基于電化學(xué)理論的動力電池充放電技術(shù)研究

崔可旺 戴冬冰 馮冬梅 韓淼

摘? 要：隨著人們逐漸增強(qiáng)的環(huán)保意識，動力電池的應(yīng)用越來越廣泛，其充放電技術(shù)的研究也日趨重要。文章介紹以Multisim為開發(fā)平臺，基于電化學(xué)理論的動力電池充放電的研究，包括改進(jìn)的充放電電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用脈寬調(diào)制變換器技術(shù)作為恒流恒壓基本功能模塊、采用電源并聯(lián)均流技術(shù)和大功率器件閉環(huán)均流技術(shù)實(shí)現(xiàn)動力電池的大功率充放電，綜合三種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，研制出大功率、高精度恒流源。實(shí)際測試結(jié)果表明，在完整的充電過程中誤差均小于0.1%。

關(guān)鍵詞：電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);恒流源;脈寬調(diào)制變換器

中圖分類號：TM912? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）18-0051-04

Abstract：With the increasing awareness of environmental protection，the application of power battery is more and more extensive，and its charging and discharging technology is becoming more and more important. The article introduces a kind of Multisim as development platform，based on the research of the theory of electrochemical power battery charging and discharging，mainly includes the improvement of charge and discharge circuit topology，using pulse width modulation converter technology as the basic function module of constant current and constant voltage，using power supply parallel current sharing technology and high-power device closed-loop current sharing technology to achieve high-power charging and discharging of power batteries，combining the advantages of the three technologies to develop high-power，high-precision constant current source. The actual test results show that the error in the whole charging process is less than 0.1%.

Keywords：circuit topology;constant current source;pulse width modulation converter

0? 引? 言

動力電池作為電源或者備用電源在人們的日常生活中扮演著越來越重要的角色，它是一種能提供大功率電源的二次電池，包括鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池、燃料電池等。主要用于UPS、通信電源、電力系統(tǒng)備用電源、電動車和國防領(lǐng)域等，被譽(yù)為綠色能源，是國內(nèi)外重點(diǎn)研發(fā)的能源之一。有關(guān)電池充放電的研究發(fā)展很快，國外已研制出用于動力化學(xué)電池充放電的設(shè)備，可做到0.1%的精度。目前國內(nèi)主要電池的生產(chǎn)和研究部門的高性能充放電的設(shè)備大都從國外進(jìn)口，伴隨著國內(nèi)電池行業(yè)的高速發(fā)展，特別是電動車的開發(fā)研究，這是一個(gè)急需解決的研究課題。

有關(guān)電池的研究屬于新能源開發(fā)的重要內(nèi)容，是國家重點(diǎn)支持的研究課題（例如近幾年863計(jì)劃都對電動車和動力電池的開發(fā)研究給予重點(diǎn)資助）每年都有大量資金投入到有關(guān)動力電池及配套技術(shù)的研究，但尚未取得突破性進(jìn)展。有關(guān)電動車電池充放電管理也是天津市科委的重點(diǎn)資助項(xiàng)目，論文將研究基于電化學(xué)理論的動力電池充放電技術(shù)和電路結(jié)構(gòu)，屬于交叉科學(xué)研究。研究成果可用于動力電池性能測試和壽命測試，也可用于動力電池和超級電容的研究和生產(chǎn)，以及電動車電池充放電及管理，有廣闊的應(yīng)用前景，一旦形成產(chǎn)品，將產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電源充放電技術(shù)的研究已有多年歷史，但是一直沒有重大突破，二十世紀(jì)九十年代以后，由于新型電池的研究取得重大成果，以及半導(dǎo)體技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了電池充放電技術(shù)的研究。動力化學(xué)電池的充放電設(shè)備要具備高精度大功率的特點(diǎn)，因而本設(shè)計(jì)基于改進(jìn)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究高精度大功率的充放電設(shè)備，重點(diǎn)解決高精度和大功率的結(jié)合問題。研究擬采用脈寬調(diào)制變換器技術(shù)作為恒流恒壓基本功能模塊，采用電源并聯(lián)均流技術(shù)和大功率器件閉環(huán)均流技術(shù)實(shí)現(xiàn)動力電池的大功率充放電。

另外鉛酸蓄電池如果在倉庫存放時(shí)間比較長，電池硫化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，直接導(dǎo)致不能正常使用。再者，在使用過程中維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)，也導(dǎo)致部分電池?fù)p壞率比較高。目前配套的智能充電器，對蓄電池不具備檢測和修復(fù)功能，只能進(jìn)行簡單的充電，不能對電池進(jìn)行修復(fù)，在電池電壓過低時(shí)，智能充電器可能無法檢測到電池，無法對電池充電，導(dǎo)致一些非物理性損壞的鉛蓄電池由于無法得到及時(shí)處理，而完全報(bào)廢，本設(shè)計(jì)成果也可以用于修復(fù)這類電池。

1.1? 總體設(shè)計(jì)

二次電池充放電主要采用恒流充放電、恒壓充放電和脈沖充放電等，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括線性電路和脈寬調(diào)制電路。線性電路的優(yōu)點(diǎn)是精度高，能做窄脈沖，缺點(diǎn)主要有電源效率低，做大功率困難。脈寬調(diào)制電路的優(yōu)點(diǎn)是電源效率高，易于做大功率，缺點(diǎn)主要有精度低、電路復(fù)雜、不能做窄脈沖。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，通過閱讀國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，尋求找到平衡高精度與大功率優(yōu)點(diǎn)的解決方法，因而提出改進(jìn)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與其他項(xiàng)目負(fù)責(zé)人共同研制高精度大功率恒流、恒壓和脈沖充放電功能部件，綜合協(xié)調(diào)各項(xiàng)性能。系統(tǒng)主要包含兩大部分，分別是：大功率高精度恒流源及多通道板。

1.2? 恒流源與多通道板的設(shè)計(jì)與制作

大功率高精度恒流源是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)大功率首先進(jìn)行了高精度大功率恒壓源/恒流源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用脈寬調(diào)制變換器技術(shù)作為恒流恒壓基本功能模塊，在對動力電池充放電時(shí)，為避免因模塊中參數(shù)不同而導(dǎo)致的輸出電流較大或較小情況的出現(xiàn)，故而采用電源并聯(lián)均流技術(shù)和大功率器件閉環(huán)均流技術(shù)。重點(diǎn)解決了高精度和大功率的結(jié)合問題。恒流源簡易電路如圖1所示。

多通道板恒流調(diào)節(jié)為閉環(huán)控制系統(tǒng)即PI調(diào)節(jié)，是由比例放大器部分與積分器部分共同組成比例積分調(diào)節(jié)。其穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)響應(yīng)快，加上有積分器，可實(shí)現(xiàn)無靜差。如圖2所示為恒流源并聯(lián)功率子電路。

恒流的關(guān)鍵是給定電壓VR和采樣電阻的精度，如果可以保證上述這兩點(diǎn)即可保證輸出電流的精度。恒流的充電、放電的原理如圖3所示。

整體的回路是一個(gè)關(guān)于比例積分的閉環(huán)調(diào)節(jié)負(fù)反饋的調(diào)控系統(tǒng)。其中，Vi是一個(gè)確定的電壓控制信號，當(dāng)明確了Vi的值后相應(yīng)的下位機(jī)的電流值I也隨之確定。在恒流工作狀態(tài)下，整個(gè)的負(fù)反饋系統(tǒng)中電流值成為一個(gè)控制量。電流值需要先變成電壓，而變成電壓的方式是通過一個(gè)采樣電阻，然后將電壓通過放大器進(jìn)行放大以得到V，再把設(shè)定值與反饋值相減得到△V。最后根據(jù)所得兩者差值△V進(jìn)行后期的調(diào)整，得到恒壓工作模式。恒壓工作示意圖如圖4所示，其中，P為比例負(fù)反饋，PI為比例積分負(fù)反饋。

在該電路中一般主要有兩個(gè)負(fù)反饋，分別為比例負(fù)反饋和局部比例積分負(fù)反饋。作用是用來減小工作過程中產(chǎn)生的誤差并去除靜態(tài)誤差的存在，同時(shí)其還能夠阻礙由于系統(tǒng)而出現(xiàn)的振蕩。其電路在現(xiàn)實(shí)工作中相對于恒壓具有良好的控制精度，通過高精度儀表測量得出，在完整的充電工作過程中誤差均小于0.1%。

1.3? 創(chuàng)新之處

本次動力電池研究的設(shè)計(jì)難點(diǎn)以及攻克的主要技術(shù)問題在于精度為0.1%的大功率恒壓源/恒流源，設(shè)計(jì)研究中主要有以下幾點(diǎn)創(chuàng)新：

（1）高精度大功率恒壓源/恒流源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，采用脈寬調(diào)制變換器技術(shù)作為恒流恒壓基本功能模塊，采用電源并聯(lián)均流技術(shù)和大功率器件閉環(huán)均流技術(shù)實(shí)現(xiàn)動力電池的大功率充放電，解決以往充放電設(shè)備中精度與功率不可兼得的問題。

（2）多通道并聯(lián)均流技術(shù)以及大功率下每個(gè)功率器件閉環(huán)均流技術(shù)。鑒于系統(tǒng)中各模塊的參數(shù)無法做到完全一致，如果將并聯(lián)模塊直接應(yīng)用于電路，勢必很難保證各模塊均勻分擔(dān)負(fù)載電流，可能會出現(xiàn)某些模塊輸出的電流比較大，某些模塊輸出的電流比較小，甚至還有些模塊可能根本沒有輸出電流的情況。多通道并聯(lián)均流技術(shù)以及功率器件閉環(huán)均流技術(shù)有效地解決了上述問題，避免在電路上因某個(gè)器件電流過大而停止工作，也可避免因輸出電壓的微小偏差導(dǎo)致輸出電流差別很大。

2? 研究成果

設(shè)計(jì)的研究成果主要由天津天獅學(xué)院自動化教師通力合作完成，研究此恒流源的目的在于推動目前現(xiàn)有充放電設(shè)備的研究，并為學(xué)生的“大創(chuàng)”項(xiàng)目以及畢業(yè)設(shè)計(jì)中的動力電池測試內(nèi)容提供合適的充放電設(shè)備，大功率高精度恒流源實(shí)物圖如圖5（a）、5（b）所示，恒流源測試數(shù)據(jù)接線圖如圖6所示。

具體恒流測試數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

由表1、表2可知，當(dāng)負(fù)載測試電阻變化時(shí)，輸出電流仍為恒定值，即恒流源輸出電流不隨負(fù)載的變化而變化。設(shè)計(jì)研究成品是一個(gè)灰色的長方體，內(nèi)置電路板與線路，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，均可輸出穩(wěn)定的電流，在本文中暫列一組數(shù)據(jù)，用不同電阻測試后，誤差均小于0.1%，具有輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定性特征。在后續(xù)的電池測試，可作為穩(wěn)定的充電設(shè)備，測試框圖如圖7所示。

計(jì)算機(jī)通過RS232口與多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)扁平電纜連接高精度大功率恒流＼恒壓源，恒流源連接被測電池。計(jì)算機(jī)通過多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)定恒流＼恒壓源量程和電流值，恒定電流＼電壓施加到被測電阻。被測電池的測量參數(shù)通過多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被計(jì)算機(jī)采集。進(jìn)而電池的參數(shù)可在計(jì)算機(jī)中做進(jìn)一步的分析。

3? 結(jié)? 論

為了測試動力電池以及提高動力電池的壽命，設(shè)計(jì)研究一種高精度大功率充放電設(shè)備——恒流源。該設(shè)計(jì)基于改進(jìn)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由控制電路與通道板電路組成，解決了高精度與大功率的結(jié)合問題。通過高精度儀表測量給定不同電壓下的電流，得出在完整的充電工作過程中誤差均小于0.1%。研究成果可為動力電池的測試提供良好的基礎(chǔ)。

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作者簡介：崔可旺（1993.02—），女，漢族，河北衡水人，助教，碩士研究生，研究方向：信號處理與圖像識別。