趙陽(yáng)

摘 ?要：我國(guó)的科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，已經(jīng)有越來(lái)越多的新型材料被研發(fā)出來(lái)，讓鋰電池的性能得到了極大的提升，在更多的領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。但是，在使用單節(jié)鋰電池時(shí)，其電壓容量的限制較大，所以，在大功率場(chǎng)景中會(huì)使用鋰電池組，而長(zhǎng)時(shí)間的使用中，鋰電池組將會(huì)出現(xiàn)充電電壓不一致的情況，因此，該文主要探究在鋰電池組中均衡充電電源的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：鋰電池組 ?均衡充電 ?電源設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN912 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）06（a）-0062-02

鋰電池技術(shù)的飛速發(fā)展讓鋰電池組在各個(gè)行業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用，而充鋰電池組電壓的不均衡現(xiàn)象，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展，特別是在大容器的鋰電池組中，價(jià)格高昂，若是不能有效解決鋰電池組的電壓?jiǎn)栴}，將會(huì)對(duì)相關(guān)企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，需要相關(guān)技術(shù)人員加強(qiáng)對(duì)鋰電池組均衡充電電源的設(shè)計(jì)研發(fā)，提高鋰電池組的應(yīng)用效率。

1 ?鋰電池組的概念

在目前的鋰電池應(yīng)用中，其普遍具有高比能量、高標(biāo)稱電壓、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。由于在單節(jié)的鋰電池其容量電壓較小，實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，往往是將鋰電池串聯(lián)起來(lái)形成鋰電池組進(jìn)行應(yīng)用，但是在鋰電池制作中，制備工藝并不相同，導(dǎo)致在實(shí)際的鋰電池組應(yīng)用過(guò)程中不僅沒(méi)能延續(xù)其使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，反而隨著長(zhǎng)時(shí)間的使用，展現(xiàn)出了單體電池的不一致性，并且其差異在使用的過(guò)程中逐漸增大，讓電池的老化速度加快，甚至電池會(huì)出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象[1]。

在目前的鋰電池組使用過(guò)程中，為了能夠有效提高鋰電池組的使用性能，通常使用分流損耗以及電量轉(zhuǎn)移的方法進(jìn)行均衡。這兩種均衡方法中，分流損耗電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，但是能量浪費(fèi)過(guò)大，而電量轉(zhuǎn)移的均衡方式，其主要是將單節(jié)電池高電量電池中的電量通過(guò)電感、變壓器等均衡電路，從而轉(zhuǎn)移到低電量的電池中，具有較高的能量利用率的優(yōu)點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。并且，在以往的均衡電路中，大多數(shù)是將電池高電量向低電量轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)電量均衡，雖然也有一定的效果，但是充電效率降低，因此，該文主要根據(jù)PID控制進(jìn)行鋰電池組的均衡。

2 ?鋰電池均衡充電電路

在但均衡器的鋰電池中，若是想要電池能量能夠均衡控制，可以用一個(gè)均衡器將兩個(gè)鋰電池連接在一起，從而與PID結(jié)合進(jìn)行能量的均衡優(yōu)化。在單均衡器鋰電池中，有L1、L2兩組存在耦合性的電感，其回路電池是C1，二極管模塊是D1與D2，MOSFET模塊是Q1與Q2，主要是在鋰電池充電時(shí)充當(dāng)控制開(kāi)關(guān)從而對(duì)充電過(guò)程進(jìn)行均衡。串聯(lián)電池能夠在充電過(guò)程中實(shí)現(xiàn)利用電容進(jìn)行不平衡的能量轉(zhuǎn)移，在控制過(guò)程中可以使用MOSFET進(jìn)行控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟以及關(guān)閉[2]。

在具體的設(shè)定中，可以進(jìn)行假設(shè)，如TS為鋰電池控制周期，回路占空比是D，初始電壓值為Vg1+Vg2，若是Vg1>Vg2，其在DTS時(shí)期將Q2開(kāi)啟，電容中存在的能量將會(huì)通過(guò)電流流經(jīng)L1轉(zhuǎn)移到Vg1中，L1也能存儲(chǔ)能量，Vg2的能量也會(huì)傳輸?shù)絃2之中，控制電感的過(guò)程中，始終都在進(jìn)行周期能量存儲(chǔ)，并隨著實(shí)踐逐漸增加能量的存儲(chǔ)量。而在（1-D）的周期中，Q2斷開(kāi)，榆次同時(shí)打開(kāi)D2，在Vg2以及L2中的能量也會(huì)以電流的方式轉(zhuǎn)移到電容之中，Vg1鋰電池就會(huì)讓L1為其充電，所以，在進(jìn)行控制的過(guò)程中，將會(huì)出現(xiàn)L1與L2的電流逐漸減少的情況。若是Vg1

3 ?優(yōu)化PID鋰電池均衡充電控制

3.1 PID控制流程

在PID控制中，主要是利用根據(jù)的控制形式，參數(shù)的結(jié)果將會(huì)對(duì)整個(gè)控制效果造成影響：控制中的無(wú)偏控制、過(guò)分震蕩的調(diào)節(jié)、誤差調(diào)節(jié)。

在PID控制器中，有控制因子的存在，能夠影響控制效果，在一般的控制之中，PID控制器就能實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制，但是鋰電池組的串聯(lián)充電控制就不能通過(guò)PID有效控制，從而不能得到較好的控制參數(shù)。因此需要使用IWD算法進(jìn)行優(yōu)化，從而將PID控制效果有效優(yōu)化[3]。

3.2 PID控制優(yōu)化

在常用的控制優(yōu)化中，其指標(biāo)主要是積分平方誤差（ISE）、時(shí)間絕對(duì)誤差（ITAE）以及積分絕對(duì)值誤差（IAE）。在這3種指標(biāo)中，積分平方誤差以及積分絕對(duì)值誤差對(duì)于時(shí)間不能有效約束，而時(shí)間絕對(duì)誤差充分考慮了時(shí)間的存在，能夠有效解決問(wèn)題。

4 ?次優(yōu)解集擾動(dòng)IWD的PID控制

4.1 次優(yōu)解集擾動(dòng)

在標(biāo)準(zhǔn)的IWD算法之中，只更新最優(yōu)解水滴個(gè)體集的泥土量，具有更新對(duì)象單調(diào)的特點(diǎn)，不能有效保持種群的多樣性。而在此次設(shè)計(jì)中，使用次優(yōu)解集擾動(dòng)的方式主要有兩種，一是對(duì)優(yōu)化對(duì)象進(jìn)行解集執(zhí)行鄰域的拓展，從而獲得最優(yōu)解;二是使用混沌擾動(dòng)的方式解決參數(shù)優(yōu)化早熟的問(wèn)題，選擇優(yōu)秀的水滴個(gè)體進(jìn)行同次參數(shù)水滴的更新。

4.2 PID優(yōu)化流程

在基于IWD的PID整定優(yōu)化主要流程步驟如下：首先，就是將WID 的參數(shù)進(jìn)行初始化，設(shè)定好全局最佳優(yōu)化目標(biāo)、河道間泥土的初始數(shù)值、迭代數(shù)等，將T與t值進(jìn)行對(duì)比，若是T≥t，那么將整個(gè)水滴算法跳躍到最后的IWD步驟。進(jìn)行水滴速度初始值的設(shè)定，設(shè)置最佳水滴個(gè)體實(shí)驗(yàn)值、水滴的個(gè)體數(shù)量，將參數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，若是符合條件，則根據(jù)實(shí)際情況將算法步驟跳躍，判定集合是否為空集，利用取值進(jìn)行空間數(shù)值的參數(shù)進(jìn)化條件的限制，構(gòu)造可行點(diǎn)集、選取水滴流經(jīng)位置、更新水滴流速、泥土量變化等，計(jì)算最佳的適應(yīng)值，若是適應(yīng)值并沒(méi)有超過(guò)空集，則使用混沌擾動(dòng)法保持多樣性，更新泥土量，設(shè)定t+1=t，將最優(yōu)集輸出。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

可以在MATLAB平臺(tái)中進(jìn)行模塊的建立，充當(dāng)串聯(lián)電池的均衡充電模型，選擇已有的函數(shù)模塊為電池模型。電容設(shè)定為500?F，電感為100?F，在開(kāi)關(guān)的MOSFET模塊中將二極管的參數(shù)設(shè)為默認(rèn)值。在PWM封裝模塊中，依據(jù)電流的邏輯進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，從而得到不同的方波，從而有效進(jìn)行開(kāi)關(guān)的控制。通過(guò)對(duì)比算法進(jìn)行非線性PID電池的均衡充電算法。選取3種算法進(jìn)行對(duì)比，其電池的模糊均衡值大約在6.4s左右，非線性PID控制電池的均衡充電法電壓控制在6.0s左右，該文使用的算法能夠?qū)㈦妷嚎刂圃?.1s，通過(guò)這樣的對(duì)比能夠了解到這樣的充電均衡方式具有更快的控制特點(diǎn)，并且使用此種控制方法，其電壓擬合效果也要優(yōu)于原有的對(duì)比算法，有效提高了控制的精準(zhǔn)性。另外，使用鋰電池組的充電曲也對(duì)電流控制更加了解，在初始節(jié)點(diǎn)時(shí)，電流具有較大的數(shù)值，但是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，均衡控制起到了良好的效果，讓電路中段電流無(wú)限趨近0。有效將PID控制精度不高容易受到震蕩影響的問(wèn)題解決，減少了能量的損耗，均衡充電的控制更加理想，提升了鋰電池組的使用性能。

5 ?結(jié)語(yǔ)

總之，鋰電池的性能上具有較大的優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)工具以及電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，具有強(qiáng)大的發(fā)展前景，隨著國(guó)家以及企業(yè)的推動(dòng)，鋰電池技術(shù)已經(jīng)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，但是在大功率的鋰電池組的使用中，其理論壽命能夠使用上千次，但在實(shí)際的使用中并不能達(dá)到理想狀態(tài)，需要解決其存在的不一致問(wèn)題，才能推動(dòng)鋰電池應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 張瑞，樊波，薛倫生，等.串聯(lián)鋰離子電池組均衡充電方法研究[J].測(cè)控技術(shù)，2017（3）：151-154.

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