收稿日期:2007-11-15基金项目:重庆市自然科学基金资助项目(CSTC,2005BB6171).作者简介:苏玉刚(1961 ),男,辽宁大连人,博士,副教授,主要从事电力电子技术及应用、计算机测控技术研究.锂离子电池组快速智能充电技术苏玉刚1,杜伟炯1,陈 强2,夏永峰1(1.重庆大学自动化学院,重庆 400044; 2.重庆市住房公积金管理中心,重庆 400015)摘要:阐述了锂离子电池的基本电气特性,对锂离子电池组中单体电池压差导致电池组使用寿命严重缩短的问题进行了分析.根据锂离子电池组充电的特殊要求,设计了一种基于单片机的锂离子电池组快速智能充电管理系统,它能够按照锂离子电池的充电规律的要求为电池组进行快速充电;并采用模糊控制算法控制的buck boost 均衡电路智能调整单体电池之间的电压差,实现电压均衡.关 键 词:锂离子电池;智能充电;电压均衡;模糊控制中图分类号:TM912 文献标识码:A文章编号:1671-0924(2008)01-0089-05Rapid and Intelligent Charging Technology forSeries Lithium ion BatterySU Yu gang 1,DU Wei jiong 1,CHEN Qiang 2,XIA Yong feng1(1.College of Automation,Chongqing University,Chongqing 400044,China;2.Housing Fund Management Center of Chongqing,Chongqing 400015,China)Abstract:The electrical characteristic of Lithium ion battery is presented in this article.And a detail analysis between single Lithium ion battery and the series battery life is given.A rapid intelligent lithium ion battery charging management system based on the microprocessor is designed according to the special require ments of the charging for Lithium ion batteries,which can realized rapid charging for Lithium ion batteries following Lithium ion battery charging rule and intelligently regulate the battery voltage in the bat tery package which depends on a buck boost circuit to get equalization with fuzzy c ontrol algorithm.Key words:Lithium ion battery;intelligent charging;voltage equalization;fuzzy control 全球一次能源的储备正在日渐耗竭,然而作为主要能源消耗者的汽车的数量却仍在急剧增加,这使人类的可持续发展面临着巨大的挑战.为了解决这个突出的矛盾,缓解危机,科学家们正在第22卷 第1期Vol.22 No.1重庆工学院学报(自然科学)Journal of Chongqing Institute of Technology(Natural Science)2008年1月Jan.2008研究推出一种新型的环保汽车:电动汽车.将锂离子电池用作电动汽车的动力电池,已成为世界各国当前重点研究和发展的技术.现在锂离子电池已经作为动力电池应用在电动汽车上,解决了长久以来的能量存储问题,推动了电动汽车的快速发展.电动轿车使用的锂离子电池规格一般为200Ah/300V,需要75节左右电池串联供电;功率更大的电动客车使用的锂离子电池规格一般为500Ah/500V,需要125节左右电池串联供电.面对如此大功率的锂离子电池组,且在电池组的串联使用中容易出现过充和过放,最终导致电池组容量的大幅下降和电池组使用寿命的严重缩短.因此,人们如今关注更多的是如何在保证电池性能、不降低使用寿命的前提下,更加快速、方便、安全地实现对电动汽车电池组充电.1 锂离子电池组的电气特性锂离子电池的上限电压阈值决定了电池容量和使用寿命,如图1~2所示[1].由图1~2可见,随着电池电压的逐渐升高,电池的容量逐渐增大,使用寿命逐渐下降,电池的容量和使用寿命是相互制约的.在4.1V左右电压达到理想值,使寿命和容量实现双赢.锂离子电池组中可能出现单体电池的初始电压差异,若不进行恰当处理,在充电过程中最终会导致电池组中有的电池过充.正是这个影响电池组使用的关键性因素,使电池组的充电过程比单体电池的充电过程复杂很多,需要在锂离子电池组充电过程中对各单体电池电压进行均衡控制,尽量实现各电池在充电结束时电压一致,这样才能充分保证电池的稳定性和使用寿命.单体锂离子电池的工作电压范围在2.75V~ 4.2V,充电特性如图3所示.图1电压与容量关系图2电压与寿命关系图3 锂离子电池充电特性在t0~t1阶段为涓流充电,充电电流约为0.1 C(C为电池的容量);t1~t2阶段为恒流充电阶段,充电电流约为0.5C;当t2时刻电池电压达到4.1 V,开始恒压充电,直至充电电流减小到0.1C才结束充电.锂离子电池组的充电过程也需要按照这样一个先恒流后恒压的顺序进行,唯一的不同在于最后恒定的电压需要根据串联电池的数量来确定.U=V B M n(1)其中:V BM=4.1V;n为串联电池数.90重庆工学院学报2 锂离子电池组充电电路设计本文中针对锂离子电池组使用中的这些特殊要求,设计了基于89C52单片机的具有电压均衡功能的锂离子电池组快速智能充电管理系统,系统结构如图4所示.图5所示为由TL494构成的充电装置功率电路的控制电路,由其控制Buck 电路为电池组提供恒流充电和恒压充电.图4 快速智能充电管理系统结构框图图5 由TL494构成的控制电路单片机根据电压检测得到的锂离子电池组的电压值,控制选择TL494的feedback 端输入(电池组电压反馈输入或充电电流反馈输入),同时给定REF 值以实现恒流或者恒压充电.由单片机给出的参考值可以控制充电设备的输出功率,实现为各种不同容量的锂电池组充电,体现出管理系统的智能性和灵活性.3 电压均衡电路设计锂离子电池组使用一段时间后,会出现单体内阻的不一致和不同程度的老化.因此电池组在充电过程中各电池必然存在电压压差,若不采用电压均衡措施,将会有2种方式结束充电:!当初始电压最高的电池到达4.1V 时,停止充电;∀当初始电压最低的电池到达4.1V 时,停止充电.第1种方式将直接导致电池组利用容量下降,无法充分发挥动力锂离子电池组的性能;后者将直接导致电池过充,造成物理破坏降低锂离子电池组的寿命.2种结束方式都存在弊端,为解决充电结束时的问题,既能将各单体电池充满,实现电池组的能量最大化,又不损伤锂离子电池组的使用寿命,这就需要锂离子电池组在串联充电时,使用特殊的均衡电路,保证单体电池电压精确一致.在锂离子电池组均衡中比较常用的有3种方法:!消耗单体多余电量;∀依靠外部电源,对#饥饿∃电池单独补充电量;%电池组内电量相互转移.因为充电对象是电动汽车上大容量的锂离子电池组,需要提高充电效率,缩短充电时间,而消耗单体多余电量的方法需要比正常充电更长的时间,所以并不适合;而第2种方法的硬件电路往往需要大型的多抽头变压器或大量小型变压器,无法适应现代电力电子设备体积小便于携带的特点.本文中采用图6所示的一种新颖的基于buck boost 变换的小型均衡电路[2],实现电池组内电量的相互转移,完成电池组电压均衡功能.图6 电压均衡电路均衡电路中的电力功率器件MOSFE T 由单片机输出的PW M 控制信号控制.设V B i 为第i 节电池的电压,V ave 为锂离子电池组的平均电压.当V B i >V ave ,Q i 开通时,电池B i 的多余电量转移到电感L i 上,此时流过Q i 的电流为:i Q i =V B i Lt,0<t <D on T(2)91苏玉刚,等:锂离子电池组快速智能充电技术其中:D on 为PW M 控制信号的占空比;T 为周期.当Q i 关断时,L i &B i +1,∋,B n &C r &D i &L i 构成放电回路,这样L i 上的电量便转移到了下游的电池和C r 上.当电容电压V Cr 值超过设定值时,导通Q r 将C r 的电量转移到L r 上,当Q r 关闭时,电量通过D r 反馈回充电主电路,实现了高效的能量均衡.4 均衡电路的模糊控制器设计将模糊控制算法运用到均衡控制电路中,通过对PW M 信号的控制,可以实现快速地调整单体电池间电压差的功能.模糊控制器由模糊化接口、数据规则库、模糊推理机和解模糊接口组成,如图7所示[3].图7 模糊控制器的组成确定模糊控制器的2个输入,电压差值: V =V ave -V B ;电压差值变化率: V = V 2- V 1.模糊化接口通过量化因子将电池的电压差 V 和压差的变化趋势 V 模糊化转变成模糊语言,模糊推理机将根据表1所示的数据规则库的推理定义来进行推理,并采用Mamdani 的min max 模糊蕴含关系和重心法解模糊,得到均衡电路所需要的模糊控制信号D out .表1 模糊控制规则表D ou tVNB NM NS ZO VNB PB PB PMPS NM PB PB PM PS NSPB PM PM ZO ZO PM PM PM ZO PS PS PS PS ZO PM PS PS PS ZO PBPSZOZOZO图8所示为均衡电路模糊控制策略中 V, V 的隶属度函数 1(x ), 2(x )的设置及模糊控制器输出信号D out 的隶属度函数 3(x ).图8 模糊控制策略中的隶属度函数在实际的硬件实现时,将所得的模糊控制表存储在单片机中,根据采样回来的e 和ec 值,通过查表实现模糊控制的在线控制.该方法克服了模糊控制器运算量大、控制适时性较差的问题,对单片机的性能要求不高、便于工程实现.5 实验结果与分析为验证这种锂离子电池组快速充电和均衡充电方法的可行性,作者搭建了3节2Ah 锂离子电池串联充电的实验平台.设定恒流充电阶段的电流为2A,均衡电路开关管工作频率为20kHz,最大占空比0.5.将3节电池的初始电压设置在3组不平衡的状态:V B1=3.8V,V B2=3.4V,V B3=3.0V;V B 1=4V,V B2=3.8V,V B3=3.1V;V B1=3.2V,V B2=3.1V,V B3=3.0V,实验结果如图9所示.92重庆工学院学报图9 锂离子电池组快速充电和均衡实验结果由实验结果可见,在锂离子电池组内电池的充电速度不一致,单体电压低的电池相对电压高的电池充电速度要快很多,但是最终他们的满充电压却是一致的,这正是均衡电路作用的结果;这种PWM快速充电模式使整个充电过程可以在1.5 h内完成,与目前应用广泛的恒压充电方式相比,充电时间节约了0.5~1h,由此也体现出了本系统充电的快速性.5 结束语作者设计的锂离子电池组快速智能充电管理系统,不但实现了按照锂离子电池的充电规律要求为电池组进行快速充电的功能,同时也解决了锂离子电池组充电过程中存在的单体电池电压不均衡的问题,保证了电池组的使用寿命和满充容量.参考文献:[1] Stephen W,Moore Peter,J Schneider.A Review of Cell Equalization Methods for Lithium Ion and Lithium PolymerBattery Systems[J].Society of Automotive Engineers,2001,36(1):201-211.[2] Yuang Shung Lee,Ming Wang Cheng.Intelligent ControlBattery Equalization for Series Connected Lithium Ion Battery Strings[J].Accep ted and to be appearance in IEEE Transactions on Industrial Electronics,2005,52(5):1297 -1307.[3] 诸静.模糊控制理论与系统原理[M].北京:机械工业出版社,2005:8.[4] 李红林,张承宁,孙逢春,等.锂离子电池组均衡充电和保护系统研究[J].北京理工大学学报,2004,24(3):210-213.[5] 宫学庚,齐铂金.电动车电池均衡控制的建模与分析[J].电池,2005,35(1):37-38.(责任编辑 陈 松)93苏玉刚,等:锂离子电池组快速智能充电技术。