張松青，李進(jìn)波

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淺析大功率鋰電池的充放電特點(diǎn)與控制*

張松青，李進(jìn)波

（河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

鋰電池具備體積小、重量輕、可快速充電、能量高等優(yōu)點(diǎn)，和其他類型電池相比，其擁有優(yōu)越的綜合性能，表現(xiàn)出極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。文章通過分析大功率鋰電池的充放電特點(diǎn)，對(duì)大功率鋰電池充電控制展開探討，旨在為研究如何促進(jìn)大功率鋰電池的安全有序運(yùn)行提供必要參考。

大功率鋰電池；充放電特點(diǎn)；充放電控制

引言

現(xiàn)階段，大功率鋰電池在不間斷電源、二次回路操作電源、電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車等領(lǐng)域得到了推廣。其中，大功率鋰電池在電動(dòng)汽車上更是得到廣泛應(yīng)用，而鋰電池的容量、功率則很大程度上影響著電動(dòng)汽車的使用性能及使用壽命。性能越高的電動(dòng)汽車對(duì)鋰電池的要求越嚴(yán)苛，因?yàn)殇囯姵貑误w電池電壓偏低，所以要求對(duì)多節(jié)鋰電池予以串聯(lián)、并聯(lián)處理，以滿足電動(dòng)汽車較大功能的需求，通常情況下，需要串并聯(lián)數(shù)十甚至數(shù)百節(jié)鋰電池獲得大功率電池，方可滿足電動(dòng)汽車使用要求。依托對(duì)大功率鋰電池充放電設(shè)備的控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而對(duì)鋰電池荷電狀態(tài)開展分析，為電動(dòng)汽車安全有序運(yùn)行提供有力保障[1]。由此可見，對(duì)大功率鋰電池的充放電特點(diǎn)與控制進(jìn)行研究分析，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 大功率鋰電池的充放電特點(diǎn)

1.1 鋰電池

蓄電池種類多種多樣，自電解質(zhì)層面而言，可將鋰電池劃分為液態(tài)鋰電池、凝膠鋰電池、全固態(tài)鋰電池等類型；自正極材料層面而言，可將鋰電池劃分為磷酸鐵鋰電池、氧化錳鋰電池、氧化鎳鋰電池等類型。伴隨鋰電池技術(shù)的不斷發(fā)展及全球各國(guó)對(duì)節(jié)能減排的日益重視，作為環(huán)保的儲(chǔ)能設(shè)備，近年來鋰電池在諸多行業(yè)領(lǐng)域得到推廣，諸如電動(dòng)汽車、不間斷電源、太陽能發(fā)電等。依托相應(yīng)數(shù)量的鋰電池串聯(lián)、并聯(lián)組合，便可組成鋰電池組（包）。通常而言，方形結(jié)構(gòu)的電池組，可運(yùn)用立式結(jié)構(gòu)或者臥式結(jié)構(gòu)；而運(yùn)用圓柱形結(jié)構(gòu)的單體鋰電池組，通常為立式結(jié)構(gòu)。鋰電池組主要由鋰電池單體、電池組結(jié)構(gòu)件、電池連接器件等組成，其中電池組結(jié)構(gòu)件可實(shí)現(xiàn)支撐電池單體及散熱功效，所以需要應(yīng)用輕質(zhì)、高強(qiáng)度及導(dǎo)熱性佳的材料[2]。

1.2 大功率鋰電池充電特點(diǎn)

鋰電池對(duì)電壓準(zhǔn)確性提出了偏高的要求，倘若電壓誤差在1%以上便可能導(dǎo)致鋰電池?fù)p壞?，F(xiàn)階段，常用的鋰電池額定電壓為3.7V，同時(shí)其充電終止電壓為4.2V。近年來，市場(chǎng)上流通的鋰電池主要采用的是恒流和恒壓充電模式，充電時(shí)電流保持穩(wěn)定，而充電起初階段電壓偏低，伴隨充電時(shí)間的推進(jìn)，電壓波動(dòng)通常不超過1%，充電電流不斷減少，等到電流降低至相應(yīng)水平時(shí)，便會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)殇噶鞒潆娔Ｊ健ｄ噶鞒潆娔Ｊ?，換而言之即為人們常說的維護(hù)充電，在這一充電模式下，充電設(shè)備會(huì)維持在特定速率下，逐漸為電池補(bǔ)充電荷，并直至將鋰電池充滿。

1.3 大功率鋰電池放電特點(diǎn)

鋰電池在放電過程中，電流不宜過大，倘若電流過大則會(huì)加大鋰電池內(nèi)部熱量，進(jìn)一步對(duì)鋰電池帶來不可逆的損壞。除此之外，鋰電池電壓不足放電終止電壓時(shí)仍然保持放電狀態(tài)，則會(huì)引發(fā)過放現(xiàn)象，進(jìn)而造成鋰電池出現(xiàn)損壞。在各式各樣的放電狀態(tài)下，鋰電池電壓變化也不盡相同。鋰電池電壓與放電率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。如果將鋰電池放電速率控制在0.2C，則鋰電池電能可能降低至2.75V，可放出額定電量；而如果將鋰電池放電速率控制在1C，則其可釋放出電池額定電量的98%[3]。

2 大功率鋰電池的充放電控制

2.1 大功率鋰電池充放電設(shè)備控制總體設(shè)計(jì)

圖1 大功率鋰電池充電整體結(jié)構(gòu)示意圖

首先，大功率鋰電池充放電電路總體設(shè)計(jì)。充放電主電路通過二極管不控整流，緊接著由隔離的DC/DC變換器獲取對(duì)應(yīng)需求的充電電壓，進(jìn)而對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，如圖1所示。大功率鋰電池放電過程中，依托Buck降壓斬波器將電池電能通過電阻負(fù)載放電，進(jìn)而通過發(fā)熱以進(jìn)行放電，如圖2所示。

圖2 大功率鋰電池放電整體結(jié)構(gòu)示意圖

然后，大功率鋰電池系統(tǒng)充放電設(shè)備控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。電池系統(tǒng)主電路硬件電路主要包括核心控制電路、采樣電路、JTAG接口電路、PWM驅(qū)動(dòng)電路等，如圖3所示。其中，采樣點(diǎn)路，指的是采集充電過程中的充電電流、充電電壓、外電檢測(cè)及放電過程中的放電電流、放電電壓、環(huán)境溫度[4]。

圖3 大功率鋰電池系統(tǒng)充放電控制結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 大功率鋰電池充放電控制軟硬件設(shè)計(jì)

依托控制器STM32F103{能否調(diào)整為89C51單片機(jī)，如調(diào)整圖1,2,3應(yīng)相應(yīng)變化}集成的各項(xiàng)功能，并結(jié)合本次研究設(shè)計(jì)大功率鋰電池充放電主電路及不同模塊接口電路，主要包括電源電路設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)、時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)、JTAG仿真器接口電路設(shè)計(jì)、信號(hào)采樣電路設(shè)計(jì)、人機(jī)界面電路設(shè)計(jì)，IGBT器件使用，等等。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)充電設(shè)備智能化，進(jìn)行設(shè)計(jì)的策劃工作，在硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)，同步開展對(duì)應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)、充電電路控制程序設(shè)計(jì)、AD采樣DMA傳輸程序設(shè)計(jì)、通信程序設(shè)計(jì)、人機(jī)界面的監(jiān)控等。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本次研究選取容量為16Ah的磷酸鐵鋰電池組，室溫控制在20℃。鋰電池先開展恒流恒壓充電，等到電流不足0.033C時(shí)，意味著蓄電池已經(jīng)充滿，且SOC值為1。然后，將蓄電池以不同方式進(jìn)行放電，記錄蓄電池電壓、溫度等參數(shù)，并在各種電池模型基礎(chǔ)上應(yīng)用卡爾曼濾波法開展蓄電池SOC估算。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究得出，蓄電池放電電流與蓄電池持續(xù)放電時(shí)間、蓄電池溫度變化呈正相關(guān)關(guān)系。在應(yīng)用卡爾曼濾波法開展SOC估算過程中，構(gòu)建模型不同，則獲取結(jié)果也不盡相同。在小電流持續(xù)放電過程中，以RC模型、Thevenin模型為前提的SOC估算結(jié)果差別較小，而在大電流持續(xù)放電過程中，以RC模型為前提的SOC估算則更為準(zhǔn)確。在蓄電池不持續(xù)放電過程中，電流保持恒定放電。以RC模型、Thevenin模型為前提SOC估算，均存在一定的誤差，當(dāng)應(yīng)用RC模型開展的估算更為可靠、準(zhǔn)確。

3 結(jié)束語

總而言之，在倡導(dǎo)綠色低碳發(fā)展理念的當(dāng)前時(shí)代背景下，應(yīng)用綠色環(huán)保的能源是時(shí)代的大勢(shì)所趨。相較于其他電池能源，鋰電池表現(xiàn)出使用壽命長(zhǎng)、無記憶效應(yīng)、能量質(zhì)量比高等優(yōu)勢(shì)，可在人們生活的方方面面得到廣泛推廣，并對(duì)現(xiàn)代產(chǎn)品生產(chǎn)有著十分重要的影響。本次充電設(shè)備的研究，為高電壓、大電流電動(dòng)汽車充放電設(shè)備研發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。今后鋰電池將會(huì)進(jìn)一步趨于小體積、輕重量及高能量密度。伴隨對(duì)鋰電池研究的不斷深入，對(duì)鋰電池一系列參數(shù)的了解勢(shì)必會(huì)越來越精確，與之相應(yīng)的新充放電方法及控制技術(shù)也會(huì)誕生，進(jìn)而為人類社會(huì)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

[1] 陳錦棠.關(guān)于鋰電池充放電特性分析和測(cè)試探討[J].化工設(shè)計(jì)通訊, 2017, 43(02):136-136.

[2] 朱文杰,黃辰.鋰離子電池充放電電路模型及其仿真[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2017,07(04):64-65.

[3] 馮晶晶,肖華鋒,謝少軍.大功率鋰電池的充放電管理器控制技術(shù)研究[J].信息化研究, 2009, 35(12):14-17.

[4] 楊宗霄,陳偉,李玉彬.鋰電池組的兩級(jí)均衡充放電控制策略[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2018,09(01):53-58.

Analysis on Charge and Discharge Characteristics and Control ofHigh Power Lithium Batteries

Zhang Songqing, Li Jinbo

（Henan Institute of Technology, Henan Xinxiang 453000）

Lithium battery has the advantages of small size, light weight, fast charging and high energy. Compared with other types of batteries, it has superior comprehensive performance and shows a strong competitive advantage. This paper analyzes the charging and discharging characteristics of high-power lithium batteries, and discusses the charging control of high-power lithium batteries. The purpose is to provide a necessary reference for studying how to promote the safe and orderly operation of high-power lithium batteries.

high-power lithium battery; charge and discharge characteristics; charge and discharge control

B

1671-7988(2019)05-46-03

U469.7

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1671-7988(2019)05-46-03

U469.7

張松青（1966.1-），女，漢族，河南新鄉(xiāng)人，本科，碩士，河南工學(xué)院，教授，研究方向：車輛工程、電動(dòng)汽車。

李進(jìn)波（1967.9-），男，漢族，河南新鄉(xiāng)人，本科，河南工學(xué)院，高級(jí)工程師，研究方向：電子和機(jī)械產(chǎn)品。

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目《電動(dòng)客車便攜式智能充電設(shè)備的研制》（項(xiàng)目編號(hào)：17A580005）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.013