蓄电池高能脉冲充电系统设计

张秀芳，宫 丽，荆丙礼

（西安欧亚学院 信息工程学院，陕西 西安 710065）

目前基本的快速充电方法主要有以下几种[1-5]：

1）间歇充电方法：充-停-充。这种充电方法控制简单。

2）间歇充、放电系统：充-停-放-充。这种方法的控制相对复杂。

3）基于微计算机控制的脉冲充、放电系统。这种充电方法，具有多参数检测及实时控制，充电效果较好。

本文充电方法属于第3种充电方法，是基于微计算机过程控制的PWM高能脉冲充电系统。本系统采用CORTEX M3 32位微处理器作为过程控制核心，对电压、电流、动态内阻及温度等参数进行检测；充电源采用基于超级电容的高能脉冲技术，PWM控制技术实现了系统的实时性和动态控制功能；新器件、新技术的应用大幅缩短了充电时间，拓宽了蓄电池充电技术的设计思路。

1 系统方案设计

现代快充设备，几乎毫无例外地均采用脉冲充电技术，这对于提高充电速度虽然有一定效果，但是仍然存在亟待解决的问题：1）脉冲间歇期客观上抵消快充效果；2）脉冲电流幅值远大于恒压或恒流充电的均值电流，对脉冲源的负载能力有特殊要求；3）要求线路电阻足够小，特别在对大负载设备充电时；4）同样存在电池发热问题。基于上述原因，脉冲充电技术的应用，仍然存在技术瓶颈，亟待解决。

为了克服现有脉冲充电技术的问题。本设计采用基于超级电容和微计算机逻辑控制的负阻输出特性高能脉冲源，解决普通脉冲源负载能力差的问题；采用现代测控原理和计算机过程控制技术，解决智能、安全充电问题[6]。

为实现安全充电，本系统采用基于Cortex-M3架构的32位微处理器的电压/温度双环控制系统，实时监测电压、电流、温度、动态内阻等主要参量，实现系统的闭环控制和充电计量，控制系统框图如图1所示。

图1 基于32位MCU的双环控制系统框图Fig.1 Structure diagram of the double loop control system based on 32 bitMCU

基于全参数监测和计算机过程控制设计，能精确测控电池电压、充电电流和电池温升，满足电池安全可靠工作的条件，确保快充对电池性能不会产生不良影响。

系统控制核心芯片采用STM32芯片，STM32芯片使用高性能的ARM Cortex－M3 32位 的RISC内核，工作频率最大可以达到72 MHz，同时提供先进的计算性能和良好的中断系统响应。具有优异的实时性能，从停机模式唤醒通常只需要不到10μs，而从待机模式或复位状态启动通常只需要40μs就可以进入运行状态。内部高度集成，内置高速存储器，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。包含3个12位的ADC、4个通用16位定时器和2个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：2个 I2C、3个 SPI、2个 I2S、1个SDIO、5个USART、1个USB和1个CAN。杰出的功耗控制，当代码从Flash中以72 MHz的全速运行时，在外设时钟开启时，STM32仅消耗36mA电流（0.5mA/MHz）。在待机模式下，典型的耗电值仅为2μA。供电电压为2.0～3.6 V，当充放电过程遇到一系列情况时，芯片能做出相应的快速处理。这些丰富的外设配置使得STM32微控制器适合电池充电控制等多种工业控制应用场合[7－8]。

2 高能脉冲源设计

脉冲充电技术采用的脉冲源的负载能力是快充的重要技术部分之一，本设计基于超级电容和微计算机逻辑控制技术，研制出了负阻输出特性高能脉冲源，解决普通脉冲源负载能力问题。超级电容器是一种具有高能量密度的新型储能元器件，它可提供超大功率并具有超长的寿命，是一种兼备电容和电池特性的新型元件。超级电容器具有许多传统电池不具备的优点：能量密度高；充电速度快；使用寿命长；储能效率高；高可靠性；对环境无污染等。目前，超级电容被广泛应用到电动汽车、脉冲电压系统、应急电源及航天航空等领域。将超级电容应用到充电系统，首先要解决均衡和发热问题，本系统将微计算机逻辑控制技术和超级电容技术相结合，研制出的脉冲源的负阻特性远高于现在的普通脉冲源。以下为该系统的高能脉冲源与普通脉冲源的负阻特性的对比。

1）高能源负阻特性模拟

高能源负阻特性如图2所示。

图2 高能脉冲源负阻特性模拟波形Fig.2 Simulation waveforms of the high－energy pulse source's negative resistance output characteristics

仿真特性表明，脉冲源仅需提供最大1.33 A电流，负载便可获得4.57 A电流。

2）普通脉冲源性负载特性模拟

普通脉冲源性负载特性图3所示。

3）性能比较

比较相同负载和10 V电源条件时的电源电流、负载电流和负载端电压。

①电源电流：普通脉冲源：1.89 A；高能脉冲源：1.03～1.33 A。

图3 普通脉冲源负载特性模拟波形Fig.3 Simulation waveforms of the common pulse source's negative resistance output characteristics

②负载电流：普通脉冲源：1.87 A；高能脉冲源：4.57～4.55 A。

③负载端电压：普通脉冲源：3.74 V；高能脉冲源：9.04～9.01 V。

4）结 论

①电流驱动能力：高能脉冲源可提供高达4.57 A的充电电流，而普通脉冲源仅能提供1.89 A电流。

②负载电压：高能脉冲源为9.14 V，而普通脉冲源则降至3.74 V。

③脉冲功率：高能脉冲源的脉冲功率为41.77W，而普通脉冲源仅为7.07W。

④电源容量：若以高能源为参照，则普通脉冲源功率应提高5.91倍。

⑤电源噪声污染：若以普通脉冲源为参照，则高能脉冲源对电源系统的噪声污染可提高71.1%。

由此可见，高能脉冲源的负载能力远较普通脉冲源高。

基于超级电容的高能脉冲源应用，具有两大独特优势：1）提高脉冲源能比（能量/体积比）；2）减小电源系统的噪声污染。

3 测试结果分析

将本系统的充电效果与市面上用的比较多的快充（北京凯尔和济南启能）进行对比，充电效果对比如图4所示。

图4 充电效果对比Fig.4 Comparison of the charging effect

测试条件：相同锂电池均充电25 min，并在同一放电系统测试的放电波形及参量对比。

结论：1）放电参量对比：启能－225mAh；铠尔－312 mAh；样机－1122mAh。

2）放电时间对比：启能－29 min；铠尔－40 min；样机－138 min。

3）充电速率（放电量比）：样机是启能产品的4.99倍；是铠尔产品的3.60倍。

4 结束语

基于超级电容的高能脉冲源，综合了脉冲负载能力强劲、设备能比高、电力系统污染小等独特优势，为快充技术应用和产业化另辟新路，可拓展应用于移动设备、电动摩托、电力拖动及电动汽车等大、中、小容量的电池快速充电。电源及电力设备稍作扩容，可实现智能、快速充电功效，具有非常高的市场应用前景。

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[4]赵焱.蓄电池快速充电与状态监测平台的设计与实现[D].北京：北京工业大学，2009.

[5]白婷.锂离子电池间歇－正负脉冲优化充电方法研究[D].湖北：湖北工业大学，2014.

[6]荆丙礼.基于嵌入式微控制器的超级电容高能脉冲源[P].中国：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]张洪涛，彭潇丽.基于STM32处理器的锂电池快速充电设计[J].湖北工业大学学报，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.