一种宽电压调节范围的锂电池恒流放电装置

李 岩，全伟成

应用研究

一种宽电压调节范围的锂电池恒流放电装置

李 岩，全伟成

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

锂电池在使用过程中需要进行放电维护，为提高放电装置的适应性，本文设计了一种适用于多种工况的锂电池放电装置。此装置由恒流控制和功率控制两部分构成，在完成恒流放电控制的同时，还能够起到减小电流谐波的作用。

恒流放电装置 锂电池 宽电压范围

0 引言

锂电池具有低成本、使用次数多、材料热稳定性好等多方面优点，在新能源、交通运输、特种电源等诸多应用场景中得到广泛应用，发展前景广阔[1]。锂电池在使用过程中，一般需要进行放电维护，以延长使用寿命。锂电池类型众多，放电特性各不相同，且在放电过程中，电池的输出电压变化范围大（典型的放电电压与Psoc的关系如图1所示），因而对放电装置的适应性提出了需求[2]。

锂电池放电装置常采用恒电流放电策略，此时锂电池在放电过程中，其输出电压随着锂P的下降而降低，限制了其放电能力[3]。目前，对恒电流放电的优化研究主要集中在控制策略优化和结构优化[4～5]。本文提出采用基于Boost-buck结构的锂电池放电装置，其中boost环节采用恒流控制，buck环节采用功率控制，拓扑结构简单，控制方法成熟，适用于宽电压变化范围的应用场合。本文建立了该电路及控制策略的MATLAB/SIMULINK模型，验证了该电流及控制策略的有效性。

1 电路拓扑

该装置的拓扑如图1所示

图1 典型的锂电池组开路电压与Psoc的关系图

区域Ⅰ为恒流控制模块，区域Ⅱ为功率控制电路。为锂电池电压，为放电电阻。

为了适配多种型号电池，的范围很大，在放电过程中，也会随着锂电池电量的消耗而降低。在运行时，电阻值基本不变，如果仅仅采用恒流模块进行控制，不经过区域Ⅱ，则电流调节有其最低限度值，最低为。为了进行大功率放电，电阻一般不会选的太大，因此需要区域Ⅱ对电阻进行通断，进行功率调节。

图2 回路拓扑

区域Ⅱ设定为当母线电压1低于设定值时，2不导通，放电电阻不接入回路。区域Ⅰ的1进行斩波，动态调整占空比，控制电流。1导通时，电流上升，对升压电感进行充电，1关断时，电流下降，母线电容电压上升。由于不断对母线进行充电，母线电容的电压总能升到区域Ⅱ的放电设定值。当母线电压升到所设定的值时，区域Ⅱ开始导通放电。通过控制2的占空比，稳定母线电压。放电电流的大小不再受电池电压和放电电阻的限制，并能实现更精确的控制。

区域ⅠIGBT导通时，电感上所充的电流会在IGBT关断时流向母线电容，为了不使1过高烧坏器件，正常工作情况下，放电回路必须导通给母线电容放电，即2不能长时间完全关断，放电电阻不能不接入回路。

2 放电原理分析

可得电感电流的状态方程：

其中，1为占空比。由式子可知，电流稳定时，储能电感上的电压

在功率控制回路中，IGBT导通，储能电容放电，电压降低。放电回路等效为BUCK电路，稳定时输出的电流

考虑功率控制回路，储能电容上的电压

上式中，d1、d2为可控占空比。占空比d1控制电流稳定，占空比d2控制储能电容电压稳定。采用两个PI调节器分别进行控制，系统的控制框图如下图所示：

可以看到，恒流控制受到储能电容电压1的影响，为了减小其波动带来的谐波电流，恒功率控制回路以稳定1为目标。从功率流动方向分析，当1稳定时，电池输出功率全部释放在放电电阻上。实际应用中，可取1=1.2max，既能实现恒流，同时能够降低电流谐波。1的选取同时限制了系统的最大放电功率，当占空比2最大时，负载端电压等于储能电容电压，max=12/。

3 控制策略验证与结果分析

为了验证所设计的控制策略，采用MATLAB/SIMULINK进行仿真，搭建图2所示的模型，所用的器件参数如下：电池电压=35 V；电阻=2 Ω；电感=1 mH；电容=800 μF。

设定放电电流为40 A，母线电压为60 V，得到的电流电压波形如图5～6。可以看到，在图5中可以看到，在0～0.01 s内，电流超调较大。对比图6，可以发现，此时母线电容电压一直在上升过程中，未达到设定的60 V。在母线电压未超过电池电压时，1无论开关，总是会给电感充电，导致电流超调。

图7～8是先给母线充电到电池电压，然后再进行电池放电得到的电流、电压波形。可以看到电流超调已有明显改善，电压超调2%，在可接受范围内。

图9是电流指令突变时的电流跟踪波形，可以看到电流跟踪基本没有超调，也验证了电流可调节范围大。

图8 预充电后母线电压

图9 电流指令突变时的电流

4 结论分析

本文在所设计的宽电压电流调节范围放电装置，结构简单，同时具有良好的动静态特性，符合现场实用需求。仿真验证了所设计系统合理性、控制策略高效可靠。

[1] 宋怀河. 影响锂离子电池高倍率充放电性能的因素[J]. 电源技术, 2009(6): 6.

[2] 黄万友. 纯电动汽车磷酸铁锂电池组放电效率模型[J]. 华中科技大学学报: 自然科学版, 2012, 40(5): 4.

[3] 王志福. 电动车用锂离子动力电池充放电特性[J]. 电池, 2003, 33(3): 2.

[4] 陆彦超. 基于模糊控制的锂电池恒流放电系统[J]. 电子技术应用, 2013, 39(9): 5.

[5] 饶芳. 基于新型双向整流器的锂电池充放电装置研究[J]. 电力电子技术, 2012, 46(3): 3.

A constant current discharge device for lithium battery with wide voltage regulation range

Li Yan, Quan Weicheng

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM464

A

1003-4862（2022）05-0041-03

2021-07-20

李岩（1982-），男，工程师。研究方向：电气控制与自动化。E-mail: ares_82@163.com