基于模糊控制的锂离子电池变频脉冲快速充电

吴铁洲，杨蒙蒙，吴笑民，许玉姗

(湖北工业大学太阳能高效利用湖北省协同创新中心，湖北武汉430068)

基于模糊控制的锂离子电池变频脉冲快速充电

吴铁洲，杨蒙蒙，吴笑民，许玉姗

(湖北工业大学太阳能高效利用湖北省协同创新中心，湖北武汉430068)

为了进一步缩短充电时间、提高充电效率和延长电池循环寿命，提出了基于模糊控制去极化的变频脉冲快速充电方法。该方法利用扰动观察法实时跟踪谐振频率，找到对应于谐振频率的最大电流给电池充电，同时利用模糊控制技术检测和消除充电中产生的极化效应来加快充电速度，实现变频快速充电。与目前常用的变电流间歇式快速充电法进行的比较实验表明，该充电方法在充电时间、充电效率、最大温升等指标上分别改善了6.9%，2.4%，17.3%。

锂离子电池；模糊控制；扰动观察法；去极化

锂离子电池具有单体工作电压高、体积小、质量轻、比能量高和无记忆效应等优点得到了广泛应用[1]，其中高效、安全的快速充电方法是目前研究的重点之一。现有的典型快速充电方法如脉冲充电方法[2]，变电流间歇充电法等，较好地达到了快速充电的目的，但在协调充电效率和消除极化的关系上还有待进一步完善。快速充电意味着要加大充电电流，采用较大电流的快速充电的充电性能一直不理想[3]。用大电流对蓄电池充电很快就到达析气电压，电压很快到达析气电压的现象称为极化。电池极化会产生大量热量，使电池内阻增加，减缓充电，降低充电效率等。如果继续充电导致电解水产生气体同时蓄电池温度升高电能不能转化为化学能，而将蓄电池损坏。所以，快速充电过程中选择适当的去极化时机并判断去极化程度显得尤为重要[4]。本文采用变频脉冲充电方法以获取较大充电电流，并采用负脉冲去极化实现快速充电。采用模糊控制技术，选择适当的去极化时机并判断去极化程度，尽可能减少充电能量损失，加快充电速度，改善充电效果。

1 变频脉冲快速充电方法

1.1 变频充电原理

图1所示的是锂离子电池的交流阻抗模型[5]。模型包括阳极电感La，阴极电感Lc，阳极电容Cal，阴极电容Ccl，韦伯阻抗Zaw和Zcw。还包括一个阳极电解电阻Ral，一个阴极电解电阻Rcl和欧姆电阻R0。欧姆电阻R0用于表示电极间的几何间距阻抗。电极电解质阻抗Ral，Rcl是用来表示电极电解质表面的电荷传递阻抗。韦伯阻抗Zaw，Zcw是由于电极电容Cal，Ccl的扩散而形成的。而电解电容Cal，Ccl则表示电极电解质表面的电容。电感La和Lc则是由电极几何和边线引起的。电池阻抗Zbattery则是用来表示欧姆电阻R0和阻抗Za、Zb之和。如式(1)所示：

图1 锂离子电池的交流阻抗模型

为了减少充电过程中的能量损耗，应该找到最优的充电频率foptimal以减小电池阻抗Zbattery，而电池阻抗Zbattery是随着蓄电池的SOC而变化，因此充电频率foptimal也随着SOC而变化，通过检测充电时的电流值来判断是否是最优频率。当脉冲电压源与电池系统匹配时在电池阻抗上的损耗最小，匹配问题的关键是找到最优频率让电池某一荷电状态(SOC)下所对应的充电电流最大，以获得最大能量转换率。

1.2 扰动观察法寻找最优频率

扰动观察法[6]一般用于追踪最大功率点，其核心思想是给光伏系统一个扰动量，检测扰动前后两个时刻光伏阵列输出功率的变化情况，根据变化来决定下一步的扰动方向，让光伏阵列以最大功率输出。

本文中，假设初始频率为f1是最优频率，对应的电流为i1，然后给系统一个扰动步长频率Δω，频率从f1变化到f2，则电流也将相应变化到i2，比较i2－i1。如果i2－i1>ε，那么扰动方向应继续沿着初始方向；如果i2－i1<ε，表明此时输出频率大于电流最大值所对应的工作频率的值，此时，应反方向扰动2Δω步长，以此类推。在变频充电系统中，以最优频率充电的时间Tch可以通过设置参数ε来确定，ε的大小可根据不同精度要求而定，本文中令Δω=400 Hz。

忽略掉温度影响时，电池交流阻抗随着充电频率而变化，由于电池有一定的内阻，其内部发热与电流相关。当电池的工作电流过大时其发热将使电池的温升超过正常值，影响电池的安全性。所以在充电过程中要严格控制充电电流的大小在马斯定律最大可接受电流范围内。

根据阻抗在谐振状态下工作电流最大的特点，我们使用扰动观察法跟踪谐振频率，使得系统始终工作在谐振频率处，保证系统充电电流最大。同时监测电池当前状态进行适当调整，保证最大充电电流在电池可接受的能力范围内。

2 基于模糊控制的负脉冲去极化方法

2.1 极化特性分析

在持续大电流充电条件下，正负极离子浓度升高，极化现象加剧，同时电池温度会过高，对电池安全性产生影响。由于传统充电方式或使用短暂停充来消除极化或是在充电到截止电压以后才给予负脉冲去极化，没有实时检测充电过程中的极化效应并予以消除，会影响蓄电池的充电时间、容量和使用寿命。利用模糊控制技术，设计了两个模糊控制器，一个用于判断电池的极化程度，即给予负脉冲的时机。在整个充电时间内，始终适时地采取去极化措施。第二个模糊控制器用于判断去极化的程度。去极化是有限度的，收到一定的效果即析气电压降至一定值时，就应适时停止去极化，转到再次充电。

2.2 模糊控制器的设计

模糊控制器1设计：控制充电过程中电池的电压。锂离子电池正负极两端的电压超过析气电压时，锂离子电池进入充电临界情况，开始出现析气现象。文献[7]指出，析气电压受电解液含碱度、温度和放电深度等因素的影响。为突出主要影响因素，引入析气系数η来描述充电电流对SOC变化的影响因子，本文把析气系数定义为SOC和温度T的函数：η=f1(SOC，T)。

通过上面的分析可知，析气点电压无法直接测量，可以控制影响析气量的两个主要充电参数：SOC和温度T来影响析气电压，进而控制极化效应。根据锂离子电池充电过程中的析气特性，选择模糊系统的输入量为电池荷电状态的变化量ΔSOC和温度变化量ΔT，输出量为充电过程中的析气电压值uq。ΔT、ΔSOC的模糊语言变量选为{VS(很小)，S(小)，M(中)，B (大)，VB(非常大)}，uq的模糊语言变量选为{VL(非常低)，L (低)，M(中)，H(高)，VH(非常高)}。隶属函数曲线如图2所示。ΔSOC和ΔT的论域分别为{0，5，10，15，20，25}，{0，10，20，30，40，50}，uq的论域为{0，0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5}。模糊控制规则如表1所示。

图2 隶属函数曲线

模糊控制器2设计：控制去极化程度。模糊控制器2的两个输入分别为锂离子电池的极化电压Up和荷电状态SOC，其输出为去极化放电脉冲的宽度L。所以Up，SOC和L的模糊语言变量选为{PZ(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)，PV(非常大)}，Up和SOC的论域为{0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，L的论域为{0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7，+8，+9}，输入、输出量的隶属函数分别如图3(a)，图3(b)所示。

根据经验和大量的实验可得到模糊控制规则如表2所示。

本文结合实际经验，选取的解模糊化方法为重心法。

图3 隶属函数曲线

式中：Wi是i条规则的推理结果，Bi是i条规则的对应输出，y是输出。

3 实验及结果分析

3.1 基于模糊控制去极化的变频脉冲充电系统

充电控制系统可调节充电脉冲频率1 Hz～10 kHz，且占空比可调，从而可根据充电时的电池电压调节充放电脉冲的宽度，保持给予电池最佳充放电脉冲，使电池长时间具备大电流接受能力，加快充电速度。在充电刚开始时，充电处于不完全状态，选取最优频率对应的最大电流给电池充电，保证最短时间尽量获得最多的电量，保证充电效率最高。系统可分为三个部分：

(1)检测电路：对输出电路进行采样，实时检测充电过程中电池的电压、电流、温度信号，反馈给控制电路，由控制电路对主电路的工作进行控制或调节；

(2)控制电路：通过检测电路，放大电路对检测信号进行比较、放大，从而控制直流变换电路，调节脉冲频率。反馈信号送给内置的两个模糊控制器，模糊控制器把电压、电流或者温度经过一系列的处理，给出需要的脉冲电流大小；

(3)转换电路：使用简单的buck转换电路DC/DC，给电池提供所需的能量。

3.2 实验过程

选用5个全新的额定容量为2 600mAh的索尼US18650-GR锂离子电池分别命名为A，B，C，D，E来验证本文提出的快速充电方法和传统定频脉冲充电以及变电流间歇充电方法的区别。首先使用扰动观察法跟踪谐振频率f，找出最小交流阻抗对应的最大电流给电池充电，并结合马斯定律中电池可接受充电电流范围调整电流值的大小，找出新的最优频率foptimal。充电过程中，将实时检测到的电池电压、电流和温度信息发送至充电模糊控制模块中，模糊控制模块通过对数据模糊化、模糊推理、去模糊化三个过程得到控制输出量，进而调整充电正负脉冲的幅值和宽度。模糊控制器1根据不同时刻的ΔSOC和ΔT计算出析气电压，并与检测到的电池实际电压相比较，使得充电期间电压值严格控制在析气电压之下。这样既可以保证一定的充电电流，又使得极化不严重。当检测到电池电压大于模糊控制器1输出的析气点电压时，就要由模糊控制器2判断给出去极化电流的宽度。为证明本文提出的充电方法能改善充电性能，我们同时用带有恒定频率分别为10 Hz、100 Hz、1 kHz的脉冲电流以及传统快速充电方法中的变电流间歇式方法给电池充电，测量并记录在不同充电方式下的充电时间，充电容量，充电效率和温度变化情况。在电池充电实验中，当锂离子电池的开路电压达到4.2 V，即可以认为电池已经充满。

3.3 实验结果分析

图4所示的是其中4种充电方法在充电过程中的温度变化情况，从图4可见采用模糊控制技术来实时去极化，在有效控制极化现象的同时也降低了电池的温升。充电过程中采用最优频率对应的最大电流给锂离子电池充电，最大充电电流能够达到2.6 A，从而大大缩短了充电时间。变电流间歇式方法由于在充电过程中采取间歇停充，削弱极化效应，所以在一定的程度上也提升了充电速率，降低了电池温升。本文提出的方法与其他几种充电方式相比，温升最小。

图4 温度曲线

表3显示了几种充电方式在充电时间、最大充电电流和最大温升上的对比。

从表3可见采用本文提出的方法充电时间最短。与变电流间歇式充电相比，充电时间缩短了6.9%。与传统带有10 Hz、100 Hz、1 kHz恒定频率的脉冲充电方式相比，充电时间分别缩短了14.3%、12.9%、11.5%。在充电对电池的上升温度方面，从表3可见，采用最优频率充电的上升温度是最低的，能够有效延长电池的使用寿命。

4 结论

采用变频脉冲充电方法，利用扰动观察法实时寻找某一充电时间内的最优频率，并在该段时间内用最优频率对应的最大电流给锂离子电池充电，同时在充电过程中检测电池状态，采用模糊控制技术判断去极化时机和去极化程度，控制锂离子电池充电电压在析气点电压以下，从而改善极化效应，缩短充电时间。与变电流间歇式充电相比，充电时间，充电效率，最大温升分别改善了6.9%、2.4%、17.3%。与带有10 Hz、100 Hz、1 kHz恒定频率的脉冲充电方式相比，充电时间分别缩短了14.3%、12.9%、11.5%，充电效率分别提高了15.1%、10.8%、3.93%，最大温升分别降低了34.5%、32%、26.9%。实验结果表明，本文提出的基于模糊控制的锂离子电池变频脉冲充电方法能获得良好的充电性能。

[1]LU L G，HAN X B，LIJQ，et al.A review on the key issues for lithium-ion batterymanagement in electric vehicles[J].Journal of Power Sources，2013，226：272-288.

[2]NOVAK PM，WETZ D A，SHRESTHA B.Fast recharge of electrochemicalenergy storage devicesatpulsed elevated rates[J].Plasma Science，2012，40(10)：2416-2424.

[3]郑向歌，冯冬青，范玉超.蓄电池大电流安全快速充电方法[J].电源技术，2014，6：1120-1122，1126.

[4]李匡成，杨亚丽，刘岩，等.模糊控制充电技术中去极化脉冲的估算[J].电源技术，2014，3：492-494.

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[6]杨天明，丁喆.基于扰动观察法的光伏发电系统MPPT控制算法研究[J].电源技术，2013，1：69-70，143.

[7]周苏，胡哲，陈凤祥，等.基于析气现象的锂电池系统建模[J].电源技术，2010，34(2)：134-138.

Variable frequency pulse fastcharging technique for Li-ion batteries based on fuzzy control

WU Tie-zhou，YANGMeng-meng，WU Xiao-m in，XU Yu-shan
(HubeiCollaborative Innovation CenterforHigh-efficiency Utilization ofSolarEnergy，HubeiUniversity ofTechnology，Wuhan Hubei430068，China)

In order to further shorten the charging time，enhance charging efficiency and extend battery charge cycle life，a variable frequency pulse fast charging method was presented based on fuzzy control depolarization.The perturbation and observation method was used to track resonant frequency real-timely and find themaximum current corresponding to the resonant frequency to charge the battery.The fuzzy control technology was used to detectand elim inate polarization effects during the charge process to accelerate the charging speed and realize frequency-varied fast charging.Experiments show that compared w ith the currently used fast charging method of interm ittent alternating current，the fuzzy control frequency-varied pulse charging technique improves the charging time，charging efficiency and rising temperature of the Li-ion battery by about6.9%，2.4%，17.3%，respectively.

Li-ion battery;fuzzy control;perturbation and observationmethod;depolarization

TM 912.9

A

1002-087X(2016)07-1419-03

2015-12-01

湖北省科技厅项目(2010CDB05802)；湖北工业大学2012年博士启动基金项目(BSQD12018)

吴铁洲(1966—)，男，湖北省人，博士生，教授，主要研究方向为蓄电池管理系统。