唐山轨道客车有限责任公司与西南交通大学合作开发的混合动力电源特性试验平台方案，如图4-26所示。该平台通过电压、电流、温度传感器采集来自蓄电池和超级电容的电压、电流、温度等数据传送至控制中心（由DSP嵌入式系统实现），对其状态进行估计，确定混合电源可输出的最大功率。同时，将DC/DC变流器的电压、电流信息一并传送至控制中心。通过控制中心发出PWM信号，控制DC/DC变流器输出相应的电压和电流给直流母线，从而控制负载输出一定的功率，实现测试混合电源特性的目的。
整个系统的控制是通过对DC/DC变流器的控制来实现的。该变流器各桥臂的上下两功率管采用互补方式驱动，通过不同的占空比实现电流的双向流动，因此两个方向电流可统一控制。控制电路结构如图4-27所示，基本的工作原理如下：每个模块的高压侧电压U1反馈并与参考值Uref相减，误差经补偿调节器后输出作为电流指令；电流指令与合成的电感电流iL相减并经调节器调节后与三角载波交截，最终得到上管PWM信号，超级电容端电压U2与超级电容组的允许电压极值U2max和U2min相比较，构成低压侧电压限制闭环，分别为最高电压限制闭环和最低电压限制闭环，闭环调节器后输出分别作为电流指令iref1的最大电流imax和最小电流imin的限幅值，电流指令iref1经限幅后得到iref才作为电流闭环的输入。
图4-26 混合动力电源特性试验平台设计方案
图4-27 双向控制电路结构
混合动力电源特性试验平台可实现以下功能需求：
1）电池状态监测。对蓄电池的输出电流、电压、温度等进行实时检测，并估算其SOC。
2）超级电容状态监测。对超级电容的输出电流、电压、温度等进行实时检测，并估算其SOE。
3）DC/DC变流器具有双向能量传递的功能。对两套DC/DC变流器的输出电压与电流进行实时监测。
4）信息传递。采集模块能够将采集到的各种信息传送至上位机。
5）实时调整。负载具有实时的可调整特性。
利用本测试平台可以进行国内外不同超级电容、动力电池产品充放电特性（充放电倍率、温升特性、电池内阻、循环寿命、线路运营适应情况等）及运用安全可靠性（热防护、防爆、运用寿命等）试验研究，通过对比研究试验分析产品性能，进而形成产品特性数据库，为混合动力系统的优化设计提供技术基础。具体功能有：
①测试超级电容和蓄电池的充放电性能（电压、电流等参数）；
②测试超级电容和蓄电池的容量；
③测试超级电容和蓄电池的高低温性能；
④测试超级电容和蓄电池的能量和比能量；
⑤测试超级电容和蓄电池的功率和比功率；
⑥测试超级电容和蓄电池的储存性能及自放电性能；
⑦测试蓄电池的循环寿命；
⑧测试蓄电池的内阻；
⑨测试超级电容和蓄电池的温度。
测试原理及方法如下。
（1）储能部件实时测量参数 储能部件测量的实时参数包括三个部分：电压、电流、温度。
1）电压测量。储能部件的电压实时监测，主要包括选通环节，前级处理环节，U/I、I/U（电压/电流、电流/电压）变换环节三个部分，如图4-28所示。DSP（数字信号处理器）给CPLD（电池选通电路）适当的时钟时，由其内设计选通器，选通单个储能部件，送入前级处理电路。为了提高信号间的抗干扰和带负载能力，前级处理电路接入运算放大器组成的电压跟随器和滤波电路。它将电压信号送入U/I、I/U变换环节，实现储能部件电压的实时采样。
图4-28 电压监测电路原理图
2）电流测量。储能部件的电流实时监测，是对混合动力电源系统储能部件的充放电电流进行实时监测。混合动力电源系统提供给用电负载的电流很大，所以在测量时所选用的电流传感器应将大电流转换为可供DSP直接采样的电压信号。其电路原理如图4-29所示。
图4-29 电流监测电路原理图
电流传感器只需外接正负直流电源，被测电流母线从传感器中穿过或接于原边端子，副边端子再做简单连接即可。前级处理电路能将充电和放电的电流通过电流型传感器产生的电压转换成可由DSP直接采样的正电压，直接送入DSP采用通道，实现电流采样。
3）温度测量。该平台需要监测的温度信息主要包括环境温度、电池箱的温度以及储能部件本身的温度。温度测量的常见方法是使用温度传感器，将温度信号转换为电压信号进行测量。常见温度传感器有热敏电阻、热电偶、模拟温度传感器以及数字温度传感器等。
电池的化学反应发生在每个单体电池的内部，但实际工作中，温度传感器不可能安放在电池内部而只能放置在表面。从已知的实验和经验可知，由于大容量的动力电池中间部分散热较慢，温度上升最明显，所以电池的正表面靠中部位置的温度较高。因此，要监测动力电池的极限温度，应该把传感器布置在电池正表面的中部位置。
（2）储能部件性能测试原理和方法
1）蓄电池充电性能测试原理和方法。蓄电池充电性能测试的基本原理如图4-30所示，将正负极分别与外电源的正负极相连接，并通过一定的方式对其进行充电，使外电路中的电能转化为化学能储存起来，同时记录充电过程中电池的充电电压或充电电流随时间的变化规律。在此过程中，需要重点研究的参数包括充电电压的高低及变化、充电终点电压、充电效率等，而这些参数同时又受到充电制度及充电条件等的影响。
在蓄电池充电性能测试的过程中，经常需要充满电池，以便能检测电池的最大放电性能。所谓充满就是电池内部所有能参与充电化学反应的物质均已充分进行反应，然后在实际过程中，不具有可操作性。因此，一般采用电气方面的指标来进行定义，就是在规定的上限电压的条件下，充电电流趋近于零。在我国行业标准QC/T 743—2006中规定充电电流小于0.033C就认为电池已被充满。
蓄电池传统的充电方式主要包括恒流充电、恒压充电、恒压限流充电和先恒流后恒压充电，其中恒流充电和恒压充电是最基本的。恒流充电是充电过程中充电电流维持在恒定值的充电方法，该方法可以实现迅速充电但很容易造成充电过度；恒压充电是在充电过程中，充电电压保持恒定，一般控制在相等或略低于蓄电池内产生氢气的电压水平，该方法极少产生过充电，但很容易引起充电不足。传统充电方式的充电机控制电路比较简单，但充电功率一般比较小，我们需要的是在列车进站时利用短暂的停车时间进行充电，所以要求充电功率较高，传统的充电方式不适用。
图4-30 化学电源充电原理示意图
图4-31 化学电源放电原理示意图
为了满足列车车载电源的充电要求，必须最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到充满状态的时间，同时使蓄电池正、负极板的极化现象尽量地少。但是快速充电充电电流大，对蓄电池的性能和寿命都有一定的损害。为了解决充电时间和蓄电池性能、寿命的矛盾，我们在试验中采用了分级定流充电法、脉冲式充电法、变电流间隙充电法和定电压充电法四种充电方法，提高了充电效率。
2）蓄电池放电性能测试的原理和方法。蓄电池放电性能测试的基本原理如图4-31所示，将正极和负极与负载相连，使其中的化学能转化为电能供给负载工作，同时记录放电过程中电池的工作电压随时间的变化规律。
在蓄电池测试的过程中，需要对电池进行放空，以便对电池所储存的电荷量进行评估。与充电过程一样，一般采用非常小的放电电流对电池进行放电（0.2C），直到电池电压达到生产商规定的电压下限。
常见的化学电源放电方法主要有恒流放电、恒压放电、恒电阻放电、连续放电和间歇放电等。其中恒电阻放电法常用于干电池的性能检测。对于锂离子电池，恒流放电是最常见的测试方法，而且还常常与连续放电或间歇放电结合使用，同时记录放电过程中的电池电压随放电时间的变化规律。
关于化学电源的放电截止电压，对于不同的电池类型及不同的放电条件，其规定值也有所不同。电池的放电性能受放电电流、环境温度、放电截止电压等多方面的影响。因此，在标注或讨论电池的放电性能时，一定要说明放电电流及放电截止电压的大小。一般情况下，如不特殊说明，放电性能指的是按充电性能测试中所述的方法充电并搁置0.5～1h后，在（20±5）℃按0.2C放电到放电截止电压所测得的放电曲线。
3）蓄电池的容量及充放电效率测试方法。蓄电池的容量测定方法与其放电性能测试方法基本一致，最常用的测量方法同样是恒流放电法，在测得放电曲线后通过放电电流对放电时间的积分即可计算出电池的实际容量。采用恒流放电法测得的化学电源的实际容量与充放电制度、充放电电流、环境温度、充放电时间间隔等有很大关系，任何一个因素的改变都会引起同一化学电源实际放电容量测试结果的不同。
运用恒流放电法对蓄电池放电，放电至截止电压时结束，得到放电曲线。通过放电电流对放电时间积分计算出电池的实际容量。如无特别说明，一般情况下所说的放电容量是指（20±5）℃下按0.2C充放电所得容量。
具体步骤如下：
①测试的温度应分别控制为T={0℃ 20℃ 40℃}，测试的充放电倍率应分别控制为r={0.2C 0.5C 1.0C}，根据排列组合，在不同的温度及放电倍率下总共需要进行9次测试。
②在测试过程中，被测电池周围的环境温度需要保持恒定，这可利用一个大小合适的恒温箱来实现。在测试过程中，电池的放电电流需要保持恒定，这可以利用一个有恒流放电功能的电子负载来实现。
③每个测试将按照以下步骤进行：
a）第一次充满。将电池充满，充电截止电压为3.6V（或由制造商指定）。
b）第一次暂停。停止充放电，直到电池负极柱的温度与指定的测试温度相差不超过2℃。
c）放电。以r为放电倍率对电池放电。当电池电压达到2.8V时停止放电（或由制造商指定）。
d）第二次暂停。停止充放电，直到电池负极柱的温度与指定的测试温度相差不超过2℃。
e）第二次充电。将电池充满，充电截止电压为3.6V（或由制造商指定）。
④记录每1s测得的电压、电流和温度数据。
⑤用下列公式计算放出电荷总量
其中，Id（τ）表示放电过程中所监测到的实时电流的大小；td表示放电所需要的时间。由于测试过程中采用恒流放电，因此，也可以这样计算放电的电荷值。
⑥用下列公式计算放电总能量
其中，Ud（τ）、Id（τ）分别表示放电过程中所监测到的实时电压、实时电流的大小；td表示放电所需要的时间。由于测试过程中采用恒流放电，因此，也可以这样计算放电的总
⑦用下列公式计算充电总能量
其中，Uc（τ）、Ic（τ）分别表示放电过程中所监测到的实时电压、实时电流的大小；tc表示第二次充满电所需要的时间。
⑧用下列公式计算充放电效率
4）蓄电池的高低温性能测试方法。用电设备的工作环境和使用条件往往要求化学电源在较宽的温度范围内具有良好的性能，这通常称为化学电源的高低温性能。测试的目的是得到蓄电池的温度工作范围。
按照国家标准的规定，化学电源高低温性能的测试方法为：将化学电源在（20±5）℃下以0.2C充电后转移至低温箱或高温箱一定的时间（低温下锂离子电池16～24h、MH-Ni电池4～8h、高温下一般都为1～2h），然后以0.2C放电到规定的截止电压。实际工作中，为了更充分地了解化学电源的实际工作情况，也常常测量化学电源在高低温环境下以不同倍率充电和放电的性能。
具体操作如下：
①测试温度控制为（20±5）℃，测试的充放电倍率为r={0.2C 0.5C 1.0C}。
②在测试过程中，被测电池周围的环境温度需要保持恒定，这可利用一个大小合适的恒温箱来实现。在测试过程中，电池的放电电流需要保持恒定，这可以利用一个有恒流放电功能的电子负载来实现。
③每个测试按照以下步骤进行：
a）充满。将电池充满，充电截止电压为3.6V（或由制造商指定）。
b）暂停。停止充放电，把蓄电池转移至低温箱或高温箱一定的时间。
c）放电。以r为放电倍率对电池放电。当电池电压达到2.8V时停止放电（或由制造商指定）。
④记录每1s测得的电压、电流和温度数据。
⑤得到蓄电池的工作温度范围。
5）蓄电池的能量和比能量测试方法。蓄电池在一定的条件下对外做功能输出的电能称为化学电源的能量，单位一般用W·h表示。蓄电池的比能量是指单位质量或单位体积的蓄电池所能输出的能量，分别称为质量能量密度（W·h/kg）和体积能量密度（W·h/cm3）。
蓄电池的实际能量在数值上等于实际的放电容量与平均工作电压的乘积，即W=QdV。所以只要测得蓄电池的实际放电容量和其平均工作电压即可计算出能量。实际放电容量可由前面所述的容量测试方法求得，平均工作电压常常由中点电压来代替（中点电压用放电到额定放电时间一半时所对应的工作电压来表示，有时也用放电到总放电时间的一半时所对应的工作电压来表示）。比能量则用实际能量与蓄电池的质量或体积的比值求得。(www.xing528.com)
利用容量测试方法计算出蓄电池的放电容量Qd，在放电过程中采集到平均工作电压E，结合公式W=QdE计算出蓄电池的能量。
质量能量密度和体积能量密度分别由以下公式求得：
式中，m和V分别代表被测蓄电池的质量和体积。
6）蓄电池的功率和比功率测试方法。蓄电池的功率是指在一定的放电制度下，单位时间内输出的能量，单位为W。比功率是指单位质量或单位体积的蓄电池输出的功率，单位为W/kg或W/cm3。
蓄电池实际功率的计算公式：
因此，只要测得与蓄电池的实际放电电流I相对应的平均工作电压U，然后由两者的乘积便可求得其实际功率。比功率则用实际功率与蓄电池的质量或体积的比值求得。
运用恒流放电法得到蓄电池放电曲线，从放电曲线中得到实际放电电流I和平均工作电压U，然后由两者的乘积便可求得其实际功率。
质量功率密度和体积功率密度分别由以下公式求得：
式中，m和V分别代表被测蓄电池的质量和体积。
7）蓄电池的储存性能和自放电性能测试。蓄电池的储存性能指的是保持开路状态在一定的温度、湿度等条件下搁置的过程中，其电压、容量等性能参数的变化。
蓄电池的储存性能常用储存过程中的容量衰减速率或容量保持百分数（又称荷电保持能力）来表示；自放电性能则用自放电率（有时也用荷电保持能力）来表示，其计算公式如下
按照国家标准规定，化学电源自放电性能测试的具体方法为：在（20±5）℃下，首先运用恒流放电法以0.2C的倍率放电，测量其放电容量作为储存前的放电容量，然后同样以0.2C的倍率充电并搁置28天后，以0.2C的放电电流测量储存后的放电容量，再按照上述公式计算出自放电率或容量保持率。储存性能的测试方法与之类似，只是将储存时间延长为18个月。注意，在给出化学电源的储存性能和自放电性能时一定同时说明相关参数（包括环境温度、充放电电流）。
自放电性能测试具体操作如下：
①测试温度控制为（20±5）℃，测试的充放电倍率为0.2C。
②在测试过程中，被测电池周围的环境温度需要保持恒定，这可利用一个大小合适的恒温箱来实现。在测试过程中，电池的放电电流需要保持恒定，这可以利用一个有恒流放电功能的电子负载来实现。
③每个测试按照以下步骤进行：
a）放电。以0.2C为放电倍率对电池放电。当电池电压达到2.8V时停止放电（或由制造商指定），这次的放电容量作为储存前放电容量。
b）充满。将电池充满，充电截止电压为3.6V（或由制造商指定）。
c）暂停。停止充放电，搁置28天。
d）搁置28天后，以0.2C为放电倍率对电池放电。当电池电压达到2.8V时停止放电（或由制造商指定），这次的放电容量作为储存后的放电容量。
④按照上述公式计算出自放电率或容量保持率。储存性能的测试方法与之类似，只是将步骤c）中的搁置时间延长为18个月。
8）蓄电池充放电平衡电动势曲线及等效内阻测试。本测试内容的范围包括电动势曲线测试以及电池的等效内阻测试，即测量电池在不同温度、不同剩余容量情况下电动势的值以及等效内阻。由于动力电池等效内阻在充放电过程中可能存在差异，因此，所进行的测试将按照充电过程和放电过程分别进行。
放电过程电动势曲线及等效内阻的测试方法及具体操作步骤如下：
①每个测试的温度应分别控制为T={0℃ 20℃ 40℃}。
②在测试过程中，被测电池周围的环境温度需要保持恒定，这可利用一个大小合适的恒温箱来实现。在测试过程中，电池的放电电流需要保持恒定，这可以利用一个有恒流放电功能的电子负载来实现。
③每个测试将按照以下步骤进行：
a）充满。将电池充满，充电截止电压为3.6V（或由制造商指定）。
b）暂停。停止充放电，直到电池负极柱的温度与指定的测试温度相差不超过2℃。
c）大电流放电。以0.5C的放电倍率对电池进行恒流放电，放电300s。若300s内电池电压低于2.8V（或由制造商指定最低电压门限值），进入步骤e，否则进入步骤d。
d）暂停。停止充放电，持续3600s，之后回到步骤c。
e）涓流放电。以0.01C的放电倍率对电池进行恒电流放电，放电300s；若300s内电池电压低于2.8V（或制造商指定最低电压门限值），进入步骤g，否则进入步骤f。
f）暂停。停止充放电，持续600s，之后回到步骤e。
g）测试结束。
④记录在每1s测得的电压和电流数据。
⑤将每次步骤c最后1s（例如第300s，4200s，8100s…）的放电电压记为放电工作电压Udn（n=1，2，3…），将每次步骤d最后1s（例如第3900s，7800s，11700s…）的放电电压记为放电开路电压Uocvdn（n=1，2，3…）。用下列公式计算蓄电池的等效放电内阻
⑥用下列公式计算工作电压Udn（n=1，2，3…）时放出的电荷量
其中，Idn（τ）表示放电过程中所监测到的实时电流的大小；tdn表示放电所需要的时间。由于测试过程中采用恒流放电，因此，也可以这样计算放电的电荷值。
⑦绘制放电过程平衡电势曲线，以电流放出电荷量为横轴，电压为纵轴，绘制放电过程平衡电动势曲线。以电池放出电荷量为横轴，内阻为纵轴，绘制放电过程等效内阻谱曲线。
充电过程电动势曲线及等效内阻的测试方法及具体操作步骤如下：
①每个测试的温度应分别控制为T={0℃ 20℃ 40℃}。
②在测试过程中，被测电池周围的环境温度需要保持恒定，这可利用一个大小合适的恒温箱来实现。在测试过程中，电池的放电电流需要保持恒定，这可以利用一个有恒流放电功能的电子负载来实现。
③每个测试将按照以下步骤进行：
a）放空。将电池放空，放电截止电压为2.8V（或由制造商指定）。
b）暂停。停止充放电，直到电池负极柱的温度与指定的测试温度相差不超过2℃。
c）大电流充电。以0.5C的充电倍率对电池进行恒流充电，充电300s；若300s内电池电压高于3.6V（或由制造商指定最低电压门限值），进入步骤e，否则进入步骤d。
d）暂停。停止充放电，持续3600s，之后回到步骤c。
e）小电流充电。以0.01C的充电倍率对电池进行恒电流充电，充电300s；若300s内电池电压高于3.6V（或制造商指定的充电电压上限值），进入步骤g，否则进入步骤f。
f）暂停。停止充放电，持续600s，之后回到步骤e。
g）测试结束。
④记录在每1s测得的电压和电流数据。
⑤将每次步骤c最后1s（例如第300s，4200s，8100s…）的充电电压记为充电工作电压Ucn（n=1，2，3…），将每次步骤d最后1s（例如第3900s，7800s，11700s…）的充电电压记为充电开路电压Uocvcn（n=1，2，3…）。用下列公式计算电池等效放电内阻
⑥用下列公式计算工作电压Ucn（n=1，2，3…）时充入电荷量
式中Icn（τ）——放电过程中所监测到的实时电流的大小；
tcn——放电所需要的时间。
由于测试过程中采用恒流放电，因此，也可以这样计算放电的电荷值。
⑦绘制充电过程平衡电动势曲线，以电池充入电荷量为横轴，电压为纵轴，绘制充电过程平衡电势曲线。以电池充入电荷量为横轴，内阻为纵轴，绘制充电过程等效内阻谱曲线。
9）蓄电池寿命测试。通常所说的蓄电池寿命指的是充放电寿命（或称循环寿命），即在一定的充放电制度下，化学电源的容量下降到某一规定值（常以初始容量的某个百分数来表示）以前所能承受的充放电循环次数。国标中规定的循环寿命为在（20±5）℃环境下以特定电流充放电的寿命，具体的测试标准因蓄电池种类而异。在实际的研究工作中，为了更全面地了解蓄电池的实际工作性能，还常常会测量蓄电池在不同环境或不同充放电制度下的循环寿命（充电电流、放电电流和充放电时间间隔）。
蓄电池循环寿命的测试方法同前文介绍的充放电性能及容量性能的测试方法基本一致，只是在寿命测试过程中要反复进行充放电测试过程，直到容量降低到规定值。对于不同种类的蓄电池，寿命终点的规定有一定的区别，一般为初始容量的60%左右。
（3）测试平台系统 本测试平台主要用于混合动力列车的混合动力电源系统测试，根据平台所要实现的功能，设计的系统总体硬件结构如图4-32所示。系统由控制模块、监测模块、相关软件和辅助部件构成。一个控制模块可以接入多个监测模块，完成对不同数量、不同规格储能部件的测试。
图4-32 系统硬件结构框图
1）控制模块。本模块用于数据传输、处理和人机界面操作，能实时显示储能部件数据，通过总线结构控制监测模块工作，收集监测模块采集的数据，并对发生的事件进行判断处理并发出声光报警，完成数据的通信、存储和查询等功能。
控制模块的选择要考虑CPU的处理能力、成本、功耗、内部资源和外围电路等问题。确定处理器之后，设计控制模块电路板时，采用分块设计思想。主要由以下子块组成：
①DSP及周边电路。与DSP密切相关的硬件主要有时钟电路、复位电路、JTAG仿真电路、锁相环外接滤波电路、存储器扩展电路等，用于驱动DSP正常工作。DSP也是控制程序运行的载体，通过程序设置相应的寄存器，驱动相应的外围芯片和电池监测算法，使硬件协调运行。
②电源电路。电源的性能直接影响到整个模块的稳定性，电源电压波动过高，可能烧坏电子器件；过低，电子器件又不能正常工作。设计时要选用较高精度的电源变换和隔离芯片，采用多次滤波电路。
③键盘和液晶驱动电路。DSP的I/O口驱动能力有限，要实现键盘接受按键灵敏度高，液晶显示正常，刷新频率高，最好加上74HC244缓冲驱动，增强带负载能力。适当的地方可以加上拉电阻，增大驱动电流。
④通信接口电路。主从模块传输的是二进制数码，为防止数据间或外界信号干扰，信号强度因传输线路长而减弱等，传输之前常常加上光耦。
2）监测模块。本模块是用于储能部件数据的巡检，除进行常规电压、电流、温度等监测外，与内阻监测单元连接后可准确在线监测电池内阻。监测模块安装在储能部件附近，与控制模块、PC机之间通信连接，方便现场接线安装。监测模块的处理器选择应考虑功耗、接口、定时器等。
监测模块的电路主要包括以下电路：
①时钟发生电路。
②PWM控制电路，微弱信号处理电路。该电路主要用于产生、处理、采集电池内阻信号。
③电源变换电路。电源变换电路将整组电池的电压经过滤波、变换、反馈变换形成稳定、可靠的电压。此电压为各个芯片提供电源。如果电源检测电路检测到变换后的电压不稳定，反馈变换电路将不稳定的电压反馈给变换电路，重新变换，直至稳定。
④其他电路。包括：单片机电路、通信接口电路、采样控制电路、共模电压测量电路、内阻测量电路等。
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