新型無(wú)損快速智能充電器的設計

摘要：當前的快速充電器不能遵循蓄電池自身的特性進(jìn)行快速充電，致使析氣多，溫升大，縮短電池的使用壽命。針對上述問(wèn)題，創(chuàng )新性地提出應用ANFIS對電池的可接受電流進(jìn)行預測，保證電池在最佳充電速率下快速無(wú)損充電。詳細介紹以單片機XC164CM為核心，完成新型快速無(wú)損智能充電器的設計，具有電流檢測和控制等功能。樣機測試表明，充電過(guò)程中析氣少，溫升低，充電效率高，解決了充電速率與電池壽命之間的矛盾。
關(guān)鍵詞：快速充電；可接受電流；電流預測；無(wú)損；單片機XC164

根據馬斯定理，對電池進(jìn)行快速無(wú)損充電，充電電流應等于或接近于當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(guò)程中對電池的損害。近來(lái)，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(méi)有考慮電池自身的充電特性，缺乏自適應能力，不能跟蹤電池充電特性的改變而動(dòng)態(tài)調節充電電流，導致充電電流大于電池能接受的電流，致使溫升過(guò)高對電池造成損害。
為此，需要設計一種新型的智能充電器，能對電池進(jìn)行安全、無(wú)損、快速充電。
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模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )(ANFIS)對電池在不同荷電狀態(tài)下的可接受電流進(jìn)行預測，從而調整實(shí)際充電電流；同時(shí)，充電中加入負脈沖去極化。在此基礎上，采用英飛凌公司的單片機XC164CM及外圍接口電路設計一種新型的快速無(wú)損智能充電器。

1 鎳鎘電池充電過(guò)程特性研究
單節鎳鎘電池的充電曲線(xiàn)如圖1所示。整個(gè)充電過(guò)程大致可分為4個(gè)階段。

當電池的端電壓低于1．2 V達到A點(diǎn)時(shí)，應立即停止放電，放電過(guò)深將導致溫升大。在充電過(guò)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(yíng)-B段電化學(xué)反應以一定的速率氧氣，氧氣又以同樣的速率與氫氣復合，所以，電池內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(guò)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)行停充檢測并階段進(jìn)行，在O-A階段采用小電流預充電；當達到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段小電流補充充電，最后到C-D段停充檢測。

2 快速無(wú)損充電策略
文獻中提到蓄電池可以簡(jiǎn)單的看作一個(gè)超大阻容器，電池的充電過(guò)程就可以看作一個(gè)RC電路的充電過(guò)程，其時(shí)間常數τ表征了充電的快慢，也就相當于馬斯曲線(xiàn)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t=3τ后，電池的可接受充電電流約為I0／20；當充電到t=5τ時(shí)，其時(shí)電池的可接受電流已經(jīng)很小。
由此，提出利用自適應模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )ANFIS預測電池的可接受電流。在電池的快速充電過(guò)程中，根據電池的荷電狀態(tài)預測其可接受電流，保證充電電流符合馬斯的最佳充電曲線(xiàn)，析氣率低，對電池無(wú)損害。ANFIS預測電池的可接受電流基本思想是：在充電過(guò)程中，動(dòng)態(tài)檢測電池的狀態(tài)參數作為ANFIS預測模型的輸入，通過(guò)模糊推理得出當前的可接受電流ick，當預測值ick與期望值icp的誤差不滿(mǎn)足要求時(shí)，自適應模糊控制器產(chǎn)生控制響應，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的自學(xué)習能力，自適應地修正隱含層的輸出結果，更新各層之間的連接權值，優(yōu)化模糊參數，重新計算輸出結果，直至誤差滿(mǎn)足要求才輸出預測結果，從而改變當前的充電電流，使實(shí)際的充電電始終逼近或等于可接受電流。同時(shí)，引入負脈沖充電消除極化效應。

3 硬件設計
系統硬件電路主要包括電源電路、充電／放電電路、電流檢測和保護控制電路的3部分。
3．1 電源電路
為了縮小體積，提高系統的功率密度，選用PowerIntegrations公司生產(chǎn)的TOPSwitch-Ⅱ系列TOP224Y設計電源電路。該系列開(kāi)關(guān)電源芯片是將PWM控制電路、保護電路和功率開(kāi)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計簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，非常方便于150 W以下的反激型開(kāi)關(guān)電源設計。電源電路如圖2所示。