蓄電池高能脈沖充電系統設計

張秀芳，宮 麗，荊丙禮

（西安歐亞學院 信息工程學院，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：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時控制，充電效果較好。

本文充電方法屬于第3種充電方法，是基于微計算機過程控制的PWM高能脈沖充電系統。本系統采用CORTEX M3 32位微處理器作為過程控制核心，對電壓、電流、動態內阻及溫度等參數進行檢測；充電源采用基于超級電容的高能脈沖技術，PWM控制技術實現了系統的實時性和動態控制功能；新器件、新技術的應用大幅縮短了充電時間，拓寬了蓄電池充電技術的設計思路。

1 系統方案設計

現代快充設備，幾乎毫無例外地均采用脈沖充電技術，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題：1）脈沖間歇期客觀上抵消快充效果；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）要求線路電阻足夠小，特別在對大負載設備充電時；4）同樣存在電池發熱問題。基于上述原因，脈沖充電技術的應用，仍然存在技術瓶頸，亟待解決。

為了克服現有脈沖充電技術的問題。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題；采用現代測控原理和計算機過程控制技術，解決智能、安全充電問題[6]。

為實現安全充電，本系統采用基于Cortex-M3架構的32位微處理器的電壓/溫度雙環控制系統，實時監測電壓、電流、溫度、動態內阻等主要參量，實現系統的閉環控制和充電計量，控制系統框圖如圖1所示。

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

基于全參數監測和計算機過程控制設計，能精確測控電池電壓、充電電流和電池溫升，滿足電池安全可靠工作的條件，確保快充對電池性能不會產生不良影響。

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，同時提供先進的計算性能和良好的中斷系統響應。具有優異的實時性能，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啟動通常只需要40μs就可以進入運行狀態。內部高度集成，內置高速存儲器，豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設。包含3個12位的ADC、4個通用16位定時器和2個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：2個 I2C、3個 SPI、2個 I2S、1個SDIO、5個USART、1個USB和1個CAN。杰出的功耗控制，當代碼從Flash中以72 MHz的全速運行時，在外設時鐘開啟時，STM32僅消耗36mA電流（0.5mA/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，當充放電過程遇到一系列情況時，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控制應用場合[7－8]。

2 高能脈沖源設計

脈沖充電技術采用的脈沖源的負載能力是快充的重要技術部分之一，本設計基于超級電容和微計算機邏輯控制技術，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點：能量密度高；充電速度快；使用壽命長；儲能效率高；高可靠性；對環境無污染等。目前，超級電容被廣泛應用到電動汽車、脈沖電壓系統、應急電源及航天航空等領域。將超級電容應用到充電系統，首先要解決均衡和發熱問題，本系統將微計算機邏輯控制技術和超級電容技術相結合，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。

圖2 高能脈沖源負阻特性模擬波形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。

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

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41.77W，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，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）進行對比，充電效果對比如圖4所示。

圖4 充電效果對比Fig.4 Comparison of the charging effect

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：啟能－225mAh；鎧爾－312 mAh；樣機－1122mAh。

2）放電時間對比：啟能－29 min；鎧爾－40 min；樣機－138 min。

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

4 結束語

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勢，為快充技術應用和產業化另辟新路，可拓展應用于移動設備、電動摩托、電力拖動及電動汽車等大、中、小容量的電池快速充電。電源及電力設備稍作擴容，可實現智能、快速充電功效，具有非常高的市場應用前景。

[1]鄭益飛，歐陽名三，何世明．礦用電機車蓄電池充電方法的研究與應用[J].煤礦安全，2008，39（9）:68－70.ZHENG Yi-fei，OUYANG Ming-san，HE Shi-ming.Research and application of charging method of battery in mining electric locomotive[J].Safety in Coal Mines，2008，39（9）:68－70.

[2]丁力.基于PWM反饋控制的蓄電池快速充電系統設計[J].儀表技術，2011（7）:22－24.DING Li.Design of fast charge system of battery based on PWM feedback control[J].Instrumentation Technology，2011（7）:22－24.

[3]XU Qing-shan，BIAN Hai-hong，ZHAO Wei-ran．AEDLC charging performance formicrogrid applications[J].Journal of SoutheastUniversity（English Edition），2010，26（3）:415－420.

[4]趙焱.蓄電池快速充電與狀態監測平臺的設計與實現[D].北京：北京工業大學，2009.

[5]白婷.鋰離子電池間歇－正負脈沖優化充電方法研究[D].湖北：湖北工業大學，2014.

[6]荊丙禮.基于嵌入式微控制器的超級電容高能脈沖源[P].中國：CN103545890A，2014，1，29.

[7]STMicroelectronics.STM32F10XXX Reference Manual英文第7版[EB/OL].（2008－12）[2014－12－116]http://www.st.com.

[8]張洪濤，彭瀟麗.基于STM32處理器的鋰電池快速充電設計[J].湖北工業大學學報，2012，27（2）：8－10.ZHANG Hong-tao，PENG Xiao-li.Design of lithium batteries fast charging based on STM32 processor[J].Journal of Hubei University of Technology，2012，27（2）:8－10.