基于PI控制的分段恒流锂电池充电器设计.pdf

Modeling and Simulation 建模与仿真建模与仿真,2023,12(5),4824-4832 Published Online September 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/mos https:/doi.org/10.12677/mos.2023.125438 文章引用文章引用:徐苏东,袁哲,阚加荣,卞佳龙,周斌,李炎.基于 PI 控制的分段恒流锂电池充电器设计J.建模与仿真,2023,12(5):4824-4832.DOI:10.12677/mos.2023.125438 基于基于PI控制的控制的分段恒流分段恒流锂电池充电器设计锂电池充电器设计 徐苏东徐苏东1，袁，袁 哲哲2，阚加荣阚加荣1，卞佳龙，卞佳龙1，周，周 斌斌1，李，李 炎炎1 1盐城工学院电气工程学院，江苏 盐城 2和远智能科技股份有限公司，山东 济南 收稿日期：2023年7月17日；录用日期：2023年9月18日；发布日期：2023年9月25日 摘摘 要要 为满足锂电池为满足锂电池高效高效率的充电需求，设计了基于率的充电需求，设计了基于PI控制的控制的分段恒流分段恒流锂电池充电器。采用同步锂电池充电器。采用同步Buck电路作为电路作为主电路，主电路，4节锂离子电池串联成锂电池组作为充电目标，节锂离子电池串联成锂电池组作为充电目标，采用采用PI算法对锂电池充电器的输出电流、电压算法对锂电池充电器的输出电流、电压进行双闭环控制，通过可变充电电流实现锂电池组的快速充电。进行双闭环控制，通过可变充电电流实现锂电池组的快速充电。通过通过MATLAB/Simulink软件建立软件建立分段分段恒流恒流锂电池充电系统的仿真模型，锂电池充电系统的仿真模型，仿真仿真结果表明，所设计的结果表明，所设计的分段恒流分段恒流锂电池充电器相比传统的恒流锂电池充电器相比传统的恒流恒恒压压充电充电模式充电速率提高了模式充电速率提高了2.86%，充电电量提升了，充电电量提升了4.26%，验证了该，验证了该分段恒流分段恒流锂电池充电锂电池充电器器的可行性的可行性和高效性和高效性。关键词关键词 锂电池充电器，分段恒流，锂电池充电器，分段恒流，同步同步Buck，PI算法算法，双闭环控制双闭环控制 Design of Segmented Constant Current Lithium Battery Charger Based on PI Control Sudong Xu1,Zhe Yuan2,Jiarong Kan1,Jialong Bian1,Bin Zhou1,Yan Li1 1School of Electrical Engineering,Yancheng Institute of Technology,Yancheng Jiangsu 2Heyuan Intelligence Technology Co.,Ltd.,Jinan Shandong Received:Jul.17th,2023;accepted:Sep.18th,2023;published:Sep.25th,2023 Abstract In order to meet the demand of high-efficiency charging of lithium battery,a segmented constant current lithium battery charger based on PI control was designed.The synchronous Buck circuit is used as the main circuit,and four lithium-ion batteries are connected in series into a lithium battery pack as the charging target.PI algorithm is used to control the output current and voltage of the li-thium battery charger in a double closed-loop way,and the lithium battery pack can be quickly 徐苏东 等 DOI:10.12677/mos.2023.125438 4825 建模与仿真 charged by variable charging current.The simulation model of the segment-constant-current li-thium battery charging system was established by MATLAB/Simulink software.The simulation re-sults showed that the designed segment-constant-current lithium battery charger increased the charging rate by 2.86%and the charging capacity by 4.26%compared with the traditional con-stant-current and constant-voltage charging mode.The feasibility and high efficiency of the seg-mented constant current lithium battery charger are verified.Keywords Lithium Battery Charger,Segmented Constant Current,Synchronize Buck,PI Algorithm,Double Closed Loop Control Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 随着现代电子设备的不断普及和发展，锂离子电池作为一种高效、高能量、长寿命的电池被广泛应用于移动通讯、数码产品、电动车辆、储能系统等领域1 2 3。锂电池充电器作为锂电池应用过程中不可或缺的关键部件，其性能直接影响着电池的使用寿命、安全性和充电速率4 5 6，因此，针对锂电池充电器的研究已经成为当前锂电池领域的一个重要研究方向。然而，锂电池的使用寿命容易受到充电方式的影响，为了提高锂电池的使用寿命，人们提出了包括恒涓流、恒流和恒流恒压充电方式7 8。由于恒涓流和恒流充电方法需要较长的充电时间，其应用受到限制9 10；恒流恒压充电方式可减少充电时间，但由于锂电池的可接受充电的能力会随着充电的进行逐渐降低，在充电后期过大的充电电流会使电池内部产生气泡，对电池造成损坏，影响其充电效率11 12。因此采用分段恒流恒压充电方式，先采用较大的充电电流对锂电池组充电，在接近充电截止电压时，减小充电电流继续充电直至达到充电截止电压，进入恒压模式。该充电方式相比于传统的恒流恒压充电方式既提高了锂电池的使用寿命，又加快了充电速率。2.充电电路拓扑及其工作原理充电电路拓扑及其工作原理 2.1.充电电路拓扑充电电路拓扑 采用同步 Buck 降压电路进行能量传送，与传统 Buck 电路区别在于用 MOS 管取代了续流二极管，由于 MOS 管的导通电阻很小，通常在毫欧级，减少了二极管带来的导通损耗，提高了降压电路的转换效率。同步 Buck 电路拓扑如图 1 所示，其中 S1、S2为功率开关管，需要一相同的频率信号以互补的方式进行驱动，电感 L 和电容 C 构成输出滤波电路。Figure 1.Synchronous Buck charging circuit 图图 1.同步 Buck 充电电路 Open AccessOpen Access徐苏东 等 DOI:10.12677/mos.2023.125438 4826 建模与仿真 2.2.工作原理分析工作原理分析 Buck 变换器采用 PWM 控制方式进行工作，采用电感电流连续导通模式(CCM)，主要波形图如图 2所示：图中，定义开关管 S 的开通时间为ont，关断时间为offt，开关周期为onoffTtt=+，则占空比 D 等于 ontDT=(1)根据图 1 中所标注的电压和电流量的关系，可有基尔霍夫电压定律得 iS1oS2oCoLLLUUUUUUUIII=+=+=+(2)Figure 2.Working waveform of Buck converter in CCM condition 图图 2.Buck 变换器在 CCM 状态的工作波形 模态 1：t0t1阶段，即开关管 S1导通、S2关断时间内，S10U=，根据公式(2)可得ioLUUU=。在该段时间内，电感电流的增加量表达式为()()ioio()onLUUtUUIDTLL+=(3)模态 2：t1t2阶段，即开关管 S2导通、S1关断时间内，S20U=，oLUU=。根据公式(2)在该段时间内，电感电流线性下降，得到电感电流的下降量表达式为()()ooffo()1LUtUDITLL=(4)根据()()LLII+=，整理得 oiUDU=(5)徐苏东 等 DOI:10.12677/mos.2023.125438 4827 建模与仿真 公式(2)中，LI和CI分别为电感电流和电容电流在一个开关周期内的平均值。根据电容在一个开关周期内其电流平均值为 0，即C0I=，因此oLII=。由于电容电流是一个交变量，造成了输出电压oU有一个波动值oU(即输出电压纹波)，图 2 中，电容电流 IC波形中的三角形 A1的面积为电容在该段时间内电荷的增加量为 1122288LLLiT iiTQf=(6)式中，f 为变换器的工作频率。则输出电压的波动值为()o21o881LfCD UCfiCQLU=(7)从式(7)可以看出，在电感电流波动值Li、开关频率 f 一定的条件下，输出电压波动值oU与电容 C的大小成反比。电感电流LI是一个呈周期性脉动的锯齿波，电感电流的平均值与输出的负载电流()ooLIII=相等，其电感电流的纹波值为 oLIKI=(8)式中：K 是纹波系数，K 值越小则电感电流的波动值越小，一般取值范围为 0.20.4。将式(3)代入(8)中，得电感 L 的值为()()ioonioooUUtUULDTKIKI=(9)3.系统控制策略系统控制策略 3.1.系统充电控制流程图设计系统充电控制流程图设计 分段恒流锂电池充电系统控制程序的主要功能是通过分析充电过程中锂电池组的各项参数并与已设定的参数进行比较，然后给出相应的充电模式，其充电控制序流程图如图 3 所示。Figure 3.Charge control flow chart 图图 3.充电控制流程图 徐苏东 等 DOI:10.12677/mos.2023.125438 4828 建模与仿真 3.2.充电控制策略充电控制策略 锂电池充电闭环控制采用电压电流双闭环控制结构如图 4 所示，由电流内环和电压外环组成，电压外环通过电压参考值 Uref对输出电压 Uo进行调节，并给电流内环给定一个参考值 Iref，电流内环对电感电流 IL进行控制，并将电流控制器产生的值 Ur和三角波 Uc进行比较，产生可以控制开关管 S1、S2导通与关断所需的占空比 D，其中控制器由 PI 调节器和限幅器组成。Figure 4.Voltage and current double closed loop control structure diagram 图图 4.电压电流双闭环控制结构图 控制策略中以电压控制器为例进行PI算法的分析，其控制框图如图5所示，通过控制调节系统中参数，让系统的静态响应和动态特性可以接近于系统理论需求状态，降低系统稳态误差，提高快速性和稳定性。Figure 5.PI control block diagram 图图 5.PI 控制框图 系统输出信号()u t与输入信号之间()e t的函数关系，即 PI 控制算法数学关系式为：()()()pp01dtKu tK e te ttT=+(10)其中 Kp为比例系数，T1为积分系数，通过比例环节减小误差，然后经过积分环节提高系统精度，减少调节响应时间。将积分环节离散化得：()()00dtkne ttTe n=(11)将公式(11)代入式(10)中，得到 PI 控制器离散化后数学公式为：()()()pp01knK Tu kK e ke nT=+(12)4.实验验证实验验证 4.1.仿真参数设置仿真参数设置 通过 MATLAB/Simulink 软件搭建了锂电池充电系统仿真模型，通过对恒流恒压和分段恒流恒压徐苏东 等 DOI:10.12677/mos.2023.125438 4829 建模与仿真 两种充电模式进行仿真，为加快仿真时间，将提高锂电池模块的初始 SOC 值和初始电压值，在仿真过程中，以锂电池模块代表 4 节串联锂电池组，其系统仿真参数设置见表 1。Table 1.System simulation parameters 表表 1.系统仿真参数 系统参数 数值 输入电压 Ui 25 V 锂电池模块初始电压 14.2 V 锂电池模块初始 SOC 70%锂电池模块电池容量 2 Ah 传统恒流充电电流值 2 A 分段恒流切换电流值 2.5 A/1.5 A 分段恒流切换电压值 16.4 V 充电恒压值 16.6 V 主电路电感 L 680 H 输出侧电容 C 470 F 开关管 S1、S2开关频率 20 kHz 电压控制器 PI 值 P=60,I=0.2 电流控制器 PI 值 P=0.3,I=45 4.2.仿真结果分析仿真结果分析 图 6 和图 7 分别为恒流恒压和分段恒流恒压两种充电模式的电感电流、输出电压波形图，图 8为分段恒流充电模式的电感电流、电压仿真结果，图 9 和图 10 分别为恒流恒压和分段恒流恒压两种充电模式 SOC 曲线图。Figure 6.Constant current-constant voltage waveform diagram 图图 6.恒流恒压波形图 徐苏东 等 DOI:10.12677/mos.2023.125438 4830 建模与仿真 图 6 为恒流恒压波形，该充电模式在 108 s 时锂电池组端电压达到了充电恒压值，由于充电电流逐渐减少，则 SOC 上升速率明显下降；从图 9 中可以看出整个充电过程中锂电池组 SOC 增加了 23.5%。图 7 中分段恒流恒压模式先以 2.5 A 较大电流进行恒流充电，在 38 s 时达到设定的 16.4 V 阈值电压后以 1.5 A 进行再次充电，由于充电电流减小，锂电池电压出现急剧下降，所带来的好处是锂电池的浓差极化和欧姆极化会有所消除，使下一轮的充电更加顺利地进行，充电速度更快，使其在 105 s 时达到充电恒压值。Figure 7.Segmented constant current-constant voltage wave-form diagram 图图 7.分段恒流恒压波形图 (a)2.5 A 恒流充电时电感电流 IL和电感电压 UL波形图 (b)1.5 A 恒流充电时电感电流 IL和电感电压 UL波形图 Figure 8.The simulation results of inductance current and voltage in segmented constant current charging state 图图 8.分段恒流充电状态的电感电流、电压仿真结果 徐苏东 等 DOI:10.12677/mos.2023.125438 4831 建模与仿真 Figure 9.Constant current-constant voltage SOC curve 图图 9.恒流恒压法 SOC 曲线图 Figure 10.SOC curve of segmented constant current and con-stant pressure method 图图 10.分段恒流恒压法 SOC 曲线图 图 8 为分段恒流充电模式下 2.5 A 和 1.5 A 电感电流、电压值，可以看出其电感电流纹波值为 0.4 A，将表 1 中的参数带入到式(9)中得出电流纹波系数 K 的值为 0.206，将 K 值代入式(8)中得出电感电流纹波值为 0.41 A，与仿真结果几乎一致。从图10中SOC曲线看出，在38 s之前分段恒流恒压模式SOC上升速率明显快于恒流恒压模式，SOC 在该模式下增加了 24.5%。表 2 为两种充电模式仿真结果对比，可以看出分段恒流恒压模式相比传统的恒流恒压充电模式充电速率提高了 2.86%，充电电量提升了 4.26%，验证了该分段恒流锂电池充电系统的可行性与高效性。Table 2.Comparison of simulation results 表表 2.仿真结果对比 充电方法 16.5 V 时刻充电时间/s SOC 增加量/%恒流恒压 108 23.5 分段恒流恒压 105 24.5 5.结论结论 根据同步 Buck 充电电路拓扑，基于数学模型分析了该电路在电感电流连续运行模式下的工作原理，结合 PI 算法在 MATLAB/Simulink 软件中搭建了分段恒流锂电池充电系统仿真模型，验证了该系统的可徐苏东 等 DOI:10.12677/mos.2023.125438 4832 建模与仿真 行性，通过仿真数据比对，该分段恒流锂电池充电器相对于传统的恒流恒压充电器充电速率提高了2.86%，充电电量提升了 4.26%，既提高了锂电池的使用寿命，又加快了充电速率，具有较大的市场应用前景。参考文献参考文献 1 Wang,C.,Zhang,X.,Sun,D.and Gu,W.(2020)A Constant Current Digital Control Method for Primary-Side Regu-lation Active-Clamp Flyback Converter.2020 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),Detroit,MI,11-15 October 2020,2934-2938.https:/doi.org/10.1109/ECCE44975.2020.9235987 2 Xu,S.,Qian,Q.,Tao,T.,Lu,S.and 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