基于模糊控制的锂电池充电研究

侯海涛 邢东雪 霍彦明 河北科技大学电气学院

基于模糊控制的锂电池充电研究

侯海涛 邢东雪 霍彦明 河北科技大学电气学院

锂电池作为便携式设备的能源供应，其性能和使用周期越来越受到人们的关注。一个优良的充电技术不仅可以减少充电时间，而且还可以保护电池的使用性能。锂电池在充电过程中很敏感，对充电电压和电流都有严格的要求。在锂电池充电技术中，美国科学家J.A.Mas提出了最佳充电曲线，该曲线表明电池在充电过程中电流不断下降，电流是随时间不断变化的。本文采用模糊控制技术控制锂电池的充电电流，在恒压充电阶段使其电流不断改变寻求最佳充电电流。在与传统的恒流恒压充电控制方法进行比较经过MATLAB仿真，减少了充电时间，达到了控制要求。

模糊控制 MATLAB仿真

1 锂电池的充电技术

1.1 理想充电曲线

充电接受率又称为电流衰减指数，是锂电池充电的关键性能。对于成品电池充电接受率越强，充电时间越短；相反充电接受率越弱，充电时间越长。研究表明，充电接受率是由电解夜密度和初始充电电流决定的。

1.2 恒流恒压充电方式

锂电池的恒压恒流充电方式分为两个阶段。第一个阶段采用恒流充电，通常采用0.5C-1C的电流充电，此时电池的电流是不变的。当电压达到4.2V时进入第二阶段恒压充电。在恒压充电期间，电流持续减小，当电流趋近于零时视为充电结束。

当电池长时间放置，由于自放电率，电池可能会产生过放电的现象。过放电会导致锂电池内部活性物质恢复困难，此时如果直接采用大电流对其进行充电，会对电池造成损害。预充电可以有效解决过放电池的充电问题。通常认为电池电压在2.5V-3V时处于过放电状态，这时先以小电流（C/10）充到3V以上，再转换为传统的恒流恒压充电。

1.3 基于模糊控制的智能充电方式

锂电池在充电过程中其电流是不断变化的，其本身是一种多参数变量的非线性系统。本文采用智能控制的模糊控制技术，测量电流的变化，通过模糊控制器算出最佳充电电流，在电流降低阶段达到最快充电的理想充电方式。

2 模糊控制器的设计

系统测量锂电池随时间变化的电流I(dt)并与理想充电曲线的最佳充电电流进行比较得出e，将电流随时间的变化量与比较的结果最为系统的输入量，得出控制量。

模糊控制器用于锂电池的快速充电。当电池电压高于3V时，采用0.5C-1C的电流进行充电。为了防止电池过充，当电池电压达到4.2V时，停止充电。

3 仿真及实验结果

将第二节的参数输入到锂电池充电模型中可以得到如下结果。如图1和图2所示。本文将充电截至电流设置在0.1A，可以看到采用模糊控制跟踪电流变化的充电时间为1.52h，传统的恒压恒流充电时间为1.586h。减少了充电时间，达到了控制要求。

4 结论

图1 恒流恒压充电曲线

本文采用模糊控制系统对锂电池的充电进行了研究，通过仿真可以发现在模糊控制器的控制下减少了锂电池的充电时间，增加了充电效率，减少了能源消耗。但本文只做了单节锂电池的充电研究，在实际应用中往往是由多节锂电池对设备进行供电。如何做好对多节锂电池的串联或并联的能源管理研究更需要引起人们的关注。

图2 模糊控制下的锂电池充电曲线

[1]何秋生,徐磊,吴雪雪.锂电池充电技术综述[J].电源技术,2013,37(8):1464-1466

[2]李蓓,袁义,王映林,陈志彬.蓄电池初始充电电流与充电接受率的研究[J].蓄池,2008,47(4):171-174