蓄電池高能脈沖充電系統設計

摘要：為了縮短蓄電池充電時(shí)間，設計出一種基于超級電容的高能脈沖源快速充電系統。該系統利用超級電容和微計算機邏輯控制技術(shù)，實(shí)現了具有負阻輸出特性的高能脈沖源。系統過(guò)程控制基于Cortex—M3架構的Ⅱ代嵌入式微計算機，系統檢測采用多參量相干檢測、電壓矢量檢測和溫度矢量檢測等前沿技術(shù)。實(shí)測結果表明，樣機實(shí)現了快速充電、減少脈沖源對電源污染的主要預期目標。

目前基本的快速充電方法主要有以下幾種：

1)間歇充電方法：充-停-充。這種充電方法控制簡(jiǎn)單。

2)間歇充、放電系統：充-停-放-充。這種方法的控制相對復雜。

3)基于微計算機控制的脈沖充、放電系統。這種充電方法，具有多參數檢測及實(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，是基于微計算機過(guò)程控制的PWM高能脈沖充電系統。本系統采用CORTEXM3 32位微處理器作為過(guò)程控制核心，對電壓、電流、動(dòng)態(tài)內阻及溫度等參數進(jìn)行檢測;充電源采用基于超級電容的高能脈沖技術(shù)，PWM控制技術(shù)實(shí)現了系統的實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)控制功能;新器件、新技術(shù)的應用大幅縮短了充電時(shí)間，拓寬了蓄電池充電技術(shù)的設計思路。

1 系統方案設計

現代快充設備，幾乎毫無(wú)例外地均采用脈沖充電技術(shù)，這對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(wèn)題：1)脈沖間歇期客觀(guān)上抵消快充效果;2)脈沖電流幅值遠大于恒壓或恒流充電的均值電流，對脈沖源的負載能力有特殊要求;3)要求線(xiàn)路電阻足夠小，特別在對大負載設備充電時(shí);4)同樣存在電池發(fā)熱問(wèn)題?；谏鲜鲈?，脈沖充電技術(shù)的應用，仍然存在技術(shù)瓶頸，亟待解決。

為了克服現有脈沖充電技術(shù)的問(wèn)題。本設計采用基于超級電容和微計算機邏輯控制的負阻輸出特性高能脈沖源，解決普通脈沖源負載能力差的問(wèn)題;采用現代測控原理和計算機過(guò)程控制技術(shù)，解決智能、安全充電問(wèn)題。

為實(shí)現安全充電，本系統采用基于Cortex—M3架構的32位微處理器的電壓/溫度雙環(huán)控制系統，實(shí)時(shí)監測電壓、電流、溫度、動(dòng)態(tài)內阻等主要參量，實(shí)現系統的閉環(huán)控制和充電計量，控制系統框圖如圖1所示。

基于全參數監測和計算機過(guò)程控制設計，能精確測控電池電壓、充電電流和電池溫升，滿(mǎn)足電池安全可靠工作的條件，確?？斐鋵﹄姵匦阅懿粫?huì )產(chǎn)生不良影響。

系統控制核心芯片采用STM32芯片，STM32芯片使用高性能的ARM Cortex—M3 32位的RISC內核，工作頻率最大可以達到72 MHz，同時(shí)提供先進(jìn)的計算性能和良好的中斷系統響應。具有優(yōu)異的實(shí)時(shí)性能，從停機模式喚醒通常只需要不到10μs，而從待機模式或復位狀態(tài)啟動(dòng)通常只需要40μs就可以進(jìn)入運行狀態(tài)。內部高度集成，內置高速存儲器，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線(xiàn)的外設。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，還包含標準和先進(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，當代碼從Flash中以72 MHz的全速運行時(shí)，在外設時(shí)鐘開(kāi)啟時(shí)，STM32僅消耗36 mA電流(0.5 mA/MHz)。在待機模式下，典型的耗電值僅為2μA。供電電壓為2.0～3.6 V，當充放電過(guò)程遇到一系列情況時(shí)，芯片能做出相應的快速處理。這些豐富的外設配置使得STM32微控制器適合電池充電控制等多種工業(yè)控制應用場(chǎng)合。

2 高能脈沖源設計

脈沖充電技術(shù)采用的脈沖源的負載能力是快充的重要技術(shù)部分之一，本設計基于超級電容和微計算機邏輯控制技術(shù)，研制出了負阻輸出特性高能脈沖源，解決普通脈沖源負載能力問(wèn)題。超級電容器是一種具有高能量密度的新型儲能元器件，它可提供超大功率并具有超長(cháng)的壽命，是一種兼備電容和電池特性的新型元件。超級電容器具有許多傳統電池不具備的優(yōu)點(diǎn)：能量密度高;充電速度快;使用壽命長(cháng);儲能效率高;高可靠性;對環(huán)境無(wú)污染等。目前，超級電容被廣泛應用到電動(dòng)汽車(chē)、脈沖電壓系統、應急電源及航天

航空等領(lǐng)域。將超級電容應用到充電系統，首先要解決均衡和發(fā)熱問(wèn)題，本系統將微計算機邏輯控制技術(shù)和超級電容技術(shù)相結合，研制出的脈沖源的負阻特性遠高于現在的普通

脈沖源。以下為該系統的高能脈沖源與普通脈沖源的負阻特性的對比。

1)高能源負阻特性模擬

高能源負阻特性如圖2所示。

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

2)普通脈沖源性負載特性模擬普通脈沖源性負載特性圖3所示。

3)性能比較

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

①電源電流：普通脈沖源：1.89 A;高能脈沖源：1.03～1.33 A。

②負載電流：普通脈沖源：1.87 A;高能脈沖源：4.57～4.55 A。

③負載端電壓：普通脈沖源：3.74 V;高能脈沖源：9.04～9.01 V。

4)結論

①電流驅動(dòng)能力：高能脈沖源可提供高達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41.77 W，而普通脈沖源僅為7.07 W。

④電源容量：若以高能源為參照，則普通脈沖源功率應提高5.91倍。

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

由此可見(jiàn)，高能脈沖源的負載能力遠較普通脈沖源高。

基于超級電容的高能脈沖源應用，具有兩大獨特優(yōu)勢：

1)提高脈沖源能比(能量/體積比);2)減小電源系統的噪聲污染。

3 測試結果分析

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

測試條件：相同鋰電池均充電25 min，并在同一放電系統測試的放電波形及參量對比。

結論：1)放電參量對比：?jiǎn)⒛?225 mAh;鎧爾-312 mAh;樣機-1122 mAh。

2)放電時(shí)間對比：?jiǎn)⒛?29 rain;鎧爾-40 min;樣機-138mm。

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

4 結束語(yǔ)

基于超級電容的高能脈沖源，綜合了脈沖負載能力強勁、設備能比高、電力系統污染小等獨特優(yōu)勢，為快充技術(shù)應用和產(chǎn)業(yè)化另辟新路，可拓展應用于移動(dòng)設備、電動(dòng)摩托、電力拖動(dòng)及電動(dòng)汽車(chē)等大、中、小容量的電池快速充電。電源及電力設備稍作擴容，可實(shí)現智能、快速充電功效，具有非常高的市場(chǎng)應用前景。