鋰電池組均衡充電電源設計與實現

趙陽

摘 ?要：我國的科學技術不斷發展，已經有越來越多的新型材料被研發出來，讓鋰電池的性能得到了極大的提升，在更多的領域中得到了應用。但是，在使用單節鋰電池時，其電壓容量的限制較大，所以，在大功率場景中會使用鋰電池組，而長時間的使用中，鋰電池組將會出現充電電壓不一致的情況，因此，該文主要探究在鋰電池組中均衡充電電源的設計方案。

關鍵詞：鋰電池組 ?均衡充電 ?電源設計

中圖分類號：TN912 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）06（a）-0062-02

鋰電池技術的飛速發展讓鋰電池組在各個行業中都有廣泛的應用，而充鋰電池組電壓的不均衡現象，限制了其進一步的發展，特別是在大容器的鋰電池組中，價格高昂，若是不能有效解決鋰電池組的電壓問題，將會對相關企業造成嚴重的經濟損失，需要相關技術人員加強對鋰電池組均衡充電電源的設計研發，提高鋰電池組的應用效率。

1 ?鋰電池組的概念

在目前的鋰電池應用中，其普遍具有高比能量、高標稱電壓、使用壽命長等優勢。由于在單節的鋰電池其容量電壓較小，實際的應用過程中，往往是將鋰電池串聯起來形成鋰電池組進行應用，但是在鋰電池制作中，制備工藝并不相同，導致在實際的鋰電池組應用過程中不僅沒能延續其使用壽命長的優點，反而隨著長時間的使用，展現出了單體電池的不一致性，并且其差異在使用的過程中逐漸增大，讓電池的老化速度加快，甚至電池會出現損壞的現象[1]。

在目前的鋰電池組使用過程中，為了能夠有效提高鋰電池組的使用性能，通常使用分流損耗以及電量轉移的方法進行均衡。這兩種均衡方法中，分流損耗電路具有結構簡單的優勢，但是能量浪費過大，而電量轉移的均衡方式，其主要是將單節電池高電量電池中的電量通過電感、變壓器等均衡電路，從而轉移到低電量的電池中，具有較高的能量利用率的優點，但是結構較為復雜。并且，在以往的均衡電路中，大多數是將電池高電量向低電量轉移，從而實現電量均衡，雖然也有一定的效果，但是充電效率降低，因此，該文主要根據PID控制進行鋰電池組的均衡。

2 ?鋰電池均衡充電電路

在但均衡器的鋰電池中，若是想要電池能量能夠均衡控制，可以用一個均衡器將兩個鋰電池連接在一起，從而與PID結合進行能量的均衡優化。在單均衡器鋰電池中，有L1、L2兩組存在耦合性的電感，其回路電池是C1，二極管模塊是D1與D2，MOSFET模塊是Q1與Q2，主要是在鋰電池充電時充當控制開關從而對充電過程進行均衡。串聯電池能夠在充電過程中實現利用電容進行不平衡的能量轉移，在控制過程中可以使用MOSFET進行控制開關的開啟以及關閉[2]。

在具體的設定中，可以進行假設，如TS為鋰電池控制周期，回路占空比是D，初始電壓值為Vg1+Vg2，若是Vg1>Vg2，其在DTS時期將Q2開啟，電容中存在的能量將會通過電流流經L1轉移到Vg1中，L1也能存儲能量，Vg2的能量也會傳輸到L2之中，控制電感的過程中，始終都在進行周期能量存儲，并隨著實踐逐漸增加能量的存儲量。而在（1-D）的周期中，Q2斷開，榆次同時打開D2，在Vg2以及L2中的能量也會以電流的方式轉移到電容之中，Vg1鋰電池就會讓L1為其充電，所以，在進行控制的過程中，將會出現L1與L2的電流逐漸減少的情況。若是Vg1

3 ?優化PID鋰電池均衡充電控制

3.1 PID控制流程

在PID控制中，主要是利用根據的控制形式，參數的結果將會對整個控制效果造成影響：控制中的無偏控制、過分震蕩的調節、誤差調節。

在PID控制器中，有控制因子的存在，能夠影響控制效果，在一般的控制之中，PID控制器就能實現對其的控制，但是鋰電池組的串聯充電控制就不能通過PID有效控制，從而不能得到較好的控制參數。因此需要使用IWD算法進行優化，從而將PID控制效果有效優化[3]。

3.2 PID控制優化

在常用的控制優化中，其指標主要是積分平方誤差（ISE）、時間絕對誤差（ITAE）以及積分絕對值誤差（IAE）。在這3種指標中，積分平方誤差以及積分絕對值誤差對于時間不能有效約束，而時間絕對誤差充分考慮了時間的存在，能夠有效解決問題。

4 ?次優解集擾動IWD的PID控制

4.1 次優解集擾動

在標準的IWD算法之中，只更新最優解水滴個體集的泥土量，具有更新對象單調的特點，不能有效保持種群的多樣性。而在此次設計中，使用次優解集擾動的方式主要有兩種，一是對優化對象進行解集執行鄰域的拓展，從而獲得最優解;二是使用混沌擾動的方式解決參數優化早熟的問題，選擇優秀的水滴個體進行同次參數水滴的更新。

4.2 PID優化流程

在基于IWD的PID整定優化主要流程步驟如下：首先，就是將WID 的參數進行初始化，設定好全局最佳優化目標、河道間泥土的初始數值、迭代數等，將T與t值進行對比，若是T≥t，那么將整個水滴算法跳躍到最后的IWD步驟。進行水滴速度初始值的設定，設置最佳水滴個體實驗值、水滴的個體數量，將參數值進行對比，若是符合條件，則根據實際情況將算法步驟跳躍，判定集合是否為空集，利用取值進行空間數值的參數進化條件的限制，構造可行點集、選取水滴流經位置、更新水滴流速、泥土量變化等，計算最佳的適應值，若是適應值并沒有超過空集，則使用混沌擾動法保持多樣性，更新泥土量，設定t+1=t，將最優集輸出。

4.3 實驗結果

可以在MATLAB平臺中進行模塊的建立，充當串聯電池的均衡充電模型，選擇已有的函數模塊為電池模型。電容設定為500?F，電感為100?F，在開關的MOSFET模塊中將二極管的參數設為默認值。在PWM封裝模塊中，依據電流的邏輯進行數值計算，從而得到不同的方波，從而有效進行開關的控制。通過對比算法進行非線性PID電池的均衡充電算法。選取3種算法進行對比，其電池的模糊均衡值大約在6.4s左右，非線性PID控制電池的均衡充電法電壓控制在6.0s左右，該文使用的算法能夠將電壓控制在4.1s，通過這樣的對比能夠了解到這樣的充電均衡方式具有更快的控制特點，并且使用此種控制方法，其電壓擬合效果也要優于原有的對比算法，有效提高了控制的精準性。另外，使用鋰電池組的充電曲也對電流控制更加了解，在初始節點時，電流具有較大的數值，但是隨著時間的延長，均衡控制起到了良好的效果，讓電路中段電流無限趨近0。有效將PID控制精度不高容易受到震蕩影響的問題解決，減少了能量的損耗，均衡充電的控制更加理想，提升了鋰電池組的使用性能。

5 ?結語

總之，鋰電池的性能上具有較大的優勢，在電動工具以及電子產品等領域中具有廣泛的應用價值，具有強大的發展前景，隨著國家以及企業的推動，鋰電池技術已經得到了進一步的發展，但是在大功率的鋰電池組的使用中，其理論壽命能夠使用上千次，但在實際的使用中并不能達到理想狀態，需要解決其存在的不一致問題，才能推動鋰電池應用的進一步發展。

參考文獻

[1] 張瑞，樊波，薛倫生，等.串聯鋰離子電池組均衡充電方法研究[J].測控技術，2017（3）：151-154.

[2] 梁波，齊江江，李玉忍，等.鋰電池組均衡充放電控制策略研究[J].西北工業大學學報，2017，35（4）：704-710.

[3] 姚金.基于次優解集擾動IWD的PID鋰電池均衡充電控制[J].電子技術應用，2017，43（4）：153-156.