蓄電池高能脈沖充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張秀芳，宮 麗，荊丙禮

（西安歐亞學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

目前基本的快速充電方法主要有以下幾種[1-5]：

1）間歇充電方法：充-停-充。這種充電方法控制簡單。

2）間歇充、放電系統(tǒng)：充-停-放-充。這種方法的控制相對(duì)復(fù)雜。

3）基于微計(jì)算機(jī)控制的脈沖充、放電系統(tǒng)。這種充電方法，具有多參數(shù)檢測(cè)及實(shí)時(shí)控制，充電效果較好。

本文充電方法屬于第3種充電方法，是基于微計(jì)算機(jī)過程控制的PWM高能脈沖充電系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用CORTEX M3 32位微處理器作為過程控制核心，對(duì)電壓、電流、動(dòng)態(tài)內(nèi)阻及溫度等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)；充電源采用基于超級(jí)電容的高能脈沖技術(shù)，PWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)控制功能；新器件、新技術(shù)的應(yīng)用大幅縮短了充電時(shí)間，拓寬了蓄電池充電技術(shù)的設(shè)計(jì)思路。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)代快充設(shè)備，幾乎毫無例外地均采用脈沖充電技術(shù)，這對(duì)于提高充電速度雖然有一定效果，但是仍然存在亟待解決的問題：1）脈沖間歇期客觀上抵消快充效果；2）脈沖電流幅值遠(yuǎn)大于恒壓或恒流充電的均值電流，對(duì)脈沖源的負(fù)載能力有特殊要求；3）要求線路電阻足夠小，特別在對(duì)大負(fù)載設(shè)備充電時(shí)；4）同樣存在電池發(fā)熱問題。基于上述原因，脈沖充電技術(shù)的應(yīng)用，仍然存在技術(shù)瓶頸，亟待解決。

為了克服現(xiàn)有脈沖充電技術(shù)的問題。本設(shè)計(jì)采用基于超級(jí)電容和微計(jì)算機(jī)邏輯控制的負(fù)阻輸出特性高能脈沖源，解決普通脈沖源負(fù)載能力差的問題；采用現(xiàn)代測(cè)控原理和計(jì)算機(jī)過程控制技術(shù)，解決智能、安全充電問題[6]。

為實(shí)現(xiàn)安全充電，本系統(tǒng)采用基于Cortex-M3架構(gòu)的32位微處理器的電壓/溫度雙環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓、電流、溫度、動(dòng)態(tài)內(nèi)阻等主要參量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制和充電計(jì)量，控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 基于32位MCU的雙環(huán)控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Structure diagram of the double loop control system based on 32 bitMCU

基于全參數(shù)監(jiān)測(cè)和計(jì)算機(jī)過程控制設(shè)計(jì)，能精確測(cè)控電池電壓、充電電流和電池溫升，滿足電池安全可靠工作的條件，確?？斐鋵?duì)電池性能不會(huì)產(chǎn)生不良影響。

系統(tǒng)控制核心芯片采用STM32芯片，STM32芯片使用高性能的ARM Cortex－M3 32位 的RISC內(nèi)核，工作頻率最大可以達(dá)到72 MHz，同時(shí)提供先進(jìn)的計(jì)算性能和良好的中斷系統(tǒng)響應(yīng)。具有優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能，從停機(jī)模式喚醒通常只需要不到10μs，而從待機(jī)模式或復(fù)位狀態(tài)啟動(dòng)通常只需要40μs就可以進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。內(nèi)部高度集成，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。包含3個(gè)12位的ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：2個(gè) I2C、3個(gè) SPI、2個(gè) I2S、1個(gè)SDIO、5個(gè)USART、1個(gè)USB和1個(gè)CAN。杰出的功耗控制，當(dāng)代碼從Flash中以72 MHz的全速運(yùn)行時(shí)，在外設(shè)時(shí)鐘開啟時(shí)，STM32僅消耗36mA電流（0.5mA/MHz）。在待機(jī)模式下，典型的耗電值僅為2μA。供電電壓為2.0～3.6 V，當(dāng)充放電過程遇到一系列情況時(shí)，芯片能做出相應(yīng)的快速處理。這些豐富的外設(shè)配置使得STM32微控制器適合電池充電控制等多種工業(yè)控制應(yīng)用場合[7－8]。

2 高能脈沖源設(shè)計(jì)

脈沖充電技術(shù)采用的脈沖源的負(fù)載能力是快充的重要技術(shù)部分之一，本設(shè)計(jì)基于超級(jí)電容和微計(jì)算機(jī)邏輯控制技術(shù)，研制出了負(fù)阻輸出特性高能脈沖源，解決普通脈沖源負(fù)載能力問題。超級(jí)電容器是一種具有高能量密度的新型儲(chǔ)能元器件，它可提供超大功率并具有超長的壽命，是一種兼?zhèn)潆娙莺碗姵靥匦缘男滦驮?。超?jí)電容器具有許多傳統(tǒng)電池不具備的優(yōu)點(diǎn)：能量密度高；充電速度快；使用壽命長；儲(chǔ)能效率高；高可靠性；對(duì)環(huán)境無污染等。目前，超級(jí)電容被廣泛應(yīng)用到電動(dòng)汽車、脈沖電壓系統(tǒng)、應(yīng)急電源及航天航空等領(lǐng)域。將超級(jí)電容應(yīng)用到充電系統(tǒng)，首先要解決均衡和發(fā)熱問題，本系統(tǒng)將微計(jì)算機(jī)邏輯控制技術(shù)和超級(jí)電容技術(shù)相結(jié)合，研制出的脈沖源的負(fù)阻特性遠(yuǎn)高于現(xiàn)在的普通脈沖源。以下為該系統(tǒng)的高能脈沖源與普通脈沖源的負(fù)阻特性的對(duì)比。

1）高能源負(fù)阻特性模擬

高能源負(fù)阻特性如圖2所示。

圖2 高能脈沖源負(fù)阻特性模擬波形Fig.2 Simulation waveforms of the high－energy pulse source's negative resistance output characteristics

仿真特性表明，脈沖源僅需提供最大1.33 A電流，負(fù)載便可獲得4.57 A電流。

2）普通脈沖源性負(fù)載特性模擬

普通脈沖源性負(fù)載特性圖3所示。

3）性能比較

比較相同負(fù)載和10 V電源條件時(shí)的電源電流、負(fù)載電流和負(fù)載端電壓。

①電源電流：普通脈沖源：1.89 A；高能脈沖源：1.03～1.33 A。

圖3 普通脈沖源負(fù)載特性模擬波形Fig.3 Simulation waveforms of the common pulse source's negative resistance output characteristics

②負(fù)載電流：普通脈沖源：1.87 A；高能脈沖源：4.57～4.55 A。

③負(fù)載端電壓：普通脈沖源：3.74 V；高能脈沖源：9.04～9.01 V。

4）結(jié) 論

①電流驅(qū)動(dòng)能力：高能脈沖源可提供高達(dá)4.57 A的充電電流，而普通脈沖源僅能提供1.89 A電流。

②負(fù)載電壓：高能脈沖源為9.14 V，而普通脈沖源則降至3.74 V。

③脈沖功率：高能脈沖源的脈沖功率為41.77W，而普通脈沖源僅為7.07W。

④電源容量：若以高能源為參照，則普通脈沖源功率應(yīng)提高5.91倍。

⑤電源噪聲污染：若以普通脈沖源為參照，則高能脈沖源對(duì)電源系統(tǒng)的噪聲污染可提高71.1%。

由此可見，高能脈沖源的負(fù)載能力遠(yuǎn)較普通脈沖源高。

基于超級(jí)電容的高能脈沖源應(yīng)用，具有兩大獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：1）提高脈沖源能比（能量/體積比）；2）減小電源系統(tǒng)的噪聲污染。

3 測(cè)試結(jié)果分析

將本系統(tǒng)的充電效果與市面上用的比較多的快充（北京凱爾和濟(jì)南啟能）進(jìn)行對(duì)比，充電效果對(duì)比如圖4所示。

圖4 充電效果對(duì)比Fig.4 Comparison of the charging effect

測(cè)試條件：相同鋰電池均充電25 min，并在同一放電系統(tǒng)測(cè)試的放電波形及參量對(duì)比。

結(jié)論：1）放電參量對(duì)比：啟能－225mAh；鎧爾－312 mAh；樣機(jī)－1122mAh。

2）放電時(shí)間對(duì)比：啟能－29 min；鎧爾－40 min；樣機(jī)－138 min。

3）充電速率（放電量比）：樣機(jī)是啟能產(chǎn)品的4.99倍；是鎧爾產(chǎn)品的3.60倍。

4 結(jié)束語

基于超級(jí)電容的高能脈沖源，綜合了脈沖負(fù)載能力強(qiáng)勁、設(shè)備能比高、電力系統(tǒng)污染小等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為快充技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化另辟新路，可拓展應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備、電動(dòng)摩托、電力拖動(dòng)及電動(dòng)汽車等大、中、小容量的電池快速充電。電源及電力設(shè)備稍作擴(kuò)容，可實(shí)現(xiàn)智能、快速充電功效，具有非常高的市場應(yīng)用前景。

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