新能源汽車快速充電系統的設計

熊 文，楊 川，王正旭，王凱立

(重慶理工大學電子信息與自動化學院，重慶 400054)

新能源汽車發展的主要起因是解決能源短缺、環境污染和氣候變暖問題。2010年3月底，國家發改委頒布《新能源汽車發展規劃》，將新能源汽車發展提高為國家戰略，這說明了發展新能源汽車是必然趨勢，同時也將是新能源汽車發展的重大契機［1］。電動汽車是一種新能源汽車的朝陽產業。伴隨著電動汽車的高速發展，一個隱含著的電池產業鏈也將發展起來，這些發展都與快速充電有莫大聯系。因此，必須要先解決好充電這個難題［2-4］。

本文主要設計一個利用超級電容實現新能源汽車快速充電的系統，解決了傳統動力電池在高功率輸出、快速充電、使用壽命等方面存在的問題?？焖俪潆娤到y要解決的關鍵問題有:向超級電容快速充電的充電機設計;超級電容向電池實現能量的轉換;超級電容容量和蓄電池蓄能量的實時測量;根據電容向電池充電的電流大小做PID調節，使之盡可能吻合電池最佳充電曲線，延長電池壽命，提高能量轉換效率。圖1是快速充電系統整體框圖。

圖1 系統整體框圖

1 超級電容充電系統設計

超級電容采用特殊的電極結構，電極表面積成萬倍地增加，從而產生極大的電容量。超級電容的這種極化作用可以儲存電能，并能實現電荷的快速貯存和釋放，輸出功率密度高達數kW/kg，是一般蓄電池的數十倍。

向超級電容快速充電共有恒電壓、恒電流、恒功率3種充電方式。恒功率充電方式在充電時間上更具有優勢，也是效率最高的選擇［5-6］，其原理是保持電壓和電流的乘積不變［7］。圖2為超級電容充電框圖，硬件由單相整流電路、雙管正激變換器、電流電壓檢測反饋電路及保護電路等部分組成。首先將交流電整流濾波為直流電，然后通過雙管正激變換器降壓，在電氣上實現輸入輸出的隔離。最后利用電流反饋環節，通過峰值電流控制，達到恒功率充電的目的。

圖2 超級電容充電框圖

2 超級電容向電池轉換能量系統設計

圖3為超級電容向電池換能框圖。采用“增強型”SMT32F103RC為核心控制模塊。增強型系列時鐘頻率能達到72 MHz，使用嵌入式系統使整個硬件電路的設計極大簡化。3個基本單元為boost升壓單元、buck降壓單元與檢測單元。系統通過CPU實時對A/D轉化的采樣電壓進行檢測，比對基準電壓后，進行升壓、降壓電路的切換［8-10］。

圖3 超級電容向電池換能

系統核心硬件原理如圖4所示。Buck、boost電路分別采用開關電源芯片LM2596和LM2587，它們具有很好的線性和負載調節特性，并且只需極少的外圍器件便可構成高效穩壓電路。電流傳感器TBC-10SY使用正負電源以得到很好的線性度，同時需對信號進行放大后才能采集(采用LM324同相放大)。在 OUTPUT處，由于 STM32的ADC識別范圍為0～3.3 V，所以電壓必須分壓后采集。

圖4 系統核心硬件原理

3 軟件設計

3.1 電量的測量

在整個充電過程中，必須對超級電容電量、蓄電池電量進行實時檢測。SOC是反映當前電池(電容)容量的狀態參數。本文通過測量SOC來達到實時檢測電量的目的。對于一階超級電容和蓄電池的SOC計算，可通過時安法得到一個關于SOC的非線性方程:其中:F［SOC(t)］是t時刻超級電容的電量;Q0是電池的額定電量。通過卡爾曼濾波遞推［11］進行狀態估計，可以直接得到SOC估計值數學方程如下:

狀態方程

測量方程

卡爾曼濾波計算的流程如圖5所示。

圖5 卡爾曼濾波計算流程

3.2 能量轉換控制流程

軟件流程如圖6所示。通過檢測電路，STM32對超級電容的電壓進行數據采樣。如果超級電容的電壓大于預設基準電壓6 V，由STM32判斷選擇BUCK電路，進行降壓變換，同時進行D/A轉換，得到反饋電壓作用于BUCK電路反饋端，使LM2596的片內饋壓自行調節PWM輸出。為了提高電路的抗干擾性，利用PID調節輸出電壓，得到穩定的輸出電壓;當超級電容的電壓小于預設基準電壓6V時，則切換到BOOST電路進行升壓變換，同樣產生反饋電壓，進行 PWM控制。通過BUCK和BOOST電路的變換和調節，得到最大功率的輸出對蓄電池進行充電。

圖6 軟件流程

4 數據測試

4.1 測試環境、儀器與測試內容

測試時間:2013-06-20

測試溫度:37℃

測試儀器:7 000 mAH可充鋰電池，萬用表，電腦，直流電源，示波器。

測試內容:霍爾傳感器原邊電流與副邊電流的線性度，充電效率計算，實際充電流程。

4.2 測試結果

測試結果見表1、2。

由測試數據可得原邊電流與副邊電流的轉換率約為0.55，基本滿足線性關系。

表1 霍爾電流傳感器測試數據

表2 充電效率統計

經計算，充電平均效率可達81.849 8%。

4.3 誤差分析與總結

從測試結果可以看出:電壓采集出來的數據精度更高。電壓信號強度大，要將它衰減到最大電壓值時，傳遞到STM32采集的電壓不超過3.3 V，那么在信號出現衰減的時候，干擾信號也會衰減，所以采集出來的電壓信號抗干擾能力較強。而電流信號則相反，信號偏小需要放大。在放大信號的同時，干擾信號隨之放大。

經測試，對于7 000 mAH可充鋰電池，由于電池的自動保護功能，電池電壓低于7 V后，電流開始實行自動保護，無法檢測電池容量。因此，電池從7 V開始充電，充電初有一涓流充電過程，此時充電電流低于2 A，電壓由7 V快速上升，電流也持續增加。當電壓上升到12 V時，充電進入恒流階段，電流保持2 A不變，電壓緩慢上升。當電壓上升到12.5 V時，充電進入恒壓階段，充電電壓保持12.5 V不變，電流持續下降。當電流下降到1.3 A時，充電結束。整個充電過程持續92 min。

5 結束語

新能源汽車勢必將逐漸取代傳統汽車，而蓄電池的充電則成為阻礙新能源汽車廣泛應用的難題。本文詳細闡述了利用超級電容實現新能源汽車快速充電系統的設計過程，并對電路的性能進行了測試。本文研究符合綠色能源發展的需要，解決了新能源汽車快速充電的問題，有助于推動相關技術的普及與應用。同時，系統的軟硬件設計采用了模塊化，增加了通用性、靈活性，不僅可實現本設計所需的快速充電功能，而且可擴展、延伸、應用于多種控制器的設計，因此有著較為廣泛的應用前景。

但是解決了快速充電問題并不意味著完善了對蓄電池充電的過程。為實現充電的便捷性，發展無線充電將是必然的趨勢。本設計未來可開發點陣式電源供電。新能源汽車快速充電將是一個長期熱門的議題。

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