基于模糊控制的鋰電池充電研究

侯海濤 邢東雪 霍彥明 河北科技大學電氣學院

基于模糊控制的鋰電池充電研究

侯海濤 邢東雪 霍彥明 河北科技大學電氣學院

鋰電池作為便攜式設備的能源供應，其性能和使用周期越來越受到人們的關注。一個優良的充電技術不僅可以減少充電時間，而且還可以保護電池的使用性能。鋰電池在充電過程中很敏感，對充電電壓和電流都有嚴格的要求。在鋰電池充電技術中，美國科學家J.A.Mas提出了最佳充電曲線，該曲線表明電池在充電過程中電流不斷下降，電流是隨時間不斷變化的。本文采用模糊控制技術控制鋰電池的充電電流，在恒壓充電階段使其電流不斷改變尋求最佳充電電流。在與傳統的恒流恒壓充電控制方法進行比較經過MATLAB仿真，減少了充電時間，達到了控制要求。

模糊控制 MATLAB仿真

1 鋰電池的充電技術

1.1 理想充電曲線

充電接受率又稱為電流衰減指數，是鋰電池充電的關鍵性能。對于成品電池充電接受率越強，充電時間越短；相反充電接受率越弱，充電時間越長。研究表明，充電接受率是由電解夜密度和初始充電電流決定的。

1.2 恒流恒壓充電方式

鋰電池的恒壓恒流充電方式分為兩個階段。第一個階段采用恒流充電，通常采用0.5C-1C的電流充電，此時電池的電流是不變的。當電壓達到4.2V時進入第二階段恒壓充電。在恒壓充電期間，電流持續減小，當電流趨近于零時視為充電結束。

當電池長時間放置，由于自放電率，電池可能會產生過放電的現象。過放電會導致鋰電池內部活性物質恢復困難，此時如果直接采用大電流對其進行充電，會對電池造成損害。預充電可以有效解決過放電池的充電問題。通常認為電池電壓在2.5V-3V時處于過放電狀態，這時先以小電流（C/10）充到3V以上，再轉換為傳統的恒流恒壓充電。

1.3 基于模糊控制的智能充電方式

鋰電池在充電過程中其電流是不斷變化的，其本身是一種多參數變量的非線性系統。本文采用智能控制的模糊控制技術，測量電流的變化，通過模糊控制器算出最佳充電電流，在電流降低階段達到最快充電的理想充電方式。

2 模糊控制器的設計

系統測量鋰電池隨時間變化的電流I(dt)并與理想充電曲線的最佳充電電流進行比較得出e，將電流隨時間的變化量與比較的結果最為系統的輸入量，得出控制量。

模糊控制器用于鋰電池的快速充電。當電池電壓高于3V時，采用0.5C-1C的電流進行充電。為了防止電池過充，當電池電壓達到4.2V時，停止充電。

3 仿真及實驗結果

將第二節的參數輸入到鋰電池充電模型中可以得到如下結果。如圖1和圖2所示。本文將充電截至電流設置在0.1A，可以看到采用模糊控制跟蹤電流變化的充電時間為1.52h，傳統的恒壓恒流充電時間為1.586h。減少了充電時間，達到了控制要求。

4 結論

圖1 恒流恒壓充電曲線

本文采用模糊控制系統對鋰電池的充電進行了研究，通過仿真可以發現在模糊控制器的控制下減少了鋰電池的充電時間，增加了充電效率，減少了能源消耗。但本文只做了單節鋰電池的充電研究，在實際應用中往往是由多節鋰電池對設備進行供電。如何做好對多節鋰電池的串聯或并聯的能源管理研究更需要引起人們的關注。

圖2 模糊控制下的鋰電池充電曲線

[1]何秋生,徐磊,吳雪雪.鋰電池充電技術綜述[J].電源技術,2013,37(8):1464-1466

[2]李蓓,袁義,王映林,陳志彬.蓄電池初始充電電流與充電接受率的研究[J].蓄池,2008,47(4):171-174