新型無損快速智能充電器的設(shè)計(jì)

王 麗， 景志林， 高 田

（1.塔里木大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆電力科學(xué)研究院 新疆 烏魯木齊 830011；3.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710072）

根據(jù)馬斯定理，對(duì)電池進(jìn)行快速無損充電，充電電流應(yīng)等于或接近于當(dāng)前電池所能接受的電流大小，以保證析氣率最低，減少快速充電過程中對(duì)電池的損害。近來，先進(jìn)的智能控制技術(shù)被引入到快速充電技術(shù)中，用于停充電控制或充電模式選擇，提高控制精度和充電效率；但沒有考慮電池自身的充電特性，缺乏自適應(yīng)能力，不能跟蹤電池充電特性的改變而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)充電電流，導(dǎo)致充電電流大于電池能接受的電流，致使溫升過高對(duì)電池造成損害。

為此，需要設(shè)計(jì)一種新型的智能充電器，能對(duì)電池進(jìn)行安全、無損、快速充電[1]。

深入研究快速充電理論，從鎳鎘電池特性出發(fā)，創(chuàng)新性地提出引入自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANFIS）對(duì)電池在不同荷電狀態(tài)下的可接受電流進(jìn)行預(yù)測，從而調(diào)整實(shí)際充電電流；同時(shí)，充電中加入負(fù)脈沖去極化。在此基礎(chǔ)上，采用英飛凌公司的單片機(jī)XC164CM及外圍接口電路設(shè)計(jì)一種新型的快速無損智能充電器。

1 鎳鎘電池充電過程特性研究

單節(jié)鎳鎘電池的充電曲線如圖1所示。整個(gè)充電過程大致可分為4個(gè)階段。

圖1 鎳鎘電池充電特性曲線Fig.1 Ni-cd charging characteristics curve

當(dāng)電池的端電壓低于1.2 V達(dá)到A點(diǎn)時(shí)，應(yīng)立即停止放電，放電過深將導(dǎo)致溫升大。在充電過程中，主要的充電階段是A-B段，整個(gè)電池70%以上的能量都在這個(gè)階段充入，電壓上升速率慢。同時(shí)，在A-B段電化學(xué)反應(yīng)以一定的速率氧氣，氧氣又以同樣的速率與氫氣復(fù)合，所以，電池內(nèi)部的溫升和氣體壓力都較低。這段時(shí)間適宜采用大電流快速充電，但其充電電流必須小于電池的可接受電流，否則將產(chǎn)生大量析氣，降低充電效率，溫升過高，致使損害電池。而在B-C段電池的端電壓上升很快，這時(shí)電池內(nèi)阻抗增加，適宜減小充電電流。在C-D段則進(jìn)入停充階段，注意及時(shí)進(jìn)行停充檢測并終止充電。所以，對(duì)于鎳鎘電池的整個(gè)充電過程按以上4個(gè)階段進(jìn)行，在O-A階段采用小電流預(yù)充電；當(dāng)達(dá)到A點(diǎn)時(shí)，進(jìn)入快速充電階段，這里采用大電流脈沖智能充電；在B-C段小電流補(bǔ)充充電，最后到C-D段停充檢測。

2 快速無損充電策略

文獻(xiàn)[2-3]中提到蓄電池可以簡單的看作一個(gè)超大阻容器，電池的充電過程就可以看作一個(gè)RC電路的充電過程，其時(shí)間常數(shù)τ表征了充電的快慢，也就相當(dāng)于馬斯曲線中的衰減比α，則有τ=1/α。充電中電池的可接受電流的大小只與初始電流I0有關(guān)，當(dāng)t=3τ后，電池的可接受充電電流約為I0/20；當(dāng)充電到t=5τ時(shí)，其時(shí)電池的可接受電流已經(jīng)很小。

由此，提出利用自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANFIS預(yù)測電池的可接受電流。在電池的快速充電過程中，根據(jù)電池的荷電狀態(tài)預(yù)測其可接受電流，保證充電電流符合馬斯的最佳充電曲線，析氣率低，對(duì)電池?zé)o損害[4]。 ANFIS預(yù)測電池的可接受電流基本思想是：在充電過程中，動(dòng)態(tài)檢測電池的狀態(tài)參數(shù)作為ANFIS預(yù)測模型的輸入，通過模糊推理得出當(dāng)前的可接受電流ick，當(dāng)預(yù)測值ick與期望值icp的誤差不滿足要求時(shí)，自適應(yīng)模糊控制器產(chǎn)生控制響應(yīng)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力，自適應(yīng)地修正隱含層的輸出結(jié)果，更新各層之間的連接權(quán)值，優(yōu)化模糊參數(shù)，重新計(jì)算輸出結(jié)果，直至誤差滿足要求才輸出預(yù)測結(jié)果，從而改變當(dāng)前的充電電流，使實(shí)際的充電電流始終逼近或等于可接受電流。同時(shí)，引入負(fù)脈沖充電消除極化效應(yīng)。

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要包括電源電路、充電/放電電路、電流檢測和保護(hù)控制電路的3部分。

3.1 電源電路

為了縮小體積，提高系統(tǒng)的功率密度，選用Power Integrations公司生產(chǎn)的TOPSwitch-Ⅱ系列TOP224Y設(shè)計(jì)電源電路。該系列開關(guān)電源芯片是將PWM控制電路、保護(hù)電路和功率開關(guān)集成到同一芯片上，具有集成度高、工作效率高和外圍電路設(shè)計(jì)簡單的特點(diǎn)，非常方便于150 W以下的反激型開關(guān)電源設(shè)計(jì)[4]。電源電路如圖2所示。

圖2 24 V/40 W電源電路Fig.2 24 V/40 W power supply circuit

設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)如下：

1）輸入電壓：Uac=220（1±20%）V；2）輸入電壓頻率： f=50（1±5%）Hz；3）輸出電壓/最大輸出功率：24 V/40 W；4）開關(guān)電源效率：η≥80%。

交流輸入電壓Uac經(jīng)過壓敏電阻R1濾除交流電壓中的尖峰脈沖后，經(jīng)電磁干擾（EMI）濾波器（C1，L1）濾除差模和共模干擾。之后經(jīng)過BR全波整流及C2濾波后產(chǎn)生直流高壓，給高頻變壓器的初級(jí)繞組供電。P6KE200（瞬態(tài)電壓抑制器）和BYV26C（超快恢復(fù)二極管）構(gòu)成鉗位電路，用于吸收在TOP224Y關(guān)斷時(shí)由高頻漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，并能衰減振鈴電壓，對(duì)漏極起到保護(hù)作用。次級(jí)電路經(jīng)過VD3、C3、L2和C4整流濾波輸出24 V的電壓U0。由TL431A構(gòu)成的外部誤差放大器實(shí)現(xiàn)U0的動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓，當(dāng)輸出電壓發(fā)生波動(dòng)，經(jīng)R4、R5分壓后得到取樣電壓，就與TL431A內(nèi)的基準(zhǔn)電壓（2.5 V）進(jìn)行比較產(chǎn)生一個(gè)外部控制信號(hào)，再通過線性光耦合器PC817A改變TOP224Y控制電流，進(jìn)而調(diào)節(jié)占空比使U0趨于穩(wěn)定。C7濾除加在控制端的尖峰電壓，還與R2、R5一起對(duì)控制回路進(jìn)行補(bǔ)償。R3為最小輸出負(fù)載，用于提高輕載時(shí)的電壓穩(wěn)定度。

3.2 充電電路

充電電路如圖3所示。

圖3 充電電路原理圖Fig.3 Charging circuit

充電電路采用 Buck型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，C1、L1、C2構(gòu)成 π 型濾波器可以濾除直流電壓中的高頻分量，其中L1是差模電感。經(jīng)濾波輸出后，PV為Buck變換器輸入電源，同時(shí)也是單片機(jī)控制系統(tǒng)的前級(jí)輸入電源。L2是輸出濾波電感、C5是輸出濾波電容、Q3為功率開關(guān)管、D3為續(xù)流二極管。充電電路輸入電壓范圍 Ui=20～28 V，輸出電壓范圍 U0=3～18 V，負(fù)載輸出電流I0=0～3.5 A，開關(guān)頻率fS=20 kHz，紋波電壓小于1%即ΔU0/U0≤1%，當(dāng)負(fù)載電流I0在0～0.4 A時(shí)，Buck電路工作在電感電流不連續(xù)模式；當(dāng)負(fù)載電流I0在0.4～3.5 A時(shí)，電路工作在電感電流連續(xù)模式[5]。

3.3 負(fù)脈沖放電電路

鎳鎘電池具有記憶效應(yīng)，在對(duì)鎳鎘電池充電前先對(duì)其放電，消除記憶效應(yīng)。同時(shí)，在鎳鎘電池的快速充電過程中，為了消除電池極化的影響，引入間歇負(fù)脈沖的放電，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了放電電路。放電電路由4個(gè)5 Ω/3 W功率電阻（瞬間短時(shí)間放電）和4個(gè)控制開關(guān)組成。

3.4 電流檢測及保護(hù)電路

電流檢測及過流保護(hù)電路如圖4所示。電流采樣輸入端接電池組負(fù)端（BAT-），BAT-與地之間為功率開關(guān)管IRF7805和康銅絲采樣電阻RS（29 mΩ），開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)漏源極之間導(dǎo)通電阻 RDS（on）為 11 mΩ，利用 RS+RDS（on）端的壓降來檢測電流。

圖4 電流檢測及保護(hù)電路Fig.4 Current-detecting and protection curcuit

過流時(shí)（電流超過4 A），經(jīng)比較器U2A輸出低電平過流信號(hào) （FAULT），該信號(hào)送入XC164CM的中斷陷阱引腳觸發(fā)單片機(jī)硬件中斷，此外，當(dāng)FAULT為低電平時(shí)，經(jīng)比較器U2B，輸出低電平信號(hào)，也迫使PWM輸出為低電平，強(qiáng)行關(guān)閉開關(guān)管Q3，確保系統(tǒng)安全。

4 軟件設(shè)計(jì)

智能充電器的軟件設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)主程序、鎳鎘電池快速充電子程序、ANFIS預(yù)測電流子程序和故障報(bào)警程序等，使用C語言和匯編語言混合編程，在Keil C166軟件開發(fā)平臺(tái)上完成。系統(tǒng)軟件對(duì)XC164單片機(jī)特殊功能寄存器SFR的設(shè)置在START_V2.A66中使用匯編語言文件，而整個(gè)充電系統(tǒng)的控制程序采用C語言文件。

系統(tǒng)上電后進(jìn)入初始化，讀取E2PROM中的參數(shù)，完成各中斷寄存器和I/O口的功能設(shè)置，給相應(yīng)單元賦初始值。完成后進(jìn)入待機(jī)等待狀態(tài)。充電開始，先檢測是否有電池連接，若檢測到有電池接入，則進(jìn)入電池的快速充電過程，其流程圖如圖5所示。ANFIS預(yù)測可接受電流子程序如圖6所示。

圖5 單節(jié)鎳鎘電池智能充電流程圖Fig.5 A single Ni-Cd cell intelligent charging flow chart

所有的控制程序都由通過中斷完成，包括由T12周期中斷實(shí)現(xiàn)ANFIS預(yù)測電流和充電電流的控制，由T3周期中斷實(shí)現(xiàn)充電控制和去極化子程序控制，以及由CCU6硬件陷阱中斷實(shí)現(xiàn)供電過流/短路保護(hù)。

圖6 ANFIS預(yù)測可接受電流子程序圖Fig.6 Flow chart of ANFIS predicts acceptable charging-current subroutine

對(duì)于鎳鎘電池的快速充電階段，采用自適應(yīng)跟蹤電池可接受電流變化和負(fù)脈沖充電相結(jié)合的方法。在A-C段，每2分鐘檢測電池的電壓和電流信息，作為ANFIS模型的輸入數(shù)據(jù)，通過ANFIS預(yù)測下一時(shí)刻電池的可接受電流ick，直到預(yù)測結(jié)果滿足要求才輸出ick，送給微處理器作為實(shí)際的充電電流大小，通過單片機(jī)控制調(diào)整充電電路的輸出電壓，給電池提供ick的電流進(jìn)行恒流充電。在A-B段，采用間歇負(fù)脈沖消除極化效應(yīng)。開始停充2 ms消除歐姆極化，之后采用大小約為充電電流的2.5倍的放電電流放電3 ms，有效的消除濃度差極化和電化學(xué)極化，放電終止5 ms后充電電流重新啟動(dòng)。當(dāng)電池充入85%的電量時(shí)，接近充足電；此后，電池的極化現(xiàn)象嚴(yán)重，這時(shí)，即使加入負(fù)脈沖去極化后，蓄電池可接受的充電電流仍然很小。因此，在檢測到充電電流ic≤I0/10后，停止調(diào)用負(fù)脈沖去極化子程序。

5 試驗(yàn)結(jié)果

鎳鎘電池的智能充電過程，電池的最大充電電流約為8.75 A，約經(jīng)過2.3小時(shí)，在2.65小時(shí)電壓升至17.6 V，充電電流減少為400 mA（約為0.1 C的電流），當(dāng)檢測到100 mV的電壓跌落后，終止充電，充滿指示燈亮，共計(jì)充電時(shí)間2.85小時(shí)，在整個(gè)充電過程中，充電前期電流較大，前50分鐘的充電電流大于2 A，能較快的給電池充入電量；而在充電時(shí)間為100分鐘時(shí)充電電流約為1 A（為0.22 C），這時(shí)充入的電量為65%C；而充電后期電流下降至很低，完全符合電池自身的充電特性。期間由于負(fù)脈沖的引入，大大減小極化的影響，消除了由于極化現(xiàn)象引起的溫度升高和氣泡的產(chǎn)生，所以，整個(gè)充電過程電池最高溫度為38.5℃。充電電流曲線如圖7所示。負(fù)脈沖波形如圖8所示。

6 結(jié) 論

圖7 充電電流曲線Fig.7 Charging-current curve

圖8 充電電流為2.2 A時(shí)的負(fù)脈沖Fig.8 Negative pulse current when charged with 2.2 A

通過對(duì)鎳鎘電池的充電特性進(jìn)行深入研究，得出電池在某種荷電狀態(tài)下的充電接受率是一定的，文中創(chuàng)新地提出應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測功能和模糊控制的決策規(guī)則對(duì)電池的可接受電流進(jìn)行預(yù)測，并利用英飛凌的單片機(jī)設(shè)計(jì)相關(guān)的硬件電路。所設(shè)計(jì)的充電器在速充電過程中引入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANFIS預(yù)測電池的可接受電流，保證充電電流逼近電池的可接受電流，電池在理想的狀態(tài)下充電，充電效率高，實(shí)現(xiàn)了安全快速無損充電，充電品質(zhì)高，解決了快速充電和電池的使用壽命之間的矛盾。

[1]黃正佳，袁永斌.智能電池模塊[J].電源技術(shù)，2002（12）：379-382.HUANG Zheng-jia，YUAN Yong-bin.Intelligent battery module[J].Power Technology，2002（12）:379-382.

[2]Gonzalez M，F(xiàn)erro F J，Anton J C.Considerations to improve the practical design of universal andfull-effective NiCd/NiMH battery fast-chargers[J].IEEE Trans.IE，1999，51（4）：167-173.

[3]Lima F，Ramalho J N，Tavares D.A novel universal battery charger for NiCd，NiMH，Li-Ion and Li-Polymer[J].IEEE Trans.IE，2003，30（3）：209-212.

[4]Brow M.Power Supply CookBook[M].England:Elsevier Science Ltd，2004.

[5]張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1998.

[6]吳志紅，朱元，王光宇.英飛凌16位單片機(jī)XC164CS的原理與基礎(chǔ)應(yīng)用[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2006.