多组锂电池充放电控制系统设计与实现开题报告

在国家鼓励支持及市场前景的推动下，锂离子电池关键技术、关键材料和产品研究都取得了重大进展。其技术和经济性优势显著，推广应用的条件已经日趋成熟。如中信国安盟固利公司提供给北京奥运电动车的新型锂离子动力电池总成比能量已经超过90wh/kg。但是此前锂离子电池工作关注重点是关键技术、关键材料和产片研究。锂离子电池的成组技术，成组充电、放电和维护管理等应用技术没有得到应有的重视，致使锂离子电池的充电、放电和维护管理技术及设备研究严重滞后于电池技术达到发展。当前仍然普遍采用的是不能适应锂离子电池特点的电池应用技术和设备。错误的将因为成组技术落后而造成的过充电、过放电、超温和过流问题引起的电池寿命下降、燃烧、炸裂等问题，转嫁到电池本身上。这已经严重制约了其推广应用和产业发展。由于锂电池具有优良的性能而具有广泛的应用价值，将成为动力以及通讯电池的首选。世界上许多大公司竞先加入到该研究产品的研究、开发行列中。如索尼、三洋、东芝、三菱、富士通、日产、TDK、佳能、永备、贝尔、富士、松下、日本电报电话、三星等。日前常用的领域为电子产品，如手机、笔记木电脑、微型摄像机等。对其他一些重要的领域，如电动交通工具、航空航天、军事等领域也正在进行渗透。消费者对电池电能要求日渐提高;人们希望在获得大容量电能的同时，能够尽量减轻重量，提高整个电源系统的使用效率和寿命。而新一代的聚合物锂离子电池在形状上可做到薄形化、任意面积化和任意形状化，大大提高了电池造型设计的灵活性。同时，聚合物锂离子电池的单位能量比日前的一般锂离子电池提高了20%，其容量、与环保性能等方面都较锂离子电池皆获得改善。因此可以预见的是，未来锂电池的充电器，亦朝向更快速的充电速率与更强健的系统保护能力为未来发展趋势。

^[2]用单片机的 PWM 输出特性对充电电池电流进行控制这样设计的优点是：用数字量对电流控制可达到很高的精确程度可以适合不同种类不同容量的电池对充电电流的不同要求。其中脉宽调制有2个参数特别重要：一是工作频率在一定范围内脉宽调制的工作频率越高所需电感越小；二是单步调整的分辨率，如果脉宽调制欲输出稳定度较高的充电电 流则需要较高的分辨率。尤其是电池饱和充电判别点附近对充电电压的ΔV 进行采样时，要求电池的充电电流要有较高的稳定性或电流等效值恒定，这时就有赖于脉宽调制输出稳定的电流值。而对于锂离子电池在其限压充电期间，其充电电流应可动态调整以维持电池电压的最大（但要小于最大充电电压）而获得较高的充电效率。 此外，设计中选择滤波电容的主要依据是系统对电源纹波的要求。滤波电容的等效串联电阻（ESR）是造成输出纹波的主要因素，而且也会影响到转换效率，因此应尽量选用低 ESR 的电容。陶瓷电容和钽电解电容具有较低的 ESR也可选用低 ESR 的铝电解电容，但应尽量避免标准铝电解电容。容量一般在10～100μF对于较重的负载设计选取大一点的电容。

锂离子充电可分为三个阶段。预充电阶段;恒流充电阶段;恒压充电阶段。预充电阶段是在电池电压低于3V时，电池不能承受大电流的充电。这时有必要以小电流对电池进行浮充;当电池电压达到3V时，电池可以承受大电流的充电了。这时应以恒定的大电流充电。以使锂离子快速均匀转移，这个电流值越大，对电池的充满及寿命越有利;当电池电压达到4.2V时，达到了电池承受电压的极限。这时,应以4.2v的电压恒压充电。这时充电电流逐渐降低。当充电电流小于30mA时，电池即充满了。这时要停止充电。否则，电池因过充而降低寿命。恒压充电阶段要求电压控制精度为1%,即电压要控制在4.158v-4.242v之间.本课题重中之重在于合理设计出三个阶段的开启时机。

^[3]电池的脉冲放电功率能力随着DOD的升高而降低，在70%DOD后降幅明显加大；脉冲充电功率能力随着DOD的升高而升高，但在50%DOD后增幅减缓，在90%DOD时脉冲充电功率有所下降，说明电池在70%DOD后充电和放电功率能力都有所下降,电池在10%~70%的广泛DOD范围内其具有优良的脉冲充放电能力。正确掌控蓄电池使用时的DOD和SOC是延长蓄电池使用寿命的有效途径。

锂电池的电量是锂电池管理最重要的参数，也是最不容易获得精确值的参数#130;要提高精度需要对电池 的各种参数进行全方位的测量。^[4]以积分法为基础提出预测方法得到的也是一个近似值主要解决了在低成本情况下锂电池 SOC的预测问题，其主要优点在于测量的实时性和电量变化的动态更新，在各种智能移动设备的使用中对能源模块的状况有全面的了解可提高系统可靠性和利用率。但是为提高锂离子电池容量动态测量的准确性，利用单片机系统处理采集到的电路开端电压和回路电流，根据最小二乘法得到电动势与内阻。通过实时测量电池的路端电压和回路电流，根据最小二乘法，计算获得锂离子电池的电动势和内阻，根据电动势分区线形转换获得容量SOC值，并根据内阻值对容量进行老化修正，从而获得较精确的SOC值。

参考文献

[1] 刘汉雨.锂离子电池充电方法及寿命预测研究[J]. 2014，第2期:37-41

[2] 孟仙雅，刘立炳，惠怀兵，冯修成，陈果.基于单片机的通用智能充电器设计[J].仪器技术与传感器.2006，第9期:41-43

[3] 刘美俊.放电深度对电池使用寿命的影响[J]. 2016，第3期

[4] 卢成，袁明辉.锂离子电池容量动态测量研究[J].2013，第2期

[5] 刘力舟.锂离子电池测试系统设计与实现. 2017

[6] 刘霞，邹彦艳，金梅，李玉春.锂电池电量的动态预测[J].长春:大庆石油学院学报 2004，第28期:81

[7] 齐腾飞.基于多因素分析的锂离子电池寿命研究. 2017

[8] Y.-K. Chen, Y.-C. Wu, C.-C. Song, and Y.-S. Chen, ``Designand implementation

of energy management system with fuzzy control for DC microgridsystems,'' IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 4, pp. 1563-1570,Apr.2013.

[9] M. Faisal, M. A. Hannan, P. J.Ker, A. Hussain, M. Mansur, and F. Blaabjerg, ``Backtracking Search AlgorithmBased Fuzzy Charging-Discharging Controller for Battery Storage System inMicrogrid Applications,'' IEEE Access, vol. 6,pp. 35143-35164, 2019.

[10] Ke Bao, Shuhui Li, SeniorMember, and Huiying Zheng, Student Member, ``Battery Charge and DischargeControl for Energy Management in EV and Utility Integration,'' IEEE Access,vol. 9,pp. 5143-5164, 2019.