基于Reflex TM充电策略的锂离子电池充电器设计
汤天浩 郑晓龙 范辉
摘要：为实现动力锂离子电池的高效快速充电，采用非耗散型的Reflex TM充电方法，消除充电过程中的极化现象，在分析改变充电电流参数对充电过程的优化作用基础上，提出一种变流变频充电控制策略.设计双向DCDC变换器及其控制电路，实现可变流变频的Reflex TM充电策略.通过改变正负脉冲幅值和占空比等实验，验证其可行性和有效性.
关键词：锂离子电池； 充电策略； 双向DCDC变换器； 变流变频控制
中图分类号： TM910.6
文献标志码： A
Abstract：To achieve the highefficient and fast charge of a power lithiumion battery， a nondissipative charging method called as Reflex TM is adopted to remove the polarization phenomenon in the charging process. Based on the analysis of the optimization function of different charging current parameters on the charging process， the variablecurrent and variablefrequency control strategy is presented， and then a bidirectional DCDC converter and its control circuit are designed to implement the strategy. The feasibility and availability of the strategy is proved through the experiment where the positive and negative pulse amplitudes and the dutycycle are changed.
Key words：lithiumion battery； charging strategy； bidirectional DCDC converter； variablecurrent and variablefrequency control
0引言
锂离子电池与传统的镍镉、镍氢电池相比，具有单体电压高、能量密度大、自放电率低、几乎没有“记忆效应”等突出优点，且不含铅、镉等有毒物质，逐渐应用于载运工具的动力电池，如：航天与航空飞行器、舰船储能及推进[1]、电动汽车[2]等.
锂电池在充电过程中会产生极化现象，导致充电电压升高，充电效率降低.为此，研究者对充电波形的变化进行研究.目前主要有两种去极化的方式，一种是采用负脉冲强制去极化，另一种是采用间歇充电的自然去极化方式，两种方式都能有效地改善极化现象.CHEN[3]研究脉冲电流在充电过程中对电池电化学性能的影响，得出脉冲充电不仅可以有效缩短充电时间并且可以延长电池的寿命的结论.KIM等[4]研究充电过程受间歇和放电去极化的影响，并且还对充电过程中电解质本体、正负极板和隔膜的电阻变化等通过数学建模进行模拟，发现弱化极化现象、减小电池内阻、减缓充电电压升高、短时间内提高电池充电接受能力都可以通过间歇和放电脉冲的方式达到.另外，国内外很多的研究者也认为，利用脉冲电流和去极化脉冲能够显著地改善电池的充电效果.[5～8]
本文将Reflex TM方法引入锂离子电池充电器控制，设计双向DCDC变换器，详细分析充放电波形与周期对系统快速充电的影响，提出一种基于变流变频控制的Reflex TM锂离子电池快速充电方法，以提高充电效率，减少损耗，优化充电过程.
1基本Reflex TM充电策略
Reflex TM充电策略是一种采用正负脉冲交替的充电方法，在正的充电脉冲之后加上一段负的放电脉冲来消除电池极化，其波形见图1.其机理是利用负脉冲所提供的电池的“打嗝”作用，消除反应过程中电极表面产生的气泡，使电池充电过程的温升和内部阻抗的增加量减少，使电能尽可能充分地转化为蓄电池内部的化学能，有利于消除由于扩散速度较慢引起的浓度极化，提高电池内部活性材料的利用率，从而达到增加电池充放电次数的目的.有许多类型的功率变换器能够实现这种脉冲充电策略[910]，且在铅酸电池、镍氢电池的充电器中已经得到应用.
在RP，开关管S1和S2彻底关断以阻断直流母线与电池组的连接，主要用来使电解质离子扩散得更均匀以中和电解液的浓度，从而提高电池的充电效率，延长电池的使用寿命.
2Reflex TM充电策略的改进及控制方法
在采用典型的Reflex TM充电策略进行充电的过程中，脉冲幅值和间隔保持不变.采用脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制方法，通过调节占空比D控制双向DCDC变换电路输出的脉冲波形，可以使其输出脉冲的幅值和间隔变化，优化充电过程，进一步提高充电速度和效率.
2.1控制电路设计
采用改进的变流变频快速充电方案的脉冲充电电流控制电路（见图2）主要由1个差分放大器和2个由主控芯片的两个输出引脚所控制的模拟开关组成.主控芯片采集电池组的电压信号，再进行内部运算，然后进行D/A变换，就可以改变脉冲幅值和占空比.
在图3所示的D/A电路中，DSP的PWM引脚输出的是幅值和占空比可变的PWM波，经过R3和C2组成的RC滤波器以及右边由TL084D和其他元器件组成的二阶巴特沃斯低通滤波器后，就可以得到不含交流分量只含直流分量的模拟量输出.
本文采用DSP2812的ADC模块采集电池组的电压，经过脉冲充电电流控制电路，最后出来的是电流内环的给定电流.通过D/A电路可以调整给定电流的参数，它与电流传感器采集的电感电流比较，再通过电流控制器产生控制信号，经过与三角载波比较，产生控制上下开关管的驱动信号，在不同时刻驱动不同的开关管从而实现换流.系统的整体结构框图见图4.
2.2变流变频Reflex TM电路控制参数的设计
2.2.1正脉冲充电模式下控制参数的设计
利用锂离子电池简化等效模型，可以得到锂离子电池充电模式下的控制框图，此时开关管S1工作于PWM模式，开关管S2工作于二极管模式，双向DCDC变换器可以等效为一个Buck电路.为实现对锂离子电池充电电流的控制，充电时采用电感电流内环和锂离子电池电压外环的双闭环控制，其控制系统结构见图5.图中双环都采用PI控制器，Gi（s）为电流环控制器，Gv（s）为电压环控制器，K1为电感电流的采样系数，K2为锂离子电池电压的采样系数，1/Vm为脉宽调制器的等效传递函数.
2.2.2负脉冲放电模式下控制参数的设计
锂离子电池组工作在放电模式下时，开关管S2工作于PWM模式，开关管S1工作于二极管模式，双向DCDC变换器可以等效为一个Boost电路，此时锂离子电池组向直流母线端电容放电.为保持直流母线端电压的稳定，采用电流内环、电压外环的双闭环控制策略，控制框图见图6.电压外环的功能是根据直流母线端电容电压偏差，计算出电流的给定值Iref1，用于维持电容端电压的稳定，电流内环的作用是限制锂离子电池组放电电流的大小，并提高系统的动态响应.
上述控制系统的建模与控制参数设计详见文献[11].
3实验验证
本实验采用的锂离子电池组选择的是上海捷士电池公司生产的JS48V50Ah系列产品，利用Reflex TM充电策略以固定的正脉冲充电电流10 A及不同的负脉冲放电电流5 A和19 A对电池进行充电，充电电流频率为50 Hz，充电时间为50 min.图7为负脉冲放电电流分别为5 A和19 A时示波器输出的电压、电流波形.在充电过程中，每隔1 min测量一次电池组的电压值和温度值，可得到电池组充电电压变化曲线和温度变化曲线，见图8和9.通过比较可以发现，负脉冲放电电流越大，相同的充电时间内电压增加较小，且电池温度的上升也较小.
4结论
针对锂离子电池正负脉冲充电的问题，研究一种改进的非耗散型的Reflex TM充电策略，设计双向DCDC变换器电路与控制系统，分析Buck和Boost两种控制模式PWM控制方式，并设计双闭环控制参数，在MATLAB/Simulink环境中进行系统仿真和对比实验.仿真分析和实验结果表明，所设计的变换器及其控制策略能够实现锂离子电池快速充电，减缓电池温度上升和电压上升.
研究证明，通过实时改变正负脉冲的占空比和幅值，能够优化充电过程，缩短充电时间，提高效率，减少对电池寿命的影响.
参考文献：
[1]汤天浩. 新能源与电力电子在船舶电力推进中的发展和应用[J]. 上海海运学院学报， 2004， 25（1）： 1924.
[2]符晓玲， 商云龙， 崔纳新. 电动汽车电池管理系统研究现状及发展趋势[J].电力电子技术， 2011， 45（12）： 2730.
[3]CHEN L R. A design of optimal pulse charge system by variable frequency technique[J]. IEEE Trans Ind Electron， 2007， 54（1）： 398405.
[4]KIM S C， HONG W H. Pulsedcurrent charging of lead/acid cell： effect of rest period and depolarization pulse[J]. J Power Sources， 2000， 89： 93101.
[5]LIU X T， HE Y， CHEN Z H. StateofCharge estimation for power Liion battery pack using VminEKF[C]//IEEE Conf Software Eng and Data Mining， Chengdu， 2010： 2731.
[6]LI J， MURPHY E， WINNICK J， et al. The effects of pulse charging on cycling characteristics of commercial lithiumion batteries[J]. J Power Sources， 2001， 10（2）： 302309.
[7]CHENG P H， CHEN C L. High efficiency and nondissippative fast charging strategy[C]//IEEE Proc Electron Power Appl， 2003， 150（5）： 539545.
[8]DIAZ J， RAMOS J A M， PERNIA A M. Intelligent and universal fast charger for NiCd and NiMH batteries in portable applications[J]. IEEE Trans Ind Electron， 2004， 51（4）： 857863.
[9]TANG M， STUART T. Selective BuckBoost equalizer for series battery packs[J]. IEEE Trans Aerosp Electron Syst， 2000， 36（1）： 201211.
[10]LIANG T J， WEN T， TSENG K C， et al. Implementation of a regenerative pulse charger using hybrid BuckBoost converter[C]//IEEE Int Conf Power Electron and Drive Syst， 2001： 437422.
[11]郑晓龙. 基于变流变频Reflex方法的动力锂离子电池快速充电技术研究[D]. 上海： 上海海事大学， 2013.
（编辑赵勉）
摘要：为实现动力锂离子电池的高效快速充电，采用非耗散型的Reflex TM充电方法，消除充电过程中的极化现象，在分析改变充电电流参数对充电过程的优化作用基础上，提出一种变流变频充电控制策略.设计双向DCDC变换器及其控制电路，实现可变流变频的Reflex TM充电策略.通过改变正负脉冲幅值和占空比等实验，验证其可行性和有效性.
关键词：锂离子电池； 充电策略； 双向DCDC变换器； 变流变频控制
中图分类号： TM910.6
文献标志码： A
Abstract：To achieve the highefficient and fast charge of a power lithiumion battery， a nondissipative charging method called as Reflex TM is adopted to remove the polarization phenomenon in the charging process. Based on the analysis of the optimization function of different charging current parameters on the charging process， the variablecurrent and variablefrequency control strategy is presented， and then a bidirectional DCDC converter and its control circuit are designed to implement the strategy. The feasibility and availability of the strategy is proved through the experiment where the positive and negative pulse amplitudes and the dutycycle are changed.
Key words：lithiumion battery； charging strategy； bidirectional DCDC converter； variablecurrent and variablefrequency control
0引言
锂离子电池与传统的镍镉、镍氢电池相比，具有单体电压高、能量密度大、自放电率低、几乎没有“记忆效应”等突出优点，且不含铅、镉等有毒物质，逐渐应用于载运工具的动力电池，如：航天与航空飞行器、舰船储能及推进[1]、电动汽车[2]等.
锂电池在充电过程中会产生极化现象，导致充电电压升高，充电效率降低.为此，研究者对充电波形的变化进行研究.目前主要有两种去极化的方式，一种是采用负脉冲强制去极化，另一种是采用间歇充电的自然去极化方式，两种方式都能有效地改善极化现象.CHEN[3]研究脉冲电流在充电过程中对电池电化学性能的影响，得出脉冲充电不仅可以有效缩短充电时间并且可以延长电池的寿命的结论.KIM等[4]研究充电过程受间歇和放电去极化的影响，并且还对充电过程中电解质本体、正负极板和隔膜的电阻变化等通过数学建模进行模拟，发现弱化极化现象、减小电池内阻、减缓充电电压升高、短时间内提高电池充电接受能力都可以通过间歇和放电脉冲的方式达到.另外，国内外很多的研究者也认为，利用脉冲电流和去极化脉冲能够显著地改善电池的充电效果.[5～8]
本文将Reflex TM方法引入锂离子电池充电器控制，设计双向DCDC变换器，详细分析充放电波形与周期对系统快速充电的影响，提出一种基于变流变频控制的Reflex TM锂离子电池快速充电方法，以提高充电效率，减少损耗，优化充电过程.
1基本Reflex TM充电策略
Reflex TM充电策略是一种采用正负脉冲交替的充电方法，在正的充电脉冲之后加上一段负的放电脉冲来消除电池极化，其波形见图1.其机理是利用负脉冲所提供的电池的“打嗝”作用，消除反应过程中电极表面产生的气泡，使电池充电过程的温升和内部阻抗的增加量减少，使电能尽可能充分地转化为蓄电池内部的化学能，有利于消除由于扩散速度较慢引起的浓度极化，提高电池内部活性材料的利用率，从而达到增加电池充放电次数的目的.有许多类型的功率变换器能够实现这种脉冲充电策略[910]，且在铅酸电池、镍氢电池的充电器中已经得到应用.
在RP，开关管S1和S2彻底关断以阻断直流母线与电池组的连接，主要用来使电解质离子扩散得更均匀以中和电解液的浓度，从而提高电池的充电效率，延长电池的使用寿命.
2Reflex TM充电策略的改进及控制方法
在采用典型的Reflex TM充电策略进行充电的过程中，脉冲幅值和间隔保持不变.采用脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制方法，通过调节占空比D控制双向DCDC变换电路输出的脉冲波形，可以使其输出脉冲的幅值和间隔变化，优化充电过程，进一步提高充电速度和效率.
2.1控制电路设计
采用改进的变流变频快速充电方案的脉冲充电电流控制电路（见图2）主要由1个差分放大器和2个由主控芯片的两个输出引脚所控制的模拟开关组成.主控芯片采集电池组的电压信号，再进行内部运算，然后进行D/A变换，就可以改变脉冲幅值和占空比.
在图3所示的D/A电路中，DSP的PWM引脚输出的是幅值和占空比可变的PWM波，经过R3和C2组成的RC滤波器以及右边由TL084D和其他元器件组成的二阶巴特沃斯低通滤波器后，就可以得到不含交流分量只含直流分量的模拟量输出.
本文采用DSP2812的ADC模块采集电池组的电压，经过脉冲充电电流控制电路，最后出来的是电流内环的给定电流.通过D/A电路可以调整给定电流的参数，它与电流传感器采集的电感电流比较，再通过电流控制器产生控制信号，经过与三角载波比较，产生控制上下开关管的驱动信号，在不同时刻驱动不同的开关管从而实现换流.系统的整体结构框图见图4.
2.2变流变频Reflex TM电路控制参数的设计
2.2.1正脉冲充电模式下控制参数的设计
利用锂离子电池简化等效模型，可以得到锂离子电池充电模式下的控制框图，此时开关管S1工作于PWM模式，开关管S2工作于二极管模式，双向DCDC变换器可以等效为一个Buck电路.为实现对锂离子电池充电电流的控制，充电时采用电感电流内环和锂离子电池电压外环的双闭环控制，其控制系统结构见图5.图中双环都采用PI控制器，Gi（s）为电流环控制器，Gv（s）为电压环控制器，K1为电感电流的采样系数，K2为锂离子电池电压的采样系数，1/Vm为脉宽调制器的等效传递函数.
2.2.2负脉冲放电模式下控制参数的设计
锂离子电池组工作在放电模式下时，开关管S2工作于PWM模式，开关管S1工作于二极管模式，双向DCDC变换器可以等效为一个Boost电路，此时锂离子电池组向直流母线端电容放电.为保持直流母线端电压的稳定，采用电流内环、电压外环的双闭环控制策略，控制框图见图6.电压外环的功能是根据直流母线端电容电压偏差，计算出电流的给定值Iref1，用于维持电容端电压的稳定，电流内环的作用是限制锂离子电池组放电电流的大小，并提高系统的动态响应.
上述控制系统的建模与控制参数设计详见文献[11].
3实验验证
本实验采用的锂离子电池组选择的是上海捷士电池公司生产的JS48V50Ah系列产品，利用Reflex TM充电策略以固定的正脉冲充电电流10 A及不同的负脉冲放电电流5 A和19 A对电池进行充电，充电电流频率为50 Hz，充电时间为50 min.图7为负脉冲放电电流分别为5 A和19 A时示波器输出的电压、电流波形.在充电过程中，每隔1 min测量一次电池组的电压值和温度值，可得到电池组充电电压变化曲线和温度变化曲线，见图8和9.通过比较可以发现，负脉冲放电电流越大，相同的充电时间内电压增加较小，且电池温度的上升也较小.
4结论
针对锂离子电池正负脉冲充电的问题，研究一种改进的非耗散型的Reflex TM充电策略，设计双向DCDC变换器电路与控制系统，分析Buck和Boost两种控制模式PWM控制方式，并设计双闭环控制参数，在MATLAB/Simulink环境中进行系统仿真和对比实验.仿真分析和实验结果表明，所设计的变换器及其控制策略能够实现锂离子电池快速充电，减缓电池温度上升和电压上升.
研究证明，通过实时改变正负脉冲的占空比和幅值，能够优化充电过程，缩短充电时间，提高效率，减少对电池寿命的影响.
参考文献：
[1]汤天浩. 新能源与电力电子在船舶电力推进中的发展和应用[J]. 上海海运学院学报， 2004， 25（1）： 1924.
[2]符晓玲， 商云龙， 崔纳新. 电动汽车电池管理系统研究现状及发展趋势[J].电力电子技术， 2011， 45（12）： 2730.
[3]CHEN L R. A design of optimal pulse charge system by variable frequency technique[J]. IEEE Trans Ind Electron， 2007， 54（1）： 398405.
[4]KIM S C， HONG W H. Pulsedcurrent charging of lead/acid cell： effect of rest period and depolarization pulse[J]. J Power Sources， 2000， 89： 93101.
[5]LIU X T， HE Y， CHEN Z H. StateofCharge estimation for power Liion battery pack using VminEKF[C]//IEEE Conf Software Eng and Data Mining， Chengdu， 2010： 2731.
[6]LI J， MURPHY E， WINNICK J， et al. The effects of pulse charging on cycling characteristics of commercial lithiumion batteries[J]. J Power Sources， 2001， 10（2）： 302309.
[7]CHENG P H， CHEN C L. High efficiency and nondissippative fast charging strategy[C]//IEEE Proc Electron Power Appl， 2003， 150（5）： 539545.
[8]DIAZ J， RAMOS J A M， PERNIA A M. Intelligent and universal fast charger for NiCd and NiMH batteries in portable applications[J]. IEEE Trans Ind Electron， 2004， 51（4）： 857863.
[9]TANG M， STUART T. Selective BuckBoost equalizer for series battery packs[J]. IEEE Trans Aerosp Electron Syst， 2000， 36（1）： 201211.
[10]LIANG T J， WEN T， TSENG K C， et al. Implementation of a regenerative pulse charger using hybrid BuckBoost converter[C]//IEEE Int Conf Power Electron and Drive Syst， 2001： 437422.
[11]郑晓龙. 基于变流变频Reflex方法的动力锂离子电池快速充电技术研究[D]. 上海： 上海海事大学， 2013.
（编辑赵勉）
