 转换模块 ,3,4变流器与电 池之间接以一 H 型 晶闸管 逆变桥 , 当工 作在充 电状态时 , 晶闸管 CT 1, C

3、 T 3导通 , 放电时 C T 2, C T 4导通 , 测试 时循环地以恒定电流 (纹波系 数 ! 0. 5% 对 动力蓄电 池组进 行充、 放电试 验。由于蓄 电池组 内阻极 小 , 测 试设备 输出电 压含较小 的 纹波 就 可能 引起 较 大的 电流 纹 波。例如 , 一组 300V 蓄电池组 , 内阻为 0. 2 , 充电装置输出电压 的纹波系数 为 0. 5%, 那么 , 输出 电流的波动 值为 :A, 若此 时给定 电流是 30A, 则输出电流的纹波系数为 25%。因此 , 直接通过现代变 流技术加简单的滤波技 术难以 达到 直流电 流纹 波系 数小的 基本要求 , 因而需要

4、在动 力蓄电 池组 侧设置 合适 的滤 波器 , 最大限度地降低充、 放电电 流的 纹波 , 并满 足快 速响 应的要求 , 以提 高 测 试精 度 , 降低 在 测 试 时对 电 池 使 用 寿命 的 影响。5,6切比雪夫滤波器因阻带内的衰减具有更 快的增长 速率 , 在动 力电池测试系统中得到了较好的应 用 , 7其衰 减特性如 图 2(a 所示。假 设 为归一 化频 率 : = p , p 称为 截止 频率。在频带 0 1(0 p 范围内 , 最 大衰 减为 A p 。 另外 , 规定在某一频率 s >1( s > p 上 , 衰减 不得小 于 A s 。 频率范围 0 1为

5、通带 , s >1为阻带 , 1 s 为过渡 带。当 1( p 时 ,T 2n ( 在 0与 1之间起 伏 , 从 而衰减 也 在 0与某一由 决定的最大值之间起伏。 s >1时 ,T 2n ( 随频率 单调增大 , 衰减也随之单调增大。其恒压源激励的 单端 接载等效滤波器拓扑结构如图 2(b 所示。图 2 (a 切比雪夫滤波器衰减特 性 (b 单端接载切比雪夫滤波器拓扑 结构切比雪夫多项式的一般形式为 :T n ( =( +-1 n +( +-1 -n2(1根据公式 (1 进 行综合 得到的 滤波器 , 具 有图 2(a 所示的衰 减特性。文献 7从 抑制 电流纹 波的 角度 ,

6、 提出 了基 于切比 雪夫 算法 的蓄电池组测试系统直流侧滤波器的设 计方法 , 达到可, , , 中国电力教育 2008年研究综述与技术论坛专刊调范围大 (充电 角 0 <45 稳态时 电流纹 波小的 目的 , 但是仍未针 对滤波器 动态 响应速 度问 题展开 研究。 本文在 此基础上 , 选择现有 的可控 阻尼 滤波 器算法 , 极 点移 位法以 及谐振电流法 , 将其分别应用于基于电 池测试系 统的切比雪 夫滤波器的设计 , 重点研究三类方法对 滤波器输 出的电池充 放电电流纹波和响应速度的影响。一 、 算法原理分析1. 可控阻尼滤波器设计方法 8(a (b 图 3 可控谐振阻尼滤

7、波器可控谐 振阻尼 LC 输出 滤波器 如图 3所 示 , 图 6(a 9所示的滤波器输出电压对输入电压的传递函数为 :G(s =(1+SC 1R d (C 2C 1+SC 2R d +1+S 2L 2C 2 (1+SC 1R d +S 2L 1C 1 -C2C 1(1+SC 1R d 2(2为了限制滤波器谐振峰值 , 必须对 三个频率 点传递函数 大小进行限制 :第一 级滤波 器谐 振频率 F 1=1 (2! 11,第二级滤波 器谐振频率 F 2=1 (2! 22和变 换器 输入脉动电流 i d (t 基波频率 f 0。在 F 1处 , 有 S 2=-111, 此时 G(S 大小即谐振峰值为

8、 P 1= G(j2! F 1 =1+D d2C 1+D 2d 1-(1F 2 2-2C 12(3式中 D d 第一级 LC 滤波器 的阻尼因数 R d =D d11在谐振频率 F 2处 , 有 S 2=-1L 2C 2, 此时 G(S 大小即谐振 峰值为 P 2=G(j2! F 2 =L 2 L 1由于存在第一级 LC 滤波器 , 高品质因 数的第二级 LC 滤 波器谐振峰值将箝位在 L 2 L 1值上。在 i d (t 基波频率 F 0处 , 有 F 0>>F 1、 F 0>>F 2, 此 时 G(S 大小即谐振峰值为 P F0=G(j2! F 0 =1F 122F

9、 0131d -C 21F 012因此F 0F 1#F 121D d1 3P 1 3F 0+C C 13F 122d为了限制 F 2处的谐 振峰 值 , 要求 201gP 2<0, L 2 L 1应小 于 1, 一般取 L 2 L 1=0. 250. 6 (D 2d =1-P 12(C 2 C 1 2P 11-(C 21 (1+L 21 -1(4由式 (5 可知 , 为使 D d 有实根 , C 2 C 1应尽可 能取小。一 般取 C 2 C 1=0. 050. 1为了进一步滤除高次 谐波含量 , 图 6(b 所示的 滤波器 9将并联臂的 电容和 电阻 细分为 电容 并联 电容电 阻支

10、路的形 式 , 以达到减少高次谐波 , 进一步抑制振荡、 减 少损耗的目的。 但是增加了并联支 路相当于 增加了滤波 器的传输 极点 , 会影 响滤波器的稳定性 , 考虑到电池测试是进行大电流的充、 放电 试验 , 因此本文仅针对图 8(a 所示的拓扑结构进行研究。2. 极点移位法 10极点移位法的原理是 :利用有损耗滤 波器的耗散因数对滤波器传输函数的 归一化零 极点位置造 成左偏移 的特点 , 提 出通过利用网络局 部元件的 损耗 , 令通 带内衰减 极点在尽量 保持原来衰减特性的基础上 , 接近要滤除的频率 , 从而达到理想的滤波效果。根据公式 (1 进行滤波器 的综合 , 得到 n 阶

11、非 匹配型切比雪夫滤波器传输函数的零点有 2n 个 , 表达式为 :r v =jhe j(2v-1 ! 2n+h -1e mj(2v-1 ! 2nv=1, 2, 3, %, nh=+1B=4R 1R 2(R 1+R 2 2若令 r v =#v +j v 则由上式可得 #v =1(h-h -1 sin(2v-1 ! 2n v =1(h-h -1 cos(2v-1 ! 2n 由此可知#2v(h-h -1 2+2v(h+h -1 2=1(5这证明了零点位于一个椭圆上 , 如图 4所示。它 的短半 轴和 长半轴分别为 :a E =1(h-h -1 ; b E =1(h+h -1 图 4 阶切比雪夫衰

12、减函数零极点分布因为电池测试要求对直流损耗尽可能得 小 , 所 以电感不115基于动力蓄电池组性能测试的快速响应滤波方法的研究能串联电阻 。利 用 MATLAB 软件 分析电 池充 放电 时流 经并 臂 C 1和 C 2的电流 , 可以得到流经 C 1的电流 远远大 于 C 2的 电流 , 即增加电容 C 1的损耗对谐 振电流影 响最大 , 因此对滤 波器进行损 耗的设计时 , 将图 3中的换 为电阻和 电容的串联 电路 , 则图 3所示 C 1的 滤波器 成为 局部 有损 的滤 波器。但 是电容对需要滤除的高次谐波的容抗较小 , 局部 并臂增加电 阻相当于改变了滤波器单臂的参数 , 因 而串

13、联电 阻的阻值应 该有所限制。对串联电阻的电容 , 令其为电容器 在基准频 率下的耗散 因数 , 其归一化阻抗为 :z(j R 0=(1j C+R c R 0=1j B +R c B C 1B CR 0=1j +d 1Cd=R c ( B C 则归一化导纳为 :Y(j =1 Z(j = C (j 1+ d + 2d1+ d = C (j +d c(6因为 2d 2 0M, 所 以 , 所 以对 于串 联电 阻形 式的 电容 , 归一化零极点 的横坐 标左 移 , 纵坐标 位置 还会 相对下 移一定的位置 , 即通带 范围 变小。因 为主要 谐振 频率 x 落 在通带以外 , 通带范 围减 小则

14、谐 振频 率处对 应的 衰减 增大 , 因而谐振电 流减小。在 较小影 响滤 波器输 出特 性下 将极点 p 2左移至 p 2, 考虑 到极 点 对衰 减的 影 响 , 极点 坐 标变 动后 p 2应尽量保持在原椭圆的轨迹上。图 2所示的 5阶切比雪夫滤波器在 C 1处串一电阻 r 后 , 输出侧接负载 R 时的转移导纳 Y T (s 可以整理为 :Y T (s =1+rC 1S 2F 2(s =L 1L 2L 3C 1C 2S 5+L 1+L 2C 1C 2RS 4+L 1C 1(L 2+L 3 S 3+L 3C 2(L 1+L 2 S 3+L 1C 1RS 2+RC 2(L 1+L 2 S

15、 2+(L 1+L 2+L 3 S+R +(RC 2(L 1+L 2 S 2+L 3C 2(L 1+L 2 S 3+L 1+L 2+L 3 S+R(rC 1S电池 侧输出电流对单位阶跃电压 (t 的响应为 :i(t =L -1(L (t *Y T (s 二 、 低损耗快速响应滤波器的仿真比较 1. 滤波器设计根据切比雪夫多项式 , 参照图 2(a 的拓 扑结 构 , 当 电池 等效电阻为 0. 2 时 , 设计 滤波器参 数如表 1所示。其中 A P =8, =200! 。表 1 5阶切比雪夫滤波器参数元件归一化值实 际值 13. 8670. 0012(H 10. 7430. 0059(F 2

16、4. 770. 0015(H 20. 7360. 0059(F 33. 6620. 0012(H按照三类提高滤波器响应的算法 , 设计修正后 的滤波器 参数 如下 :(1 L 1=0. 0012h, L 2=0. 0006h, L 3=0. 0012h, C 1=5900%F, C 2=3000%F , C 1电阻 r=1(2 L 1=0. 0012h, L 2=0. 0015h, L 3=0. 0012h, C 1=5900%F, C 2=5900%F , 电阻 r=0. 62. 快速响应滤波器仿真与试验利用 Matlab 软件建立图 1所示的 动力电池 组测试系 统 , 根据 电池组对其测

17、试系统 宽范 围可调、 稳 态效 果和快 速转 换能 力 的需要 , 改变触发角 调节 测试电流 , 对优化 的电池 模型 11, 12进行充、 放电试验。根据文献 7, 晶闸管全控整流桥 输出的电流谐 波含量大 于 PWM 整流器 , 因 此本 文以晶 闸管 三相 全控桥式电路作为动力蓄电池组充放电 主回路 , 研究两 种方 法对基于动力电池测 试系 统的 切比雪 夫滤 波器特 性的 影响。因为全控整流桥 谐波随 的 增大而增大 , 因此 本文只 选取两组实验 结果 :测试电流为 160A(充电 角 =0。 , 放电角 &=87。 和 20A(充电角 =51。 , 放电角 &

18、=60。 的 试验。所得 实验 波形和频谱如图 815所示。图 5为无损滤波器滤波 , 测试电流 为 160A 时电池充、 放 电流 的波形及频谱 , 图 6、 7分别是 经可调谐 振峰值法 和极点 移位 法修正参数后的切比雪夫滤波器滤波 后 160A 测试电流 的波 形及其频谱。(a 测试电流波形 (b 160A 充电 电流频谱 (c 160A 放电电流频谱图 5 五阶切比雪夫滤波器无损滤波时测试电流波形及频谱116基于动力蓄电池组性能测试的快速响应滤波方法的研究 (a 测试电流波形 (b 160A 充电电流频谱 (c 160A 放电电流频谱图 6 160A 可控谐振峰值法改善参数滤波后测试

19、电流波形及频谱(a 测试电流波形 (b 160A 充电电流频谱 (c 160A 放电电流频谱图 7 160A 极点移位法改善参数滤波后测试电流波形及频谱图 8为无 损滤波 器滤波 , 测试 电流为 20A 时 电池充、 放 电流的波形及频谱 , 图 9, 10分 别是经谐 振电流 法 , 可 调谐振峰值 法和极点移位法修正 参数 后的 切比雪 夫滤 波器滤 波后 30A 测试 电流的波形及其频谱 ;(a 测试电流 波形 (b 20A 充电电流频谱 (c 20A 放电电流频谱图 8 五阶切比雪夫滤波器无损滤波时 20A 测试电流波形及频谱(a 测试电流 波形 (b 40A 充电电流频谱 (c 4

20、0A 放电电流频谱图 9 40A 可控谐振峰值法改善参数滤波后测试电流波形及频谱117基于动力蓄电池组性能测试的快速响应滤波方法的研究 (a 测试电流波形 (b 20A 充电电流频谱 (c 20A 放电电流频谱图 10 20A 极点移位法改善参数滤波后测试电流波形及频谱在实验室环境下 , 本文设计了图 1所示的动 力电池组测 试系统 , 应 用 9kW 的 调压器为晶 闸管整流 桥供电 , 调压器输 出线电压有效值为 35V 的前提下 , 系 统由按照 表 1所示的数 据搭建了以 上 三种 滤波 器 进行 小电 流 试验 , 电 池 端电 压为 24. 6V, 内阻为 0. 11。利用 日本

21、横河 公司 (YOKOGAWA 生产 的 DL1600系列数字示波 器观测试验结果 , 将数据 存为 *. csv格式的文档并 利用 MATLAB 的 数学 工具 进行 FFT 计 算。图 11为当充电电流为 20A 时 , 整流桥输出电流和经可控谐振峰 值法 改善参数滤波后测试电流波形对照 , 以及相应 的频谱分 析。图 12为当充电 电流为 20A 时 , 整流 桥输 出电 流和 经极 点移 位法改善参数滤波后测试电流波形对照 , 以及 相应的频 谱分 析。图 11testing current outputted by damping-control method amended fil

22、ter and the spectrum analysis (2. 57% 图 12 testing current ou tputted by pole-shifti ng method amended filter and the spectrum analysis(0. 22%由以上数据可以看出 , 可控谐振峰 值的算法 可以有效减 少谐振峰值 , 因 而提 高 响 应 速度 , 测 试电 流 迅 速 达 到稳 态 (30ms , 但是由于极点位置变 化较大 , 考虑负载 效应较 少 , 因 而对稳 态 效 果 的 影 响 较 大 , 经 仿 真 验 证 , 可 调 范 围 较 小 (6

23、0A 。极点移位法 由于考 虑了 低通 滤波器 在通 带、 阻带的 衰减特性 , 而将极点 的位置 限制 在原 来的椭 圆附 近 , 因而影 响了响应速度 , 但是 有较 宽的可 调范 围 (120A 。综 合考 虑 , 因为蓄电池组对电流纹波要求较高 , 因 此采取极 点移位法提 高电池测试的响应速度 , 是比较理想的可行办 法。三 、 结论滤波 , 可以达到良好 的稳态 效果 , 但 是仍有 相应 速度较 慢的 缺点。可调谐振峰 值法和 极点 移位 法均可 用于 修正滤 波器 参数 , 提高响应速度 , 而且 均有 独特 的优势 和一 定的可 调节 范围 。2. 可控谐振峰值的算法具有 可

24、控谐振峰 值、 高衰 减和低 损耗的特点 , 可以有效地减少谐振峰 值 , 提高 响应速度 , 但是 对滤波器参数 变动较大 , 影 响了 稳态效 果 , 适合 于对系 统响 应速 度要求严格 , 但 是对输 出电 压、 电流可 调范 围要求 较低 的场 合。3. 极点移位法利用电容元件 损耗对传输 极点的影响 , 在 118基于动力蓄电池组性能测试的快速响应滤波方法的研究基于动力蓄电池组性能测试的快速响应滤波方法的研究 点左移, 以达到提高响应速度的目的 , 因此 稳态效果好 , 可调 范围较大。综合考虑, 极点移位法有较 大的可调 范围和良好 的稳态效果, 因而更加适合等容性负载 的电池测

25、 试系统直流 侧滤波器设计的需要。 参考文献: 1 肖劲, 曾雷英, 彭忠东, 等. 锂离 子电池 正极材 料 LiNiMnO 的循环 性能 J . 中国有色金属学报, 2006, ( 8 : 1441- 1444. 2 Garche J. , Jossen A . Battery management syst ems ( BMS for increasing battery lif e time C . TELESCON 2000. Third Int ernational 119 5 田玉冬, 朱新坚, 曹广益. 电动汽车的动力 电池技术 J . 移动电源 与车辆, 2003, ( 3

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