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鋰電池組均衡充電電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2019-08-13 08:47趙陽(yáng)
科技資訊 2019年16期

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.

[2] 梁波,齊江江,李玉忍,等.鋰電池組均衡充放電控制策略研究[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,35(4):704-710.

[3] 姚金.基于次優(yōu)解集擾動(dòng)IWD的PID鋰電池均衡充電控制[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(4):153-156.

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