锂离子动力电池充放电热跟踪系统设计.pdf

引用格式：引用格式：金星,苗西朋.锂离子动力电池充放电热跟踪系统设计J.中国测试，2024,50(1):122-127.JINXing,MIAOXipeng.Designofheattrackingsystemforchargeanddischargeoflithium-ionpowerbatteryJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(1):122-127.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2022080143锂离子动力电池充放电热跟踪系统设计金星，苗西朋(长春工业大学电气与电子工程学院，吉林长春130012)摘要:为实现 18650 锂离子电池在室温下以 1C 倍率充放电时产热测量的绝热环境，设计一种基于电池温度与环境温度跟随策略的锂离子动力电池充放电热跟踪系统，采用硅胶加热片对绝热温控腔体进行加热，STM32 单片机和LM2596 电源管理芯片搭建可调节电源实现驱动。利用 Matlab 对绝热箱温控系统进行模型辨识，提出一种 Smith 预估模糊 PID 算法进行控制。仿真与实验结果表明：绝热箱内电池温度与环境温度的最大跟踪误差不超过 0.5，具有响应速度快、误差小等优点，能够满足 18650 锂离子电池在室温下以 1C 倍率充放电时产热测量的需求。关键词:温度跟随;绝热环境;Smith 预估器;模糊 PID;可调节电源中图分类号:TP273文献标志码:A文章编号:16745124(2024)01012206Design of heat tracking system for charge and discharge of lithium-ion power batteryJINXing,MIAOXipeng(SchoolofElectricalandElectronicEngineering,ChangchunUniversityofTechnology,Changchun130012,China)Abstract:Toconstructtheadiabaticenvironmentrequiredformeasuringtheheatgeneratedbycharginganddischarging18650lithium-ionpowerbatteryat1Ctimesatroomtemperature,alithium-ionpowerbatterycharginganddischargingthermaltrackingsystemisdesigned,whichusesthebatterytemperatureasthetargetandmakestheambienttemperaturefollowthestrategy.ThesystemusestheSTM32microcontrollerasthecontrollerandtheLM2596powermanagementchipasthecoredeviceoftheadjustablepowersupply.Asilicagelheatingsheettoheattheadiabatictemperaturecontrolchamberisadopted.WeuseMatlabtoidentifythemodel of the thermal tracking system and apply Smiths prediction fuzzy PID algorithm for control.Thesimulationandexperimentalresultsshowthatthemaximumtrackingerrorbetweenthebatterytemperatureintheadiabaticchamberandtheambienttemperatureisnomorethan0.5,whichhastheadvantagesoffastresponseandsmallerror,andcanmeetthedemandforheatgenerationmeasurementof18650lithium-ionbatterieswhentheyarechargedanddischargedat1Cmultiplieratroomtemperature.Keywords:thermaltracking;adiabaticenvironment;Smithpredictor;fuzzyPID;adjustablepowersupply收稿日期:2022-08-27；收到修改稿日期:2022-10-19基金项目:吉林省科技发展计划项目编号(20200403145SF)作者简介:金星（1976-），男，吉林省吉林市人，教授，硕士，研究方向为电工理论与新技术。第50卷第1期中国测试Vol.50No.12024年1月CHINAMEASUREMENT&TESTJanuary,20240 引言近年来，随着新能源技术的飞速发展，18650 锂离子电池因其能量密度大、无记忆效应、自放电少等优点，在电能储存、电动汽车等方面的应用越发普遍1-3。但锂离子电池工作性能的发挥与其自身温度紧密相关，充放电时电池温度过高将会引发火灾、爆炸等严重后果，因此对锂离子电池充放电时产热测量的研究具有重要意义4-5。由于温度跟踪控制过程存在着非线性、滞后等特点，所以单采用传统 PID 算法进行控制存在参数不能自整定、输出值与目标之间的偏差大、响应速度慢等问题，因此需要寻求更加先进有效的控制方法。Zaheer-UddinM 等6为跟踪恒定和可变设定点轨迹，提出了实时神经 PID 控制的方法，基于神经网络，通过大量训练，有效地解决了参数整定的问题，但却需要对被控对象建立精确的物理模型，计算工程复杂。姜余等7为跟踪锂电池温升，提出了一种自整定 PID 温度随动控制，解决了物理模型建立困难和参数不能自整定的问题，但不能保证在大滞后系统中的稳定性。ChenF 等8为解决燃料电池温度跟踪中的非线性和大容量滞后问题，提出了一种基于 CIMC 控制的温度跟踪控制系统，但只对电池的阶跃温升进行了追踪，且响应较慢。为了解决在进行电池温度热跟踪时绝热箱内输出值与目标之间的偏差大、波动明显的问题，本文以室温下 18650 锂离子电池 1C 倍率充放电实际工况为例，利用 Matlab 对绝热箱温控模型进行辨识，提出了基于 Smith 预估模糊 PID 控制，可调节电源驱动的锂离子电池充放电热跟踪系统。该系统由绝热箱、硅胶加热片、可调节电源驱动电路、测温电路、STM32 单片机等组成。相比于传统热跟踪系统，实现了绝热箱内环境温度对 18650 锂离子电池在室温下以 1C 倍率充放电时温升的良好跟随，为研制小型化、高精度的锂离子电池充放电热跟踪仪器提供了一条有效途径。1 热跟踪系统硬件设计采用 STM32F103 单片机作处理器，DS18B20作温度传感器，基于 Smith 预估模糊 PID 算法输出控制信号，LM2596 芯片作开关电压调节器调节输出电压，改变硅胶加热片的加热功率，从而实现绝热箱内环境温度的调节。采集到的电池温度与绝热箱内的环境温度通过单片机串口发送到上位机进行储存。系统结构如图 1 所示。STM32F103 单片机电压采样硅胶加热片LM2596 开关电压调节器DS18B20上位机图 1 系统结构1.1 绝热箱设计绝热箱采用双层隔热：用亚克力板搭建 15cm15cm15cm 腔体，外层使用 20mm 厚的泡沫棉进行保温，内层使用 5mm 厚的泡沫棉进行保温。将硅胶加热片置于绝热箱内前后两侧，并在绝热箱内部中间位置放置风扇，使绝热箱内环境温度分布均匀。绝热箱中布置两个 DS18B20 温度传感器，一个放置在 18650 锂离子电池中部位置，用来测量电池表面温度，另一个放置在绝热箱腔体中部位置，用来测量绝热箱内环境温度。1.2 驱动电路设计为了实现硅胶加热片不同加热功率调节的快速性与稳定性，本文设计了以开关电源为核心的可调节电源驱动电路调节其两端电压，其中包括LM2596 开关电压调节器、STM32 单片机 DAC 输出电路、电压采样电路等。驱动电路如图 2 所示。STM32F103 单片机通过两路 DS18B20 分别采集电池温度与绝热箱内的环境温度，然后经过Smith 预估模糊 PID 控制算法计算后，输出相应的DAC 信号，输出的 DAC 信号经电阻 R1接入到LM2596 反馈端 4。STM32F103 单片机通过输出不同的 DAC 信号，引起 LM2596 引脚 4 反相输入端电压变化，从而使 LM2596 输出端电压变化，实现硅胶加热片不同发热量的控制。2 控制器设计与仿真2.1 绝热箱温控系统模型辨识一般可以认为绝热箱内的环境温度变化过程是一个带有延迟的一阶惯性环节，传递函数模型可以表示为：G(s)=KTs+1es(1)K式中：静态增益；T时间常数；滞后时间常数。第50卷第1期金星，等：锂离子动力电池充放电热跟踪系统设计123对绝热箱内的温度传递函数采用阶跃响应实验辨识法，首先对硅胶加热片加以 5V 电压，在绝热箱内的环境温度达到某一稳定值后，再对控制对象输入阶跃信号，即对硅胶加热片加以 10V 电压，使绝热箱内的环境温度重新稳定在一新的数值，得到绝热箱内环境温度的上升曲线，提取数据并保存，导入 Matlab 系统辨识工具箱中进行模型辨识，得到辨识结果如图 3 所示。05001 0001 5002 0002 50030354045505560实测数据辨识结果温度/时间/s图 3 辨识与实测数据对比曲线辨识结果与绝热箱内的实际环境温度阶跃响应曲线拟合度为 97.09%，能够很好地反映绝热箱内环境温度的温升情况，模型辨识得到的传递函数为：G(s)=5.38765.55s+1e15.4s(2)2.2 Smith 预估模糊 PID 控制器设计为了满足大滞后控制系统的控制效果，常将Smith 预估器用于带有滞后环节的控制系统中，以此消除滞后环节对整个反馈控制系统的延迟影响，加快系统调节进程，提高系统稳定性9。Smith 预估器控制模型如图 4 所示。G(s)=G0(s)esG0(s)Gr(s)被控对象的传递函数为，其中为被控对象不包含滞后项的传递函数，因此为使被控对象的传递函数不再包含滞后项，引入一个与被控对象并联的补偿器，则等效对象的传递函数为：Y(s)U(s)=G0(s)es+Gr(s)=G0(s)(3)因此，则要求Gr(s)=G0(s)(1es)(4)补偿后的系统传递函数为(s)=Gc(s)G0(s)1+Gc(s)G0(s)es(5)es经 Smith 预估器补偿后，已在闭环之外，不再影响绝热箱内温度跟随控制系统的稳定性。引入 Smith 预估器的作用是消除滞后时间对系统稳定性的影响，而使用模糊控制的目的则是为了不断修正传统 PID 算法的控制参数，解决绝热箱内输出值与目标之间偏差大的问题10-13。Smith 预估模糊 PID 控制器设计如图 5 所示。其中 PID 控制器可表示为：u(t)=Kpe(t)+1Tiwe(t)dt+Tdde(t)dt(6)GNDVINVOUTFB/ADJON/OFF31245C4GNDC5R3VOUTVOUT+R2R1L1ADCLEDR4R6R5D120 VDACC3LM2596C1VIN+VINC2图 2 驱动电路Gc(s)Gr(s)Y(s)Y(s)G0(s)esG0(s)esU(s)图 4 Smith 预估控制原理124中国测试2024年1月u(t)式中：控制器输出；e(t)系统偏差；Kp比例系数；Ti积分时间；Td微分时间。模糊控制系统将精确量输入到模糊控制器转化为模糊量，再依据模糊规则进行模糊推理，获得输出，该输出仍为模糊量，需要进行清晰化处理，得到精确量，这就是模糊控制。EEcKpKiKdEEcKPKiKd该模糊控制器是以绝热箱内的环境温度与18650 锂离子电池温度的偏差 和偏差变化率作为输入，经模糊推理后输出、至 PID控制器修正其控制参数，由此可知，该模糊控制器属于二维输入、三维输出的模糊控制系统。根据实践测试与经验总结确定出、的基本论域、模糊论域、比例因子、模糊子集如表1 所示。表 1 变量模糊化表变量EEcKpKiKd基本论域0.6,0.60.3,0.30.6,0.60.06,0.060.6,0.6模糊论域0.6,0.60.3,0.30.6,0.60.6,0.60.6,0.6比例因子1110.11模糊子集NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB为了兼顾模糊计算的灵敏度与稳定性，各变量的隶属度函数采用三角函数，隶属函数如图 6 所示。0.60.40.20.20.40.600.51.00PBPMPSZENSNM隶属度模糊论域NB图 6 三角隶属度函数模糊规则作为模糊控制器的核心，直接影响着控制器输出的大小，继而决定着控制效果。以增加系统调节稳定性，减小调节时间和输出值与目标之间的偏差为目标，同时结合实际工作经验，生成控制器的模糊规则如表 2 所示。根据模糊规则推理得到的输出是一个反映输出变量不同取值大小的模糊语言集合，不能直接用于PID 参数的修正，这就要求必须通过输出的模糊语言集合计算得出一个精确值，即解模糊，考虑到输出的平滑性，本实验采用的是重心法解模糊。KpKiKd依据建立的模糊规则表，采用重心法解模糊后，即可求出相应的修正量、，最后得到偏差 e偏差变化率de/dt模糊控制器PID 控制器KpKiKd被控对象Smith 预估器图 5 Smith 预估模糊 PID 控制原理KpKiKd表 2 、模糊规则查询表EEcNBNMNSZEPSPMPBNBPB/NB/PSPB/NB/NSPB/NM/NMPM/NM/NBPM/NS/NMPS/ZE/NMZE/ZE/PSNMPB/NB/PSPB/NM/NSPB/NM/NSPM/NS/NMPM/NS/NSPS/ZE/NMZE/ZE/ZENSPB/NM/ZEPM/NM/NSPM/NS/ZEZE/ZE/NSPS/ZE/NSZE/PS/NSPS/PS/ZEZEPM/NM/ZEPS/NS/ZEPS/ZE/ZENS/ZE/ZEZE/PS/ZENS/PS/ZENS/PM/ZEPSPS/NS/ZEZE/ZE/PSZE/ZE/PSNS/PS/PSNS/PS/ZENM/PM/PSNM/PM/PMPMZE/ZE/ZEZE/ZE/PSNS/PS/PSNM/PM/PMNM/PM/PSNM/PM/PSNB/PB/PBPBZE/ZE/ZENS/ZE/PSNM/PM/PMNM/PM/PBNB/PB/PSNB/PB/PMNB/PB/PB第50卷第1期金星，等：锂离子动力电池充放电热跟踪系统设计125Kp1Ki1Kd1更新后的 PID 控制参数用、表示，其公式为：Kp1=Kp+KpKi1=Ki+KiKd1=Kd+Kd(7)KpKiKd在此控制系统中，Smith 预估模糊 PID 控制器解决了系统滞后带来的控制稳定性差的问题，修正了、参数，提高了绝热箱内环境温度跟随电池温升的热跟踪控制效果。2.3 传统 PID 及 Smith-模糊 PID 仿真以 18650 锂离子电池在室温下以 1C 倍率从2.4V 充电至 4.0V 的温升曲线作为输入信号，在Matlab 的 Simulink 工 具 箱 中 进 行 传 统 PID 与Smith 预估模糊 PID 控制的绝热箱内环境温度跟随电池温升仿真实验，得到仿真结果如图 7、图 8 所示。05001 0001 5002 0002 5003 0001520253035输入信号PID 仿真温度/时间/s图 7 PID 仿真曲线05001 0001 5002 0002 5003 0001520253035 输入信号 Smith-模糊 PID 仿真温度/时间/s图 8 Smith 预估模糊 PID 仿真曲线由图中可以看出，传统 PID 算法控制的绝热箱内环境温度在跟随电池温升时输出值与目标之间的偏差较大，波动明显，稳定性差；而 Smith 预估模糊PID 算法控制的绝热箱内环境温度在跟踪电池温升时响应速度快，输出值与目标之间的偏差较小，波动得到改善，稳定性更好。3 温度跟随实验及结果分析采用 18650 锂离子电池作为实验对象，使用电池容量测试仪对其进行充放电操作，充放电倍率设置为 1C。在实验中分别采用传统 PID 算法与Smith 预估模糊 PID 算法进行控制，记录 18650 锂离子电池温升曲线与绝热箱内环境温度跟随曲线。具体试验方法如下：在室温环境下，将 18650 锂离子电池以 1C 倍率恒流充电至 4.0V，静置 12h，使锂离子电池恢复室温；接下来将 18650 锂离子电池放置于绝热箱中，以 1C 倍率恒流放电至 2.4V，期间采用传统 PID 算法控制绝热箱内环境温度跟随电池温度，得到锂离子电池在 1C 放电倍率下温升与绝热箱内环境温度跟随曲线如图 9 所示；再次静置 12h，使锂离子电池恢复室温，再以 1C 倍率恒流充电至 4.0V，期间同样采用传统 PID 算法控制绝热箱内环境温度跟随电池温度，得到锂离子电池在1C 充电倍率下温升与绝热箱内环境温度跟随曲线如图 10 所示；随后在 Smith 预估模糊 PID 算法的控制下重复上述操作，得到锂离子电池温升与绝热箱内环境温度跟随曲线如图 11、图 12 所示。05001 0001 5002 0002 50020253035404550电池温度曲线环境温度曲线温度/时间/s图 9 1 C 放电 PID 控制曲线05001 0001 5002 0002 50020253035404550电池温度曲线环境温度曲线温度/时间/s图 10 1 C 充电 PID 控制曲线从图 9图 12 的绝热箱内环境温度跟踪电池温升曲线可知，在传统 PID 算法的控制下，电池无论126中国测试2024年1月是在充电还是放电状态，绝热箱内的环境温度在跟踪电池温升时效果都比较差，绝热箱内环境温度低于电池温度最大为1.5，高于电池温度最大为1.4，输出值与目标之间的偏差较大，并且随着时间的推移，波动越发明显。基于 Smith 预估模糊 PID 算法控制的绝热箱内环境温度在跟踪电池温升时效果更好，绝热箱内环境温度低于电池温度最大为 0.5，高于电池温度最大为 0.2，输出值与目标之间的偏差较小，波动得到改善，且没有随着时间的推移越发明显，具有良好的温度跟踪控制效果。4 结束语本文设计的基于 Smith 预估模糊 PID 算法控制，可调节电源驱动的锂离子电池充放电热跟踪系统，能够使绝热箱内的环境温度很好地跟踪电池温度，在绝热箱内环境温度的调节时间、响应速度以及输出值与目标之间的偏差等方面都有着良好的控制效果，能够为 18650 锂离子电池在室温下以 1C 倍率充放电时的产热测量提供良好的绝热环境。参考文献 李欣,董缇,杨冬梅,等.锂离子电池过充故障和胀气过程的热行为J.电池,2022,52(5):530-533.LIX,DONGT,YANGDM,etal.ThermalbehaviorofLi-1ionbatteryduringoverchargefaultandswellingprocessJ.BatteryBimonthly,2022,52(5):530-533.LEEMJ,HANJ,LEEK,etal.Elastomericelectrolytesforhigh-energy solid-state lithium batteriesJ.Nature,2022,601(7892):217-222.2JINHYUK L,DANIIL A K,DEOK-HWANG K,et al.Reversible Mn2+/Mn4+double redox in lithium-excesscathodematerialsJ.Nature,2018,556(7700):185-190.3FENG X,HE X,OUYANG M,et al.Thermal runawaypropagationmodelfordesigningasaferbatterypackwith25Ah 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