基于电化学理论的动力电池充放电技术研究

崔可旺 戴冬冰 冯冬梅 韩淼

摘  要：随着人们逐渐增强的环保意识，动力电池的应用越来越广泛，其充放电技术的研究也日趋重要。文章介绍以Multisim为开发平台，基于电化学理论的动力电池充放电的研究，包括改进的充放电电路拓扑结构，采用脉宽调制变换器技术作为恒流恒压基本功能模块、采用电源并联均流技术和大功率器件闭环均流技术实现动力电池的大功率充放电，综合三种技术的优点，研制出大功率、高精度恒流源。实际测试结果表明，在完整的充电过程中误差均小于0.1%。

关键词：电路拓扑结构;恒流源;脉宽调制变换器

中图分类号：TM912      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）18-0051-04

Abstract：With the increasing awareness of environmental protection，the application of power battery is more and more extensive，and its charging and discharging technology is becoming more and more important. The article introduces a kind of Multisim as development platform，based on the research of the theory of electrochemical power battery charging and discharging，mainly includes the improvement of charge and discharge circuit topology，using pulse width modulation converter technology as the basic function module of constant current and constant voltage，using power supply parallel current sharing technology and high-power device closed-loop current sharing technology to achieve high-power charging and discharging of power batteries，combining the advantages of the three technologies to develop high-power，high-precision constant current source. The actual test results show that the error in the whole charging process is less than 0.1%.

Keywords：circuit topology;constant current source;pulse width modulation converter

0  引  言

动力电池作为电源或者备用电源在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色，它是一种能提供大功率电源的二次电池，包括铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池等。主要用于UPS、通信电源、电力系统备用电源、电动车和国防领域等，被誉为绿色能源，是国内外重点研发的能源之一。有关电池充放电的研究发展很快，国外已研制出用于动力化学电池充放电的设备，可做到0.1%的精度。目前国内主要电池的生产和研究部门的高性能充放电的设备大都从国外进口，伴随着国内电池行业的高速发展，特别是电动车的开发研究，这是一个急需解决的研究课题。

有关电池的研究属于新能源开发的重要内容，是国家重点支持的研究课题（例如近几年863计划都对电动车和动力电池的开发研究给予重点资助）每年都有大量资金投入到有关动力电池及配套技术的研究，但尚未取得突破性进展。有关电动车电池充放电管理也是天津市科委的重点资助项目，论文将研究基于电化学理论的动力电池充放电技术和电路结构，属于交叉科学研究。研究成果可用于动力电池性能测试和寿命测试，也可用于动力电池和超级电容的研究和生产，以及电动车电池充放电及管理，有广阔的应用前景，一旦形成产品，将产生较大的经济效益和社会效益。

1  系统设计

电源充放电技术的研究已有多年历史，但是一直没有重大突破，二十世纪九十年代以后，由于新型电池的研究取得重大成果，以及半导体技术和计算机技术的发展，促进了电池充放电技术的研究。动力化学电池的充放电设备要具备高精度大功率的特点，因而本设计基于改进的电路拓扑结构研究高精度大功率的充放电设备，重点解决高精度和大功率的结合问题。研究拟采用脉宽调制变换器技术作为恒流恒压基本功能模块，采用电源并联均流技术和大功率器件闭环均流技术实现动力电池的大功率充放电。

另外铅酸蓄电池如果在仓库存放时间比较长，电池硫化现象比较严重，直接导致不能正常使用。再者，在使用过程中维护保养不及时，也导致部分电池损坏率比较高。目前配套的智能充电器，对蓄电池不具备检测和修复功能，只能进行简单的充电，不能对电池进行修复，在电池电压过低时，智能充电器可能无法检测到电池，无法对电池充电，导致一些非物理性损坏的铅蓄电池由于无法得到及时处理，而完全报废，本设计成果也可以用于修复这类电池。

1.1  总体设计

二次電池充放电主要采用恒流充放电、恒压充放电和脉冲充放电等，电路拓扑结构主要包括线性电路和脉宽调制电路。线性电路的优点是精度高，能做窄脉冲，缺点主要有电源效率低，做大功率困难。脉宽调制电路的优点是电源效率高，易于做大功率，缺点主要有精度低、电路复杂、不能做窄脉冲。作为项目负责人，通过阅读国内外相关文献，寻求找到平衡高精度与大功率优点的解决方法，因而提出改进的电路拓扑结构，与其他项目负责人共同研制高精度大功率恒流、恒压和脉冲充放电功能部件，综合协调各项性能。系统主要包含两大部分，分别是：大功率高精度恒流源及多通道板。

1.2  恒流源与多通道板的设计与制作

大功率高精度恒流源是设计的难点，为实现大功率首先进行了高精度大功率恒压源/恒流源电路拓扑结构设计。采用脉宽调制变换器技术作为恒流恒压基本功能模块，在对动力电池充放电时，为避免因模块中参数不同而导致的输出电流较大或较小情况的出现，故而采用电源并联均流技术和大功率器件闭环均流技术。重点解决了高精度和大功率的结合问题。恒流源简易电路如图1所示。

多通道板恒流调节为闭环控制系统即PI调节，是由比例放大器部分与积分器部分共同组成比例积分调节。其稳态精度高、动态响应快，加上有积分器，可实现无静差。如图2所示为恒流源并联功率子电路。

恒流的关键是给定电压VR和采样电阻的精度，如果可以保证上述这两点即可保证输出电流的精度。恒流的充电、放电的原理如图3所示。

整体的回路是一个关于比例积分的闭环调节负反馈的调控系统。其中，Vi是一个确定的电压控制信号，当明确了Vi的值后相应的下位机的电流值I也随之确定。在恒流工作状态下，整个的负反馈系统中电流值成为一个控制量。电流值需要先变成电压，而变成电压的方式是通过一个采样电阻，然后将电压通过放大器进行放大以得到V，再把设定值与反馈值相减得到△V。最后根据所得两者差值△V进行后期的调整，得到恒压工作模式。恒压工作示意图如图4所示，其中，P为比例负反馈，PI为比例积分负反馈。

在该电路中一般主要有两个负反馈，分别为比例负反馈和局部比例积分负反馈。作用是用来减小工作过程中产生的误差并去除静态误差的存在，同时其还能够阻碍由于系统而出现的振荡。其电路在现实工作中相对于恒压具有良好的控制精度，通过高精度仪表测量得出，在完整的充电工作过程中误差均小于0.1%。

1.3  创新之处

本次动力电池研究的设计难点以及攻克的主要技术问题在于精度为0.1%的大功率恒压源/恒流源，设计研究中主要有以下几点创新：

（1）高精度大功率恒压源/恒流源电路拓扑结构设计。在设计过程中，采用脉宽调制变换器技术作为恒流恒压基本功能模块，采用电源并联均流技术和大功率器件闭环均流技术实现动力电池的大功率充放电，解决以往充放电设备中精度与功率不可兼得的问题。

（2）多通道并联均流技术以及大功率下每个功率器件闭环均流技术。鉴于系统中各模块的参数无法做到完全一致，如果将并联模块直接应用于电路，势必很难保证各模块均匀分担负载电流，可能会出现某些模块输出的电流比较大，某些模块输出的电流比较小，甚至还有些模块可能根本没有输出电流的情况。多通道并联均流技术以及功率器件闭环均流技术有效地解决了上述问题，避免在电路上因某个器件电流过大而停止工作，也可避免因输出电压的微小偏差导致输出电流差别很大。

2  研究成果

设计的研究成果主要由天津天狮学院自动化教师通力合作完成，研究此恒流源的目的在于推动目前现有充放电设备的研究，并为学生的“大创”项目以及毕业设计中的动力电池测试内容提供合适的充放电设备，大功率高精度恒流源实物图如图5（a）、5（b）所示，恒流源测试数据接线图如图6所示。

具体恒流测试数据如表1、表2所示。

由表1、表2可知，当负载测试电阻变化时，输出电流仍为恒定值，即恒流源输出电流不随负载的变化而变化。设计研究成品是一个灰色的长方体，内置电路板与线路，经多次实验，均可输出稳定的电流，在本文中暂列一组数据，用不同电阻测试后，误差均小于0.1%，具有输出数据稳定性特征。在后续的电池测试，可作为稳定的充电设备，测试框图如图7所示。

计算机通过RS232口与多通道数据采集系统相连，数据采集系统经扁平电缆连接高精度大功率恒流＼恒压源，恒流源连接被测电池。计算机通过多通道数据采集系统设定恒流＼恒压源量程和电流值，恒定电流＼电压施加到被测电阻。被测电池的测量参数通过多通道数据采集系统被计算机采集。进而电池的参数可在计算机中做进一步的分析。

3  结  论

为了测试动力电池以及提高动力电池的寿命，设计研究一种高精度大功率充放电设备——恒流源。该设计基于改进的电路拓扑结构，由控制电路与通道板电路组成，解决了高精度与大功率的结合问题。通过高精度仪表测量给定不同电压下的电流，得出在完整的充电工作过程中误差均小于0.1%。研究成果可为动力电池的测试提供良好的基础。

参考文献：

[1] 陈雨飞，李志扬，朱建新，等.基于LabVIEW的电池管理系统测试平台设计 [J].电源技术，2019，43（7）：1205-1207+ 1229.

[2] 蔡松，霍伟强.纯电动汽车用动力电池分类及应用探讨 [J].湖北电力，2012，36（2）：70-72.

[3] BALASINGAM B，PATTIPATI B，SANKAVARAM C，et al. An EM approach for dynamic battery management systems [C]//2012 15th International Conference on Information Fusion. Singapore：IEEE，2012：2110-2117.

[4] 徐顺刚，钟其水，朱仁江.动力电池均衡充电控制策略研究 [J].電机与控制学报，2012，16（2）：62-65.

[5] 连湛伟，石欣，克潇，等.电动汽车充换电站动力电池全寿命周期在线检测管理系统 [J].电力系统保护与控制，2014（12）：137-142.

[6] 李晓宇.电动汽车电池管理系统测试平台的研制 [D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[7] 刘小诗.动力电池测试平台数据采集系统设计 [D].北京：北京交通大学，2014.

[8] 牛军龙.动力电池测试平台软件控制系统设计 [D].北京：北京交通大学，2014.

[9] 刘伟.基于LabVIEW的动力电池测试平台的设计 [D].武汉：武汉理工大学，2014.

[10] 李桂娟，张持健，施志刚，等.基于LabVIEW的锂电池SOC预估与参数监测系统 [J].传感器与微系统，2018（10）：69-71.

[11] WU Y，LIAO X F，CHEN W，et al. A Battery Management System for electric vehicle based on Zigbee and CAN [C]//2011 4th International Congress on Image and Signal Processing. Shanghai：IEEE，2011：2517-2521.

[12] 卢君，戚志东.基于DSP的质子交换膜燃料电池测控系统设计 [J].电气技术，2011（10）：60-63.

[13] 张志强.增程式电动汽车系统热管理与APU协调控制技术研究 [D].长春：吉林大学，2017.

作者简介：崔可旺（1993.02—），女，汉族，河北衡水人，助教，硕士研究生，研究方向：信号处理与图像识别。