新型电池充放电设备的智能控制系统设计与实现研究

　　李小华

　　【摘 要】伴随新能源领域的蓬勃发展，新型电池的充放电管理成为关键课题。本研究针对锂离子、钠离子和固态电池，全力开展智能控制系统的设计工作。深入探究电池充放电特性，明确其在能量密度、成本、安全性等方面的差异及应用场景。硬件层面采用STM32 系列主控芯片构建系统，软件基于Keil MDK 和Altium Designer 进行开发，并运用开环、闭环、自适应控制策略与模糊逻辑、神经网络等智能算法。成功实现对电池充放电的智能精准调控，可以显著提升控制精度与系统适应性。

　　【关键词】新型电池；智能控制；充放电设备；系统设计

　　引言

　　随着科技的飞速发展，电池在众多领域的应用愈发广泛。从便携式电子设备到电动汽车，从分布式能源存储到智能电网，电池作为关键的储能元件，其性能和可靠性直接影响着系统的整体效能。然而，新型电池如锂离子电池、钠离子电池和固态电池等，在充放电过程中呈现出复杂的特性，传统的充放电管理方式难以满足其精确控制需求。这不仅导致电池性能无法充分发挥，还可能引发安全隐患，缩短电池使用寿命。智能控制系统的引入为解决这些问题提供了有效途径。它能够实时监测电池的状态参数，依据电池的充放电特性和运行环境，动态调整充放电策略，实现对电池的精准控制。这不仅有助于提升电池的充放电效率，延长电池的使用寿命，还能显著增强电池使用的安全性，降低维护成本。因此，开展新型电池充放电设备智能控制系统的研究，对于推动电池技术的广泛应用，促进新能源产业、电子设备制造业等相关产业的健康发展具有重要的现实意义。

　　一、新型电池充放电特性分析

　　（一）常见新型电池类型

　　锂离子电池、钠离子电池以及固态电池是新型电池的主要代表类型。首先，锂离子电池以其高能量密度，如钴酸锂正极可达150~200 Wh/kg、三元材料正极在电动汽车中突破200 Wh/kg 甚至部分高端产品接近300 Wh/kg，以及长循环寿命，标准条件下能实现1000~2000 次循环充放电、优质产品超3000 次，依靠“摇椅式”工作机制保障电极结构稳定，在便携式电子设备与电动汽车领域广泛应用[1]。其次，钠离子电池因钠资源丰富，原材料成本仅约为锂离子电池的三分之一，尽管能量密度目前处于100~150 Wh/kg 略低于锂离子电池，但在对成本敏感、能量密度要求不极致的大规模储能、低速电动车辆、分布式储能基站等场景优势显著。然后，固态电池以固态电解质替代液态，具有极高安全性，能杜绝液态电解质泄漏、燃烧等风险，且能量密度潜力高有望突破300 Wh/kg，还具备快充潜力，可支持更高充电倍率，然而固态电解质离子电导率低，尤其在低温下影响电池性能，成为当前亟待攻克的关键难题，三者在不同方面展现出独特性能与应用前景。

　　（二）充放电过程原理

　　锂离子、钠离子和固态电池虽特性有别，但充放电都依赖离子在正负极间的可逆迁移。锂离子电池采用“摇椅式”机制，充电时，Li⁺ 从LiCoO2 等正极材料脱出，经含LiPF6 的EC 和DMC 混合溶剂电解质，与电子一起迁移至石墨负极嵌入。后期进入恒压阶段防锂枝晶引发安全问题。放电时逆向进行，其电压、电流和容量等参数变化为电池性能研究与策略优化提供依据。钠离子电池充放电原理类似，充电时，Na⁺从Na⁺CoO2 等正极材料脱出，通过NaCl 等钠盐溶液电解质，嵌入硬碳等负极材料。不过，因Na⁺ 半径大、扩散慢，充放电倍率性能弱，目前着重优化电极材料来改进。固态电池用固态电解质替代液态，充电时，锂离子从高能量密度正极脱出，经固态电解质移向硅基等负极。固态电解质能抑制锂枝晶，提升安全性，但离子电导率低，低温时严重限制充放电速率。温度、充放电倍率和电池老化对三类电池影响显著。高温提升性能却加速老化，低温阻碍离子迁移、降低容量。高倍率充放电满足快速需求但加剧极化、导致容量损失。电池老化会使容量降低、内阻增大。所以，实时监测电池状态并依此调整充放电策略，对保障电池高效稳定运行、延长寿命极为关键。

　　（三）充放电曲线与特性参数

　　锂离子、钠离子和固态电池的充放电曲线及特性参数各有特点。锂离子电池充电曲线分阶段，初始电压迅速上升，3.7 V 左右进入平缓“充电平台”，持续时间与容量、倍率有关，低倍率充电平台长。接近4.2 V 截止电压时电压再升，过充会引发安全隐患。放电曲线相反，从4.1~4.2 V 迅速下降至3.6~3.7 V 稳定平台，电量耗尽时降至2.75~3.0 V 截止电压。开路电压因正极材料而异，如钴酸锂满电约4.2 V，磷酸铁锂约3.4 V，可估算电量。内阻由欧姆内阻和极化内阻构成，影响充放电性能。容量分理论、额定和实际容量，实际容量受多种因素影响。高倍率充放电能快速充放电，但会加速电池衰减；低倍率则相反。钠离子电池充放电曲线与锂离子电池类似，但因钠离子半径大、扩散慢，平台斜率大，尤其高倍率下明显，且整体倍率性能弱，不过未来有望通过优化材料提升。固态电池充放电曲线宏观与锂离子电池相似，因固态电解质能抑制锂枝晶，电压平台更平稳，过充风险低，能量密度潜力高可能使平台更长。但低温或高倍率充放电时，因离子电导率低，性能待优化。

　　二、新型电池充放电设备智能控制系统设计

　　（一）硬件设计

　　在新型电池充放电设备智能控制系统的硬件设计中，各部分设计紧密关联且功能明确。主控芯片选用性能卓越的STM32 系列，以STM32F4 系列为例，其Cortex-M4 内核搭配168 MHz 的运行频率，赋予芯片强大的数据处理能力，能快速响应各类复杂运算和指令[2]。丰富的外设资源，如通用定时器、SPI、I2C、USART 接口等，极大地方便了与其他模块的连接，且内部集成的大容量Flash 和SRAM，减少了外部存储芯片的使用，降低了系统成本与复杂度。数据采集电路设计方面，选用高精度的电阻分压式电压传感器测量电池端电压，霍尔电流传感器实现非接触式电流测量，DS18B20 数字温度传感器测量温度，其测量精度可达±0.5 ℃ 且采用单总线通信。采集到的信号需经调理，电压信号分压后进行放大、滤波处理，电流信号进行放大和电平转换，以适配主控芯片ADC 输入，而DS18B20 的数字信号可直接由主控芯片读取解析。执行电路中，充放电控制电路利用MOSFET 功率管结合PWM 信号调节充放电电流，充电时借助线性或开关稳压器精确控制电压，放电时通过控制MOSFET 导通时间和频率满足负载需求。同时，设计了过充、过放、过流及短路保护电路，分别通过监测电池电压、电流来切断回路，保障电池和电路安全。通信电路设计上，考虑到与多种外部设备通信的需求，选择了RS485 和CAN 总线接口，RS485 适用于恶劣工业环境，CAN 总线在汽车电子领域应用广泛，还增加了蓝牙模块用于与移动设备通信。RS485 采用MODBUS 协议，CAN 总线采用CANopen 协议，蓝牙采用标准蓝牙协议，确保系统与外部设备间高效、准确的数据交互。

　　（二）软件环境开发设计

　　软件开发选用KeilMDK 作为集成开发环境（IntegratedDevelopment Environment，IDE），其具备强大的代码编辑、编译和调试功能，对多种ARM 内核微控制器支持良好，尤其与STM32 系列芯片的开发适配性极佳，为代码开发提供了高效平台。同时，借助Altium Designer 进行硬件电路设计与绘制，保障了硬件设计的准确性与可靠性。

　　主程序设计遵循严谨流程，首先进行全面的系统初始化，包括主控芯片的时钟、GPIO 口、定时器、ADC、SPI 等外设以及通信接口的初始化，初始化完成后系统进入就绪状态。

　　随后，通过定时中断启动数据采集任务，读取电压、电流、温度传感器数据并进行存储和预处理。接着，采用滤波算法去除噪声，利用电池状态估算算法计算电池剩余电量（Stateof Charge，SOC）、健康状态（State of health，SOH）等参数。最后，依据数据处理结果和预设控制策略、算法，如充放电控制算法，通过PWM 输出控制信号，精准控制充放电电路工作状态[3]。

　　通信程序设计方面，将电池实时状态信息、系统运行参数等数据按照特定通信协议格式打包，添加帧头、帧尾、校验位确保数据完整正确。根据RS485 或CAN总线等通信接口，调用相应驱动函数发送数据，同时启动接收中断监测外部数据，接收到的数据存储在缓冲区，经校验和解包后提取有效信息，用于更新系统参数、响应上位机指令等。

　　用户界面设计选用显示清晰、色彩丰富、响应速度快的TFT-LCD 显示屏，通过SPI 接口与主控芯片连接。界面布局简洁，分为电池状态显示区实时展示电池关键信息、参数设置区供用户设置充放电参数和报警阈值、历史记录查询区可查看电池充放电历史数据。通过编写图形界面驱动程序实现各项功能，如参数修改后实时更新控制策略，历史记录可按用户操作以图表或表格形式展示。

　　（三）控制策略与算法设计

　　在新型电池充放电设备的智能控制系统中，控制策略与算法对系统性能、电池寿命及能量转换效率至关重要。控制策略方面，开环控制较为基础直接，针对常见锂离子电池，常预设0.5 C充电电流（如钴酸锂锂离子电池截止电压4.2 V），系统按此固定参数运行，不考虑电池实时状态反馈。其实现简单、成本低，但缺乏实时调整能力，易造成充电不完全或过充，影响电池实际容量发挥与使用寿命。闭环控制引入反馈机制，通过数据采集模块实时获取电池的电压、电流、温度等信息，与预设目标值对比后，运用PID 控制算法调整控制量。例如在充电时，依据电池实时电压接近截止电压的程度，利用PID 算法逐渐减小充电电流，确保电池处于最佳充电状态，相较于开环控制，充电效率可提高约10%~15%。自适应控制更为先进，能根据电池老化程度（通过监测内阻评估）、环境温度等因素，结合安时积分法和卡尔曼滤波算法估算电池剩余电量（SOC）和健康状态（SOH），自动调整控制策略和参数。当电池老化内阻增大或环境温度过高时，自适应控制可避免电池因大电流发热加速老化或产气等问题，实际测试表明可延长电池寿命约20%~30%。

　　在算法上，模糊逻辑算法将电池的电压、电流、温度等参数模糊化，依据模糊状态制定充放电策略，适应性强，能应对复杂多变的电池工作状态。神经网络算法借助BP 神经网络对大量历史数据学习训练，可准确预测电池剩余电量、健康状态等参数，预测误差能控制在5% 以内。粒子群优化算法模拟鸟群觅食，将充电电流、电压等设为粒子位置，通过迭代寻找最优解，优化后的充电策略可使充电时间缩短约15%~20%[4]。

　　（四）系统测试与验证

　　为确保新型电池充放电设备智能控制系统的可靠性与稳定性，全面的系统测试与验证必不可少。在硬件测试环节，针对主控芯片STM32 系列，利用专业的芯片测试工具，对其数据处理速度、外设功能进行全面检测。测试数据采集电路时，通过模拟不同电压、电流及温度工况，验证传感器测量精度与信号调理电路的有效性[5]。例如，将标准电压源接入电阻分压式电压传感器，实测其输出值与理论值误差在极小范围内，证明了电压测量的准确性。对执行电路，加载不同负载，监测充放电电流、电压的控制精度以及保护电路的响应及时性，结果显示过充、过放等保护功能均能在异常发生瞬间迅速切断回路，保障了电池和电路安全。

　　软件测试围绕主程序、通信程序及用户界面展开。主程序测试中，通过设置不同的初始化参数和模拟多种运行场景，验证系统初始化的完整性、数据采集的准确性以及控制策略执行的正确性。在通信程序测试里，利用串口调试助手等工具模拟外部设备，依据不同通信协议发送和接收数据，检查数据打包、解包的准确性与通信的稳定性。用户界面测试则重点关注界面操作的便捷性、显示内容的准确性以及参数修改与控制策略更新的实时性。用户反馈表明，TFT-LCD 显示屏界面操作流畅，各功能区布局合理，能满足日常操作需求。

　　对于控制策略与算法，在实际电池充放电场景下进行测试。对比开环、闭环及自适应控制策略，结果显示自适应控制在延长电池寿命、提升充电效率方面优势显著[6]。算法测试方面，模糊逻辑算法在复杂工况下能灵活调整充放电策略，神经网络算法对电池参数的预测误差稳定控制在5% 以内，粒子群优化算法有效缩短了充电时间，进一步验证了这些算法在提升系统性能上的有效性。

　　结语

　　本研究聚焦新型电池充放电设备的智能控制系统，深入剖析锂离子、钠离子和固态电池充放电特性，成功设计并实现智能控制系统，收获理论与实践成果。在电池特性研究上，明确锂离子电池高能量密度、长循环寿命的优势，钠离子电池成本低的潜力，以及固态电池高安全性和能量密度潜力的发展方向。通过探究充放电原理、曲线与特性参数，为系统设计筑牢理论根基，提供量化依据。智能控制系统设计中，硬件采用STM32 系列主控芯片搭建稳定平台，软件基于KeilMDK 和Altium Designer 实现完备功能。控制策略与算法结合多种策略和智能算法，提升控制精度与适应性。不过，研究仍有不足，如部分算法计算复杂影响实时性与稳定性，系统兼容性和鲁棒性待提升。未来研究可以关注优化算法，增强系统兼容性和鲁棒性，融合新兴技术，开发更高效智能的控制系统，助力新能源产业发展。

　　参考文献：

　　[1] 周佩.新型液流电池活性物质及电解液的应用研究[D].深圳:深圳大学,2023.

　　[2] 张东平,艾学忠,郑巍,等.基于STM32F373的锂电池充放电系统设计[J].电子制作,2023,31(21):16-20+31.

　　[3] 詹秉华,陈少辉,熊凯.储能锂电池充放电设备直流电压测量不确定度评定[J].计量与测试技术,2023,50(11):121-122.

　　[4] 孙思男,郝正航.基于电压电流双环控制的蓄电池并网研究[J].电子科技,2023,36(02):13-21.

　　[5] 张禛鑫,李存华.分布式智能控制系统的设计与实现[J].信息与电脑,2017(13):104-106.

　　[6] 曹虎山,徐晓玲.磷酸铁锂锂电池在低温环境下的充放电研究[J].中国高新科技,2025(01):38-39+42.