基于模糊控制的鋰電池充電研究

侯海濤 邢東雪 霍彥明 河北科技大學(xué)電氣學(xué)院

基于模糊控制的鋰電池充電研究

侯海濤 邢東雪 霍彥明 河北科技大學(xué)電氣學(xué)院

鋰電池作為便攜式設(shè)備的能源供應(yīng)，其性能和使用周期越來越受到人們的關(guān)注。一個優(yōu)良的充電技術(shù)不僅可以減少充電時間，而且還可以保護(hù)電池的使用性能。鋰電池在充電過程中很敏感，對充電電壓和電流都有嚴(yán)格的要求。在鋰電池充電技術(shù)中，美國科學(xué)家J.A.Mas提出了最佳充電曲線，該曲線表明電池在充電過程中電流不斷下降，電流是隨時間不斷變化的。本文采用模糊控制技術(shù)控制鋰電池的充電電流，在恒壓充電階段使其電流不斷改變尋求最佳充電電流。在與傳統(tǒng)的恒流恒壓充電控制方法進(jìn)行比較經(jīng)過MATLAB仿真，減少了充電時間，達(dá)到了控制要求。

模糊控制 MATLAB仿真

1 鋰電池的充電技術(shù)

1.1 理想充電曲線

充電接受率又稱為電流衰減指數(shù)，是鋰電池充電的關(guān)鍵性能。對于成品電池充電接受率越強(qiáng)，充電時間越短；相反充電接受率越弱，充電時間越長。研究表明，充電接受率是由電解夜密度和初始充電電流決定的。

1.2 恒流恒壓充電方式

鋰電池的恒壓恒流充電方式分為兩個階段。第一個階段采用恒流充電，通常采用0.5C-1C的電流充電，此時電池的電流是不變的。當(dāng)電壓達(dá)到4.2V時進(jìn)入第二階段恒壓充電。在恒壓充電期間，電流持續(xù)減小，當(dāng)電流趨近于零時視為充電結(jié)束。

當(dāng)電池長時間放置，由于自放電率，電池可能會產(chǎn)生過放電的現(xiàn)象。過放電會導(dǎo)致鋰電池內(nèi)部活性物質(zhì)恢復(fù)困難，此時如果直接采用大電流對其進(jìn)行充電，會對電池造成損害。預(yù)充電可以有效解決過放電池的充電問題。通常認(rèn)為電池電壓在2.5V-3V時處于過放電狀態(tài)，這時先以小電流（C/10）充到3V以上，再轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的恒流恒壓充電。

1.3 基于模糊控制的智能充電方式

鋰電池在充電過程中其電流是不斷變化的，其本身是一種多參數(shù)變量的非線性系統(tǒng)。本文采用智能控制的模糊控制技術(shù)，測量電流的變化，通過模糊控制器算出最佳充電電流，在電流降低階段達(dá)到最快充電的理想充電方式。

2 模糊控制器的設(shè)計

系統(tǒng)測量鋰電池隨時間變化的電流I(dt)并與理想充電曲線的最佳充電電流進(jìn)行比較得出e，將電流隨時間的變化量與比較的結(jié)果最為系統(tǒng)的輸入量，得出控制量。

模糊控制器用于鋰電池的快速充電。當(dāng)電池電壓高于3V時，采用0.5C-1C的電流進(jìn)行充電。為了防止電池過充，當(dāng)電池電壓達(dá)到4.2V時，停止充電。

3 仿真及實驗結(jié)果

將第二節(jié)的參數(shù)輸入到鋰電池充電模型中可以得到如下結(jié)果。如圖1和圖2所示。本文將充電截至電流設(shè)置在0.1A，可以看到采用模糊控制跟蹤電流變化的充電時間為1.52h，傳統(tǒng)的恒壓恒流充電時間為1.586h。減少了充電時間，達(dá)到了控制要求。

4 結(jié)論

圖1 恒流恒壓充電曲線

本文采用模糊控制系統(tǒng)對鋰電池的充電進(jìn)行了研究，通過仿真可以發(fā)現(xiàn)在模糊控制器的控制下減少了鋰電池的充電時間，增加了充電效率，減少了能源消耗。但本文只做了單節(jié)鋰電池的充電研究，在實際應(yīng)用中往往是由多節(jié)鋰電池對設(shè)備進(jìn)行供電。如何做好對多節(jié)鋰電池的串聯(lián)或并聯(lián)的能源管理研究更需要引起人們的關(guān)注。

圖2 模糊控制下的鋰電池充電曲線

[1]何秋生,徐磊,吳雪雪.鋰電池充電技術(shù)綜述[J].電源技術(shù),2013,37(8):1464-1466

[2]李蓓,袁義,王映林,陳志彬.蓄電池初始充電電流與充電接受率的研究[J].蓄池,2008,47(4):171-174