1 鋰電池 

蓄電池種類多種多樣，自電解質(zhì)層面而言，可將鋰電池劃分為液態(tài)鋰電池、凝膠鋰電池、全固態(tài)鋰電池等類型；自正極材料層面而言，可將鋰電池劃分為磷酸鐵鋰電池、氧化錳鋰電池、氧化鎳鋰電池等類型。伴隨鋰電池技術(shù)的不斷發(fā)展及全球各國對節(jié)能減排的日益重視，作為環(huán)保的儲能設(shè)備，近年來鋰電池在諸多行業(yè)領(lǐng)域得到推廣，諸如電動汽車、不間斷電源、太陽能發(fā)電等。依托相應(yīng)數(shù)量的鋰電池串聯(lián)、并聯(lián)組合，便可組成鋰電池組（包）。通常而言，方形結(jié)構(gòu)的電池組，可運用立式結(jié)構(gòu)或者臥式結(jié)構(gòu)；而運用圓柱形結(jié)構(gòu)的單體鋰電池組，通常為立式結(jié)構(gòu)。鋰電池組主要由鋰電池單體、電池組結(jié)構(gòu)件、電池連接器件等組成，其中電池組結(jié)構(gòu)件可實現(xiàn)支撐電池單體及散熱功效，所以需要應(yīng)用輕質(zhì)、高強度及導(dǎo)熱性佳的材料。

1.2 大功率鋰電池充電特點

鋰電池對電壓準(zhǔn)確性提出了偏高的要求，倘若電壓誤差在1%以上便可能導(dǎo)致鋰電池?fù)p壞?，F(xiàn)階段，常用的鋰電池額定電壓為3.7V，同時其充電終止電壓為4.2V。近年來，市場上流通的鋰電池主要采用的是恒流和恒壓充電模式，充電時電流保持穩(wěn)定，而充電起初階段電壓偏低，伴隨充電時間的推進(jìn)，電壓波動通常不超過1%，充電電流不斷減少，等到電流降低至相應(yīng)水平時，便會轉(zhuǎn)變?yōu)殇噶鞒潆娔Ｊ健ｄ噶鞒潆娔Ｊ?，換而言之即為人們常說的維護(hù)充電，在這一充電模式下，充電設(shè)備會維持在特定速率下，逐漸為電池補充電荷，并直至將鋰電池充滿。

1.3 大功率鋰電池放電特點

鋰電池在放電過程中，電流不宜過大，倘若電流過大則會加大鋰電池內(nèi)部熱量，進(jìn)一步對鋰電池帶來不可逆的損壞。除此之外，鋰電池電壓不足放電終止電壓時仍然保持放電狀態(tài)，則會引發(fā)過放現(xiàn)象，進(jìn)而造成鋰電池出現(xiàn)損壞。在各式各樣的放電狀態(tài)下，鋰電池電壓變化也不盡相同。鋰電池電壓與放電率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。如果將鋰電池放電速率控制在0.2C，則鋰電池電能可能降低至2.75V，可放出額定電量；而如果將鋰電池放電速率控制在1C，則其可釋放出電池額定電量的98%。

 

2 大功率鋰電池的充放電控制

 

2.1 大功率鋰電池充放電設(shè)備控制總體設(shè)計

 

首先，大功率鋰電池充放電電路總體設(shè)計。充放電主電路通過二極管不控整流，緊接著由隔離的DC/DC 變換器獲取對應(yīng)需求的充電電壓，進(jìn)而對鋰電池進(jìn)行充電，如圖1 所示。大功率鋰電池放電過程中，依托Buck 降壓斬波器將電池電能通過電阻負(fù)載放電，進(jìn)而通過發(fā)熱以進(jìn)行放電，如圖2 所示。

 

然后，大功率鋰電池系統(tǒng)充放電設(shè)備控制結(jié)構(gòu)設(shè)計。電池系統(tǒng)主電路硬件電路主要包括核心控制電路、采樣電路、JTAG接口電路、PWM 驅(qū)動電路等，如圖3 所示。其中，采樣點路，指的是采集充電過程中的充電電流、充電電壓、外電檢測及放電過程中的放電電流、放電電壓、環(huán)境溫度。

 

2.2 大功率鋰電池充放電控制軟硬件設(shè)計

依托控制器STM32F103{能否調(diào)整為89C51 單片機，如調(diào)整圖1,2,3 應(yīng)相應(yīng)變化}集成的各項功能，并結(jié)合本次研究設(shè)計大功率鋰電池充放電主電路及不同模塊接口電路，主要包括電源電路設(shè)計、復(fù)位電路設(shè)計、時鐘電路設(shè)計、JTAG仿真器接口電路設(shè)計、信號采樣電路設(shè)計、人機界面電路設(shè)計，IGBT 器件使用，等等。為了進(jìn)一步實現(xiàn)充電設(shè)備智能化，進(jìn)行設(shè)計的策劃工作，在硬件設(shè)計的同時，同步開展對應(yīng)的軟件設(shè)計，主要包括系統(tǒng)主程序設(shè)計、充電電路控制程序設(shè)計、AD 采樣DMA 傳輸程序設(shè)計、通信程序設(shè)計、人機界面的監(jiān)控等。

2.3 實驗結(jié)果及分析

本次研究選取容量為16Ah 的磷酸鐵鋰電池組，室溫控制在20℃。鋰電池先開展恒流恒壓充電，等到電流不足0.033C 時，意味著蓄電池已經(jīng)充滿，且SOC 值為1。然后，將蓄電池以不同方式進(jìn)行放電，記錄蓄電池電壓、溫度等參數(shù)，并在各種電池模型基礎(chǔ)上應(yīng)用卡爾曼濾波法開展蓄電池SOC 估算。經(jīng)實驗研究得出，蓄電池放電電流與蓄電池持續(xù)放電時間、蓄電池溫度變化呈正相關(guān)關(guān)系。在應(yīng)用卡爾曼濾波法開展SOC 估算過程中，構(gòu)建模型不同，則獲取結(jié)果也不盡相同。在小電流持續(xù)放電過程中，以RC 模型、Thevenin模型為前提的SOC 估算結(jié)果差別較小，而在大電流持續(xù)放電過程中，以RC 模型為前提的SOC 估算則更為準(zhǔn)確。在蓄電池不持續(xù)放電過程中，電流保持恒定放電。以RC 模型、Thevenin 模型為前提SOC 估算，均存在一定的誤差，當(dāng)應(yīng)用RC 模型開展的估算更為可靠、準(zhǔn)確。