基于动力蓄电池组性能测试的快速响应滤波方法的研究百度概要.docx
《基于动力蓄电池组性能测试的快速响应滤波方法的研究百度概要.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于动力蓄电池组性能测试的快速响应滤波方法的研究百度概要.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于动力蓄电池组性能测试的快速响应滤波方法的研究XX概要
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ACDC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CT1,CT3导通,放电时CT2,CT4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01（0p范围内,最大衰减为Ap。
另外,规定在某一频率s>1（s>p上,衰减不得小于As。
频率范围01为通带,s>1为阻带,1s为过渡带。
当1（p时,T2n（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,T2n（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:
Tn（=
（+
-1n+（+
-1-n
2
（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,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+SC1Rd[（
C2C1+SC2Rd+1+S2L2C2（1+SC1Rd+S2L1C1-C
2C1
（1+SC1Rd2]
（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F1=1（2!
11,
第二级滤波器谐振频率F2=1（2!
22和变换器输入脉
动电流id（t基波频率f0。
在F1处,有S2=-1
11
此时G（S大小即谐振峰值为P1=∀G（j2!
F1∀=
1+Dd
2C1+D2d1-（1F22-2
C1
2
（3
式中Dd∀∀∀第一级LC滤波器的阻尼因数Rd=Dd
11
在谐振频率F2处,有S2=-1L2C2
此时G（S大小即谐振峰值为P2=
G（j2!
F2=L2L1
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L2L1值上。
在id（t基波频率F0处,有F0>>F1、F0>>F2,此时G（S大小即谐振峰值为PF0=G（j2!
F0=
1
F1
2
2
F0
1
3
1d-C2
1F01
2
因此
F0
F1
#F1
2
1Dd
13
P13F0
+
CC13F122d
为了限制F2处的谐振峰值,要求201gP2<0,L2L1应小于1,一般取L2L1=0.25~0.6
（D2d=
1-P12（C2C12
P1[1-（C21（1+L21-1]
（4
由式（5可知,为使Dd有实根,C2C1应尽可能取小。
一般取C2C1=0.05~0.1
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=j
[he∃j（2v-1!
2n
+h-1emj（2v-1!
2n
]v=1,2,3,%,n
h=+1
B=
4R1R2
（R1+R22
若令r∃v=#v+jv则由上式可得#v=1
（h-h-1sin（2v-1!
2nv=
1
（h-h-1cos（2v-1!
2n由此可知
#2v
（h-h-12+
2v
（h+h-12=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:
aE=
1（h-h-1;bE=1（h+h-1图4阶切比雪夫衰减函数零极点分布
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C1和C2的电流,可以得到流经C1的电流远远大于C2的电流,即增加电容C1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C1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（jR0=（
1
jC
+RcR0=1jB+RcBC1BCR0=
1j+d1C
d=Rc（BC则归一化导纳为:
Y（j=1Z（j
=C（
j1+d+2d
1+d
=C（j∋+d∋c
（6
因为2d20M,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p2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C1处串一电阻r后,输出侧接负载R时的转移导纳YT（s可以整理为:
YT（s=
1+rC1S2F2（s=L1L2L3C1C2S5+L1+L2C1C2RS4+L1C1（L2+L3S3
+L3C2（L1+L2S3+L1C1RS2+RC2（L1+L2S2+（L1+L2+L3S+R+[（RC2（L1+L2S2+L3C2（L1+L2S3+L1+L2+L3S+R]（rC1S
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]*YT（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AP=8,=200!
。
表15阶切比雪夫滤波器参数
元件
归一化值
实际值13.8670.0012（H10.7430.0059（F24.770.0015（H20.7360.0059（F33.662
0.0012（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:
（1L1=0.0012h,L2=0.0006h,L3=0.0012h,C1=5900%F,C2=3000%F,C1电阻r=1
（2L1=0.0012h,L2=0.0015h,L3=0.0012h,C1=5900%F,C2=5900%F,电阻r=0.6
2.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&=60。
的试验。
所得实验波形和频谱如图8~15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（b160A充电电流频谱（c160A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（b160A充电电流频谱（c160A放电电流频谱
图6160A
可控谐振峰值法改善参数滤波后测试电流波形及频谱
（a测试电流波形（b160A充电电流频谱（c160A放电电流频谱
图7160A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（b20A充电电流频谱（c20A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（b40A充电电流频谱（c40A放电电流频谱
图940A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（b20A充电电流频谱（c20A放电电流频谱
图1020A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11testingcurrentoutputtedbydamping-controlmethodamendedfilterandthespectrumanalysis（2.57%
图12testingcurrentoutputtedbypole-shiftingmethodamendedfilterandthespectrumanalysis（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（60A。
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]GarcheJ.,JossenA.Batterymanagementsystems（BMSforincreasingbatterylifetime[C].TELESCON2000.ThirdInternational119[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:
36-41.[6]乐浪,李革臣,朱磊.卡尔曼滤波在电池检测中的应用[J].电源技术,2006,（2:
152-154.[7]张丽霞,李和明,颜湘武,等.切比雪夫滤波器在动力蓄电池组检测中的应用[J].电工技术学报,2008,（3.[8]陈道炼,胡育文.低损耗可控阻尼两级LC输入滤波器设计与仿真[J].电工技术学报,2001,（2:
43-47.[9]张友军,陈道炼.新颖的可控谐振阻尼LC输出滤波器[J].电力电子术,2002,（6:
50-52,42.[10]LiHeming,DesignMethodofLowLossandFastResponseLCFiltersBasedonLocomotiveBatteryTestingSystem[J].EPEJournal,2008,Vol18no1.[11]HERMANLN,WIEGMANL.Highefficiencybatterystatecontrolandpowercapabilityprediction[A].TheEuropeanElectricRoadVehicleAssociation,EVS-15[CCD].Brussels:
1988:
35-38.[12]卢居霄,林成涛,陈全世,等.三类常用电动汽车电池模型的比较研究[J].电源技术,2006,（7:
535-538.TelecommunicationsEnergySpecialConference（IEEECat.No.00EX424,2000:
81-88.[3]LambH.,StefanakosE.,ArbogastT.,etc.Comparativestudiesofdirectphotovoltaicandacrectifiedpowersuppliesforbatterycharging[c].ProceedingsoftheIntersocietyEnergyConversionEngineeringConference,v2,EnvironmentalImpact,1995:
543-547.[4]颜湘武,韩志军,谷建成,等.线性调节器在EV动力电池组性能测试中的应用[J].电力电子技术.2006,40（6:
49-51.（上接第111页人读图一人看所配的线,对线时唱读唱答,读图人读出元件序号、端子号及该端子应该接的导线的标字号,检查的人按所读的元件序号和端子号查看导线标号管是否正确。
如例三若采用正确的检查方法会很方便的发现在接线图5元件的2端子上并没有9-4这根导线,从而避免险些将试验直流电源烧毁的事故。
在例一中也可以很方便的发现在接线图的6元件的4端子上并没有导线。
只可惜检查没有按照要求去做从而将错误带到了通电试验阶段。
例二中按图检查虽然认真但没有发现问题,是因为按图检查####的基础是接线时导线两头必须同时套上已经写好的标号管,以保证导线走向与标号管一致,例2在接线阶段没有按要求去做埋下了隐患,又由于接线端子上的标号管书写正确（但标号管与导线走向不对应,所以即使正确的进行了检查也无法发现接线错误。
实践证明这类接线错误查找起来比较麻烦。
通过以上分析可以看出,只要在接线时采用了两端同时套标号管的接线方法,并按照正确的检查方法去进行检查,就会及时发现错误,避免设备的损坏和不必要的人身伤害。
升级会员 