Multi-stage constant current charging strategy considering SOC intervals and voltage thresholds

Conventional multi-stage constant current charging strategies often use higher multiples of current to charge the battery in pursuit of shorter charging times.However,this leads to an increase in battery temperature,while shortening the charging time.This in turn affects the safety of the charging process.Furthermore,the higher charging currents are not ideal for shortening the charging time in the later stages of charging.To solve the aforementioned problems,in this study,a multi-stage constant current charging strategy is presented.This strategy can shorten the battery charging time by using the increase in battery temperature during the charging process as a constraint,using a genetic algorithm to calculate the charging current value,and investigating the phased approach to charging.Finally,the charging strategy is experimentally validated at different ambient temperatures and different initial SOCs.The experimental results show that the charging strategy proposed in this paper not only reduces the amount of calculations,but also reduces the temperature rise by up to 46.4%and charging time by up to 4.2%under different operating conditions.

Overview of multi-stage charging strategies for Li-ion batteries

To reduce the carbon footprint in the transportation sector and improve overall vehicle efficiency,a large number of electric vehicles are being manufactured.This is due to the fact that environmental concerns and the depletion of fossil fuels have become significant global problems.Lithium-ion batteries(LIBs)have been distinguished themselves from alternative energy storage technologies for electric vehicles(EVs) due to superior qualities like high energy and power density,extended cycle life,and low maintenance cost to a competitive price.However,there are still certain challenges to be solved,like EV fast charging,longer lifetime,and reduced weight.For fast charging,the multi-stage constant current(MSCC) charging technique is an emerging solution to improve charging efficiency,reduce temperature rise during charging,increase charging/discharging capacities,shorten charging time,and extend the cycle life.However,there are large variations in the implementation of the number of stages,stage transition criterion,and C-rate selection for each stage.This paper provides a review of these problems by compiling information from the literature.An overview of the impact of different design parameters(number of stages,stage transition,and C-rate) that the MSCC charging techniques have had on the LIB performance and cycle life is described in detail and analyzed.The impact of design parameters on lifetime,charging efficiency,charging and discharging capacity,charging speed,and rising temperature during charging is presented,and this review provides guidelines for designing advanced fast charging strategies and determining future research gaps.

An improved analysis method of constant-current charge/discharge curves and its application to nickel hydroxide electrode

The derivative of charge and discharge curves (d t /d E vs E plot) can be used to describe the charge and discharge process more exactly. The d t /d E ? 獷 plots of nickel hydroxide electrode at different charge/discharge rates and intermittent discharge experiment are discussed. Though the d t /d E ? 獷 plot is affected by many factors, it clearly has intrinsic relation with the nature of active material such as conductivity and thermodynamic potential of active material, which changes with the state of charge. The d t /d E—E plot can also be applied to other electrochemical active materials, especially to those having several phases during charge or discharge.

基于反激变换器的电池充电系统设计

以具有结构简单、电气隔离等优点的反激变换器为电池充电电源,分析反激变换器电路的连续和断续模式工作原理,通过设计电压电流双闭环控制方法,实现电池的恒流充电模式和恒电压充电模式,也可实现两种充电模式的切换。实验结果证明了反激变换器的连续工作模式和断续工作模式的正确性,验证了应用于电池充电电源的可行性和有效性,切换时间小于1 ms,电压波动小于1 V。

基于改进型ZVT Buck电路的IPT充电系统设计

为了避免在感应式无线电能传输系统的耦合机构中增加多余的开关器件以及额外的无源元件,同时减小系统工作在高频率、大功率时全控型开关器件存在的开关损耗,提出基于改进型ZVT Buck电路闭环控制的方法实现对电池的恒流、恒压充电,通过分析改进型ZVT Buck电路的工作模态以及对电路参数的设计,确保在整个充电过程中DC-DC变换器均工作在软开关状态,最后搭建充电电流为35 A、充电电压为370 V的实验平台验证该方法的可行性。结果表明:该方法控制简单,并且降低了系统电路结构的复杂度,传输效率相对较高,能够满足恒流恒压充电需求。

一种CC/CV平滑切换的宽输出电压充电电路

目前多种动力蓄电池凭借着能量密度高、续航里程长和可循环使用等优势,在新能源汽车领域得到了广泛应用。针对当前以谐振电路为基础构建复合变换器应用于蓄电池充电存在输出电压范围、模式间切换、效率等不同问题,提出了一种四开关Buck-Boost与电容钳位LLC级联复用式变换器作为充电电路。该电路增益曲线的容性区和感性区均可工作,宽调频范围的容性区具有恒流特性,感性区的最佳谐振点具有恒压特性,利于实现蓄电池恒流恒压充电控制。频率与占空比的解耦控制拓宽了变换器的输出电压范围,且负载阻抗连续变化下电压增益连续,利于实现蓄电池恒流恒压平滑切换及满足不同电池充电控制方案,宽增益下的宽调控范围可减少输出纹波。拥有桥臂间移相软开关、复用桥臂增强软开关能力和降低通态电流、变压器低磁链及最终移动于最佳谐振点工作等电路特性,利于实现电能高效传输。仿真与实验结果验证了充电电路全程满足ZVS、ZCS的恒流恒压控制及充电模式间平滑切换特性。

基于栅极限流的SiC MOSFET栅电荷测试方案

SiC MOSFET是一种高性能的电力电子器件,其开通/关断过程中积累/释放的栅电荷Q_(g)对MOSFET的开关速度、功率损耗等参数有重要影响。通常采用在栅极设置恒流源驱动,对时间进行积分的方法来测量Q_(g)。为了降低驱动复杂度,提高测试结果精度和可视性,基于双脉冲测试平台的感性负载回路,改用耗尽型MOSFET限制栅极电流实现恒流充电,对SiC MOSFET进行测试。同时利用反馈电阻将较小的栅极电流信号转换为较大的电压信号。实验结果表明:在误差允许范围(±5%)内该测试方案能较为准确地测得SiC MOSFET的Q_(g),测试结果符合器件规格书曲线。

基于分层架构的退役电池可重构均衡控制研究

利用退役电池构建储能系统,充分利用其剩余价值,是解决大量退役电池再利用的重要途径。然而,经过多次充放电影响,退役电池不一致性问题较新电池更为突出。在此背景下,首先,针对退役电池储能系统提出了分层式可重构均衡拓扑。其次,基于该拓扑提出了分层式均衡控制策略。考虑组内部和组间两个层次的均衡控制,组内以SOC和端电压为均衡变量,通过重构实现电池单体状态均衡,组间以SOC为均衡变量,通过重构保证全电池簇均衡。同时考虑多种运行工况:静置过程中通过自均衡提高电池组的均衡效率和可用容量,放电过程中通过拓扑结构变换维持输出电压稳定,充电过程中考虑能量损耗和充电速度合理优化充电电流,缩短充电时间,减少温升,延长电池使用寿命。最后,在Matlab中验证了所提拓扑与均衡策略在不同工况下的有效性。

一种具有高温保护的三段式充电控制电路

锂电池由于寿命长、容量大、质量轻等优点而应用广泛,但过充和高温都有可能对电池造成极大破坏,因此对锂电池的充电保护设计变得尤为关键。基于Cansemi 0.18μm MIXS 5 V工艺,通过多参量共同作用来调节p沟道金属氧化物半导体(PMOS)管栅极电位,以实现涓流、恒流、恒压三段式充电设计。本设计具有高温调节与保护功能,在高温充电环境下,随着温度的升高,充电电流逐渐减小。直至温度达到门限温度,充电回路彻底关闭,避免了锂电池在高温环境下依然保持大电流充电的情况。仿真以及流片测试结果表明所设计电路能实现三段式充电方式,电池能被充至4.185~4.206 V,精度达到±0.4%以内,且能够实现高温控制与保护功能。

变母线电压的LLC高压电容充电电源设计

提出了一种两级式可变母线电压的高压电容充电电源技术方案,该拓扑在半桥LLC谐振电路的基础上增加了一级图腾柱无桥功率因数校正(PFC)电路,通过改变母线电压来解决传统LLC谐振电源在输出更高电压时,工作频率变化范围过大带来的充电效率下滑的问题。由于图腾柱电路本身具备功率因数校正的功能,该电源设计还拥有能够直接从电网取电而不影响电网电能质量的优势。首先介绍了本电源设计中两部分的电路拓扑和工作原理,采用等效电阻法分析了电容负载下的电源输出特性。针对前级图腾柱电路设计了双环控制器以实现对母线电压和功率因数的控制,针对后级LLC电路提出了比例积分(PI)加低通滤波的恒流控制器以降低高频噪声带来的不利影响。最后通过模型构建与仿真分析,研究了高压电容充电电源3000 V/1 A时的充电特性,验证了本电源技术方案、设计和控制策略的可行性。

基于线性自抗扰的车载蓄电池电机车充电系统

针对传统矿用蓄电池电机车充电过程繁琐,需将蓄电池从电机车上吊离至专用充电机房充电,再吊回至电机车,这种充电方式要求有多套蓄电池进行替换,效率低下,并且充电纹波大、质量差。对此设计了一种蓄电池电机车车载充电控制系统,采用PWM整流和DC/DC变换两级式拓扑结构,对前级PWM整流器电压外环用线性自抗扰控制,内环采用电流解耦控制,对后级双向DC/DC采用恒流转恒压的双闭环控制。实验结果表明,基于线性自抗扰的车载充电控制系统在提升充电效率的同时,能够有效降低母线电压纹波、减小网侧电流畸变,提高充电质量。

基于LC串联谐振的高压恒流充电电源设计

LC串联谐振式高压恒流充电电源能够实现电容器的高效快速充电,且具有较好的抗负载短路能力,在高重频脉冲功率系统中具有广阔的应用前景。充电电源的效率是决定系统重频运行能力的重要因素,提高效率是目前高压电容器充电电源设计的首要目标。根据LC串联谐振电路的工作原理,分析可知电源工作模式、逆变桥的开关频率以及高频变压器的分布参数是影响LC串联谐振电源效率的主要因素。针对功率为10 kW、输出电压为40 kV的直流电源,计算主电路参数并利用Pspice建立了电路模型验证其准确性,采用软开关技术减小开关损耗,设计了分布参数较小的高频变压器进一步提高效率,并在此基础上完成了电源整体结构设计。最后测试了电源的充电特性,结果表明该电源可将0.1μF电容器在37 ms内充电至39.5 kV,其充电效率为87.1%。

重频速射电磁发射用混合储能系统控制策略

面向重频快速电磁发射的应用需求,针对其对混合储能系统初级储能向次级储能超高频率充电的难题,提出了一种基于“超级电容-脉冲电容”的新型混合储能系统,与现有“蓄电池-脉冲电容”混合储能相比,该系统具有快速充电和长寿命的优势。首先,在介绍该储能系统基本电路结构和原理的基础上,结合时序串联充电方式推导了其内部能量转移过程的理论模型;然后,基于Matlab仿真平台搭建系统仿真模型,给出了时序串联充电控制策略,以及充电电压和电流波形,并定量分析了回路阻抗对充电波形的影响。仿真结果表明:所提出的基于“超级电容-脉冲电容”的混合储能系统可实现数十发/分的射速,可为重频速射电磁发射的应用提供有效的能源供给方案,且该混合储能系统基于时序串联控制可实现对电磁发射脉冲电源电压的精准控制。

关于电动自行车用充电器充电制式检测方法的研究

电池的多样性导致了充电制式的多样性。对一款未知充电器的充电制式,特别是当充电制式有多个充电阶段,且每个阶段有多个跳转条件的智能型充电器,需测试其充电曲线,了解该充电器的充电制式分为几个阶段,且每个阶段是什么模式,然后对每个阶段的具体参数进行针对性的检测。经过对多种不同充电器的各个阶段的参数及跳转条件的研究,笔者找到了一种检测方法。使用直流电子负载模拟电池,通过恒流工作模式、恒压工作模式、恒阻工作模式、恒功率工作模式,对不同的充电条件进行设置,能任意控制电流、电压的时长,从而在检测出所需的参数的同时,大幅度缩短检测周期。

高压降压式开关充电管理芯片的设计与实现

阐述设计的一款高效率高压输入、降压式开关型充电管理芯片,包括两个开关管和一个阻断MOS管。阻断二极管可以有效防止芯片倒灌。芯片内置一个恒压环路和一个恒流环路。

PSO-based Optimization for Constant-current Charging Pattern for Li-ion Battery

A particle swarm optimization algorithm to search for an optimal five-stage constant-current charge pattern is proposed.The goal is to maximize the objective function for the proposed charge pattern based on the charging capacity,time,and energy efficiency,which all share the same weight.Firstly,an equivalent circuit model is built and battery parameters are identified.Then the optimal five-stage constant-current charge pattern is searched using a particle swarm optimization algorithm.At last,comparative experiments using the constant current-constant voltage(CC-CV)method are performed.Although the charging SOC of the proposed charging pattern was 2.5%lower than that of the CC-CV strategy,the charging time and charging energy efficiency are improved by 15.6%and 0.47%respectively.In particular,the maximum temperature increase of the battery is approximately 0.8℃lower than that of the CC-CV method,which indicates that the proposed charging pattern is more secure.

基于差分电压平台的锂电池自适应充电策略

为应对锂离子电池在充电过程中由于其复杂电化学特性所引发的多因素不平衡问题,本文在综合考量充电时间、充电效率和电池健康状态(state of health,SOH)3个因素的基础上,提出一种基于差分电压平台(differential voltage platform,DVP)的自适应多阶恒流(DVP-based multistage constant current,DMCC)充电策略。首先,建立电-热-老化耦合模型以模拟充电过程中电池参数特性的变化。其次,为实现充电过程中的动态优化和自适应分阶,将充电电压差分处理并以DVP作为恒流切换条件,利用改进的灰狼算法(grey wolf optimizer,GWO)优化各阶段充电电流。然后,基于优化结果,采用帕累托最优前沿(Pareto optimal frontier)分析比较不同权重值组合对于充电优化的影响。最后,在MATLAB/Simulink平台搭建锂离子电池充电仿真系统,与传统恒流恒压(constant current-constant voltage,CC-CV)策略和基于截止电压的多阶恒流(voltage-based multistage constant current,VMCC)策略进行对比试验,仿真结果表明,本文所提充电控制策略可有效降低充电引起的电池容量衰减,缩短电池充电时间。

基于H-MMC的闭环预充电控制策略研究

六边形模块化多电平变流器(hexagonal modular multilevel converter,H-MMC)作为一种直接AC/AC变流器,在中压大功率电机驱动领域具有广阔的应用前景。然而,由于H-MMC子模块众多,如何将子模块电容充电至其额定值成为亟待解决的关键问题。通过对H-MMC拓扑结构特点和充电回路进行研究,提出了一种闭环预充电控制策略。根据设定的充电功率计算电网电流参考值,基于H-MMC数学模型推导出桥臂电流参考值。采用准PR控制对桥臂电流进行跟踪以实现H-MMC的恒流充电。均压控制保证子模块电容电压的一致性。基于Matlab/Simulink搭建的预充电对比仿真结果表明所提策略具有充电时间可控、无冲击电流、一致性好的特点。最后,通过H-MMC小型样机验证了所提闭环预充电控制策略的可行性。

储能充电用可变结构组合式谐振变换器设计

蓄电池充电主要分为恒压充电和恒流充电两个过程,传统的谐振变换器通常采用调频控制方法实现,该方法存在调节频率过宽的问题。针对此问题,这里提出了一种在恒定频率下实现恒压和恒流输出的电路拓扑。所提组合式谐振变换器可以实现开关管的零电压开通和次级整流二极管的零电流关断,降低了开关管的工作频率范围,从而实现高效率低损耗,减少了元器件的数量,提高了变换器的功率密度。这里讨论了所提变换器的结构及工作原理、电压和电流增益及参数设计方法。最后,通过实验验证了所提谐振变换器拓扑结构的可行性。

基于内阻补偿的超级电容器充电轨迹优化策略研究

为了克服超级电容传统充电策略充电时间与电容满充之间的矛盾,提出一种基于超级电容内阻补偿的恒流充电方法,该充电方式能够通过恒流充电达到传统恒流-恒压充电方式的满充效果,同时大大减少充电时间。首先分析了超级电容器充电轨迹优化的原理,然后通过实验对可行性与有效性进行验证,最后进一步采用Matlab仿真分析了不同条件下超级电容器的充电性能。研究结果表明:该方法可在基本不降低充电效率(0.2%)的前提下有效减少超级电容器的充电时间(23.5%)。