基于智能控制的锂电池快速充电方法研究

基于智能控制的锂电池快速充电方法研究

季则彩

天津力神电池股份有限公司天津300384

摘要：随着社会经济的发展，我国的智能化系统有了很大进展，在锂电池充电系统中，应用智能控制越来越广泛。锂电池充电是一个复杂的电化学反应过程，充电过程中存在极化效应，极化效应会增加电池温升和析气，影响充电效果。根据充电过程中电池特性变化将马斯充电曲线划分为预处理、恒流充电、曲线跟踪充电、脉冲充电四个阶段，提出一种锂电池四阶段智能充电方法。针对锂电池的不同充电阶段采取相应的充电策略，动态调整充电电流，在缓解电池极化效应的同时控制电池温升，有助于提高锂电池充电效率和电池使用寿命。仿真结果表明，该方法可以实现锂电池的充电过程，满足充电需求。

关键词：锂电池；极化效应；智能充电；脉冲充电

引言

锂离子电池具有高能量密度、高输出电压、循环寿命长等优点，广泛应用于移动电子、混合动力交通工具、航空航天等领域。锂电池是一种二次电池，可以进行多次充电。然而，充电过饱和或者欠饱和都会对其寿命造成影响。锂电池寿命的缩短不仅会带来经济损失，还可能导致重大事故的发生，特别是在航天航空领域。因此，对每次充电剩余时间的准确预测能防止锂电池寿命缩短，对系统的安全、稳定性具有工程指导意义。

1电磁感应式无线电能传输技术

电磁感应无线电功率传输技术方案采用两个相互靠近的变压器线圈。首先，发射电路将电源提供的交流电转换成直流电，谐振转换电路将直流电转换成高频信号，并驱动发射线圈，以便在附近空间交变电磁场转变无线电能量领受电路的领受线圈的磁通，发生感应电动势。当接收线圈与整流滤波器稳压电路连接时，它可以为所需的电器提供电能。

2无线充电装置结构

①辅助电源的设计。硬件电路的主电源包括5V直流电源和12V交流电源，主要器件包括变压器、桥式整流电路和滤波电路。首先，变压器将220V交流供电电源降压，然后桥式整流电路实现全波整流，电容滤波后，DC-DC变换器稳定电压。由于振荡器电路的工作电压为5V，而功率放大电路的工作电压为12V。变压器选择输出功率100W、输出电压为15V和8V环形变压器。整流电路选用3A肖特基二极管IN5822；功率转换芯片选用三端可调稳压器LM317。②发射模块设计。发射模块主要由功率放大电路、振荡电路和耦合线圈三部分组成。功率放大器可以向负载输出大功率信号。因此，连系此计划，因为放大振荡输出用于能量功率，波形失真其实不重要，不但具备充足的振幅，并且电路简单。③接收电路的设计。领受电路的计划必需斟酌锂电池充电时的电压稳定性限定和锂电池的充电庇护。主要目标是避免充电过程当中过电流和过充电。另外，计划方案还必需选择适合的锂电池充电计谋。另外，设计方案还必须选择适合的锂电池充电计谋。此外，相比于模拟电路和单片机来讲，利用专门的充电管理芯片是一个更好的选择。至于无线充电，由于领受器领受的能量具备很大的可变性，而且与耦合线圈的相对于于间隔和位置有很大的干系，领受器处的电压和电流的动态规模相对于于较宽，而事情电压规模。

3充电剩余时间预测策略

3.1支持向量回归训练过程

步骤1：数据预处理。为了获得更好的预测效果，训练之前将自变量与因变量进行归一化。归一化采用最大最小法，见式（1）。

（1）

式中：xmax为样本最大值；xmin为样本最小值。实验过程中，将自变量转化到区间[0,1]内，将因变量转化到区间[100,500]内。步骤2：建立训练样本对。在实验过程中，选取锂电池电压BV、锂电池电流BI、锂电池温度C、充电电压CV和充电电流CI作为特征向量，充电剩余时间作为支持向量机输出，建立如式(11)的训练样本对。

（12）

步骤3：训练SVR模型。根据网格划分在解空间寻找最优的格点进行搜索，得到最佳的惩罚参数C和核参数g，通过样本训练得到式(1)中的w和b，确定最终的模型。

3.2模糊信息粒化

模糊信息粒化一方面可以降低样本规模提高训练的效率，另一方面，提供了输出的概率分布，实现了区间估计，提高了置信度。其步骤包括：步骤1，设置模糊窗口数，即设置每一个窗口数目包含的模糊粒子数，对式(11)中的x和y进行模糊化，从而生成具有代表性的小规模训练样本对；步骤2，重新生成训练样本对，每个窗口生成的代表性数据有最小值、平均值和最大值，将这些数据按照式(11)进行重新组合得到新的训练样本对。

4仿真研究

在Matlab/Simulink环境下搭建实验仿真模型，S-function函数编写控制程序，Battery模型选用锂电池，参数设为3.2V，1500mAh，初始容量10%，通过控制受控电流源对电池进行充电测试。图1、图2为曲线跟踪充电和脉冲充电两个主要阶段的仿真结果。图1为曲线跟踪阶段仿真结果，充电过程中根据电池充电容量动态调整充电电流，可发现实际充电电流呈指数减小，与马斯充电曲线走势一致。前半程充电电流较大，由于极化作用，端电压先较快上升；当充电电流减小时，极化电压下降，电池端电压有所减小，但随着充电时间延长，电池内电动势升高，端电压总体呈上升趋势。该阶段充电电流随时间减小，因此极化效应和温升现象不会持续累积，而是被控制在一定范围内，这对电池的充电是有帮助的。工程应用中检测电池容量是实现该过程的关键。图2为脉冲充电阶段的电压、电流变化情况。虚线圆框内指示了一个脉冲周期端电压的变化情况：脉冲充电时，电池端电压突升后随脉冲充电时间逐渐抬升；停充时，由于极化效应存在，端电压有小幅跌落，之后引入反向脉冲放电，端电压快速衰减，相比于自然静置去极化方法的效果更优。随着脉冲数增多，端电压总体呈逐渐上升趋势。

图1曲线跟踪阶段电压、电流曲线

图2脉冲充电阶段电压、电流曲线

结束语

综上所述，基于电压降补偿的快速充电系统，压降补偿法的引入有效延长了大电流恒流充电的时间，加快了整体充电速度。采用模糊自适应PID控制改进后的充电控制系统兼具模糊控制和PID控制两者的优势，操作简单且能较好处理系统的非线性、时变性和不确定性造成稳定性干扰的问题，实现了对充电系统的精准控制，有效提高了充电系统稳定性与蓄电池的充电速度。

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