基于電化學理論的動力電池充放電技術研究

崔可旺 戴冬冰 馮冬梅 韓淼

摘? 要：隨著人們逐漸增強的環保意識，動力電池的應用越來越廣泛，其充放電技術的研究也日趨重要。文章介紹以Multisim為開發平臺，基于電化學理論的動力電池充放電的研究，包括改進的充放電電路拓撲結構，采用脈寬調制變換器技術作為恒流恒壓基本功能模塊、采用電源并聯均流技術和大功率器件閉環均流技術實現動力電池的大功率充放電，綜合三種技術的優點，研制出大功率、高精度恒流源。實際測試結果表明，在完整的充電過程中誤差均小于0.1%。

關鍵詞：電路拓撲結構;恒流源;脈寬調制變換器

中圖分類號：TM912? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：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

動力電池作為電源或者備用電源在人們的日常生活中扮演著越來越重要的角色，它是一種能提供大功率電源的二次電池，包括鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池、燃料電池等。主要用于UPS、通信電源、電力系統備用電源、電動車和國防領域等，被譽為綠色能源，是國內外重點研發的能源之一。有關電池充放電的研究發展很快，國外已研制出用于動力化學電池充放電的設備，可做到0.1%的精度。目前國內主要電池的生產和研究部門的高性能充放電的設備大都從國外進口，伴隨著國內電池行業的高速發展，特別是電動車的開發研究，這是一個急需解決的研究課題。

有關電池的研究屬于新能源開發的重要內容，是國家重點支持的研究課題（例如近幾年863計劃都對電動車和動力電池的開發研究給予重點資助）每年都有大量資金投入到有關動力電池及配套技術的研究，但尚未取得突破性進展。有關電動車電池充放電管理也是天津市科委的重點資助項目，論文將研究基于電化學理論的動力電池充放電技術和電路結構，屬于交叉科學研究。研究成果可用于動力電池性能測試和壽命測試，也可用于動力電池和超級電容的研究和生產，以及電動車電池充放電及管理，有廣闊的應用前景，一旦形成產品，將產生較大的經濟效益和社會效益。

1? 系統設計

電源充放電技術的研究已有多年歷史，但是一直沒有重大突破，二十世紀九十年代以后，由于新型電池的研究取得重大成果，以及半導體技術和計算機技術的發展，促進了電池充放電技術的研究。動力化學電池的充放電設備要具備高精度大功率的特點，因而本設計基于改進的電路拓撲結構研究高精度大功率的充放電設備，重點解決高精度和大功率的結合問題。研究擬采用脈寬調制變換器技術作為恒流恒壓基本功能模塊，采用電源并聯均流技術和大功率器件閉環均流技術實現動力電池的大功率充放電。

另外鉛酸蓄電池如果在倉庫存放時間比較長，電池硫化現象比較嚴重，直接導致不能正常使用。再者，在使用過程中維護保養不及時，也導致部分電池損壞率比較高。目前配套的智能充電器，對蓄電池不具備檢測和修復功能，只能進行簡單的充電，不能對電池進行修復，在電池電壓過低時，智能充電器可能無法檢測到電池，無法對電池充電，導致一些非物理性損壞的鉛蓄電池由于無法得到及時處理，而完全報廢，本設計成果也可以用于修復這類電池。

1.1? 總體設計

二次電池充放電主要采用恒流充放電、恒壓充放電和脈沖充放電等，電路拓撲結構主要包括線性電路和脈寬調制電路。線性電路的優點是精度高，能做窄脈沖，缺點主要有電源效率低，做大功率困難。脈寬調制電路的優點是電源效率高，易于做大功率，缺點主要有精度低、電路復雜、不能做窄脈沖。作為項目負責人，通過閱讀國內外相關文獻，尋求找到平衡高精度與大功率優點的解決方法，因而提出改進的電路拓撲結構，與其他項目負責人共同研制高精度大功率恒流、恒壓和脈沖充放電功能部件，綜合協調各項性能。系統主要包含兩大部分，分別是：大功率高精度恒流源及多通道板。

1.2? 恒流源與多通道板的設計與制作

大功率高精度恒流源是設計的難點，為實現大功率首先進行了高精度大功率恒壓源/恒流源電路拓撲結構設計。采用脈寬調制變換器技術作為恒流恒壓基本功能模塊，在對動力電池充放電時，為避免因模塊中參數不同而導致的輸出電流較大或較小情況的出現，故而采用電源并聯均流技術和大功率器件閉環均流技術。重點解決了高精度和大功率的結合問題。恒流源簡易電路如圖1所示。

多通道板恒流調節為閉環控制系統即PI調節，是由比例放大器部分與積分器部分共同組成比例積分調節。其穩態精度高、動態響應快，加上有積分器，可實現無靜差。如圖2所示為恒流源并聯功率子電路。

恒流的關鍵是給定電壓VR和采樣電阻的精度，如果可以保證上述這兩點即可保證輸出電流的精度。恒流的充電、放電的原理如圖3所示。

整體的回路是一個關于比例積分的閉環調節負反饋的調控系統。其中，Vi是一個確定的電壓控制信號，當明確了Vi的值后相應的下位機的電流值I也隨之確定。在恒流工作狀態下，整個的負反饋系統中電流值成為一個控制量。電流值需要先變成電壓，而變成電壓的方式是通過一個采樣電阻，然后將電壓通過放大器進行放大以得到V，再把設定值與反饋值相減得到△V。最后根據所得兩者差值△V進行后期的調整，得到恒壓工作模式。恒壓工作示意圖如圖4所示，其中，P為比例負反饋，PI為比例積分負反饋。

在該電路中一般主要有兩個負反饋，分別為比例負反饋和局部比例積分負反饋。作用是用來減小工作過程中產生的誤差并去除靜態誤差的存在，同時其還能夠阻礙由于系統而出現的振蕩。其電路在現實工作中相對于恒壓具有良好的控制精度，通過高精度儀表測量得出，在完整的充電工作過程中誤差均小于0.1%。

1.3? 創新之處

本次動力電池研究的設計難點以及攻克的主要技術問題在于精度為0.1%的大功率恒壓源/恒流源，設計研究中主要有以下幾點創新：

（1）高精度大功率恒壓源/恒流源電路拓撲結構設計。在設計過程中，采用脈寬調制變換器技術作為恒流恒壓基本功能模塊，采用電源并聯均流技術和大功率器件閉環均流技術實現動力電池的大功率充放電，解決以往充放電設備中精度與功率不可兼得的問題。

（2）多通道并聯均流技術以及大功率下每個功率器件閉環均流技術。鑒于系統中各模塊的參數無法做到完全一致，如果將并聯模塊直接應用于電路，勢必很難保證各模塊均勻分擔負載電流，可能會出現某些模塊輸出的電流比較大，某些模塊輸出的電流比較小，甚至還有些模塊可能根本沒有輸出電流的情況。多通道并聯均流技術以及功率器件閉環均流技術有效地解決了上述問題，避免在電路上因某個器件電流過大而停止工作，也可避免因輸出電壓的微小偏差導致輸出電流差別很大。

2? 研究成果

設計的研究成果主要由天津天獅學院自動化教師通力合作完成，研究此恒流源的目的在于推動目前現有充放電設備的研究，并為學生的“大創”項目以及畢業設計中的動力電池測試內容提供合適的充放電設備，大功率高精度恒流源實物圖如圖5（a）、5（b）所示，恒流源測試數據接線圖如圖6所示。

具體恒流測試數據如表1、表2所示。

由表1、表2可知，當負載測試電阻變化時，輸出電流仍為恒定值，即恒流源輸出電流不隨負載的變化而變化。設計研究成品是一個灰色的長方體，內置電路板與線路，經多次實驗，均可輸出穩定的電流，在本文中暫列一組數據，用不同電阻測試后，誤差均小于0.1%，具有輸出數據穩定性特征。在后續的電池測試，可作為穩定的充電設備，測試框圖如圖7所示。

計算機通過RS232口與多通道數據采集系統相連，數據采集系統經扁平電纜連接高精度大功率恒流＼恒壓源，恒流源連接被測電池。計算機通過多通道數據采集系統設定恒流＼恒壓源量程和電流值，恒定電流＼電壓施加到被測電阻。被測電池的測量參數通過多通道數據采集系統被計算機采集。進而電池的參數可在計算機中做進一步的分析。

3? 結? 論

為了測試動力電池以及提高動力電池的壽命，設計研究一種高精度大功率充放電設備——恒流源。該設計基于改進的電路拓撲結構，由控制電路與通道板電路組成，解決了高精度與大功率的結合問題。通過高精度儀表測量給定不同電壓下的電流，得出在完整的充電工作過程中誤差均小于0.1%。研究成果可為動力電池的測試提供良好的基礎。

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作者簡介：崔可旺（1993.02—），女，漢族，河北衡水人，助教，碩士研究生，研究方向：信號處理與圖像識別。