便携式超级电容充电仪的研究

路宗强，陈颖峰，薛大欢

（1.承德石油高等专科学校，河北承德067000；2.中国石油大学（北京）地球物理与信息工程学院，北京102200）

便携式超级电容充电仪的研究

路宗强1，陈颖峰1，薛大欢2

（1.承德石油高等专科学校，河北承德067000；2.中国石油大学（北京）地球物理与信息工程学院，北京102200）

设计一款超级电容智能充电仪，实现对超级电容充电过程中的充电时间、电流、功率等参数的智能化实时监控，达到闭环控制的目标。以STM32F103RBT6为处理器核心，采用虚拟仪器技术及CAN总线技术，接收采集发送过来的信号，根据模糊算法策略判断，通过CAN读取设备参数信息或向外输出恒流信号。具有比传统的串行通信效率高、准确率高等特点，系统硬件集成度高、体积小、外形设计扁平化，易于携带，实现了小型化、智能化、便携式等目标。

STM32；超级电容；模糊算法；CAN总线

随着科技的发展，传统设备智能化是工业发展的潮流，给移动设备充电的设备需更新换代，便携式超级电容智能充电仪的设计理念呼之欲出。在国内外，新能源的革新换代十分迅速，超级电容组很有可能取代落后污染的铅蓄电池储能，现在已经应用到新能源开发、智能车研制、汽车启动系统等方面，成为了当前新兴储能技术研发应用的热点。以前的超级电容组充电方式会增加超级电容的充电时间、更换超级电容储能装置的频次过大，没能完全充分发挥出超级电容应有的储能品质。因此，系统采用可编程处理器、模糊控制、CAN通信技术，智能控制超级电容的充放电，提高了超级电容的充电效率，达到低碳环保的目的。

1 系统设计理论分析

1.1 电容储能量变化分析

根据超级电容储能参数特性以及欧姆定律、焦耳定律分析，充电仪采用恒流模式充电，在充电过程中任意t时刻电容储能量表示为

由式（1）～式（3）分析可知，储能量Et与I，U，C等参数有关，由理论分析向应用设计转换，需考量这几项参数的实际工作误差，可以采用控制变量法研究各个参数对电容储能量的影响差别，然后综合各个参数的变化情况找到最佳参数工作值，实现最佳参数性能的配置。

图1表示储能量Et与充电电流I的映射关系，通过实验得到x与y的一组数据对(xi，yi)（i=1，2，…，m），其中各xi是彼此不同的。希望用一类与数据的变化规律相适应的解析表达式，y=f(x，c）来反映x与y之间的依赖关系，使用软件Matlab7.0对Et和I进行了数据拟合、回归分析，即拟合曲线函数为

图1 储能量与充电电流变化图Fig.1 Stored energy and the charge current change chart

1.2 模糊控制算法研究

选择STM32F103RBT6这款芯片作为处理器，将模糊控制算法嵌入到Cortex-M3核，根据系统软件设计框架，采用Mamdani模糊推理型多输入、单输出结构。

通过对采集主电路桥式整流电路输出电压、高频变压器输出电流和电压、IGBT温度4个信号的实时检测，得到实际电压值的数字量，取信号中电流值与变化率最大的一组数据，再将所选时间段实际充电电流平均值与设定值进行差分，得到电流变化误差数字量e与ec，则作为模糊控制器的输入，最终经软件算法处理得到充电电流随时间变化的曲线。故可以取实际测量电流偏差e和偏差变化率ec为模糊变量，取超级电容电流控制Δu为模糊控制器的输出u。实验测量电流偏差e的基本论域为：[-1v，1v]，e的模糊论域为：[-5，-4， -3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5]，那么误差e的量化因子为1/5。偏差变化率ec与输出变量u模糊论域为：[-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5]，由长时间的调试、仿真、调试等，依据数据对（x，y）和变化曲线规律，得到下面的逻辑控制规则：

If e＝NB and ec＝NB then u＝PB；

If e＝NM and ec＝NM then u＝PB；

⋮

经统计，共52条类似的控制规则，具体归纳后见表1。

表1 模糊控制规则表Tab.1 Fuzzy control rule table

2 电容充电仪基本原理

系统上电后，初始化硬件基本配置，调用CAN接收函数，读取电容组的状态信息，检测采集的状态数据与系统设置数据，正常匹配且输出没有断短路、缺相等设备故障，依据模糊控制算法，确定充电模式，STM32控制系统即发出指令，固态继电器吸合，接通主电路的380 V高压电源，最终输出满足要求的直流电。

3 充电仪设计方案

超级电容智能充电仪系统主要由主电路和控制电路构成，本文设计控制系统，控制电源电路给超级电容组充电，根据采集到的数据来判断电源电路的状态，正确则忽略错误反馈给微处理器，发出控制命令，对于整流电路输出电压，变频器输出电压、电流，IGBT管温度判断电源电路供电性能，反馈给微处理器来处理，其系统构成如图2所示。

图2 超级电容智能充电仪的系统构成框图Fig.2 Super capacitor smart charger systemconfiguration block diagram

4 充电仪测试评估

4.1 充电实验测试

充电仪对恒定电流设置模式运行时的精度进行了测试。实验分为5个时间段，分别测试输出电压、输出电流等参数精度，通过对超级电容充电特性测试可知，恒定电流模式下充电，随着时间的变化输出电压电流变化缓慢，达到了恒定参数输出的效果。测试的数据见表2。

表2 恒定电流充电的输出精度Tab.2 Constant current charging output accuracy

4.2 充电效率分析

实验过程中，首先设定充电电流区间为0～50 A进行充电，从表盘示数显示充电效率比较低；其次设定充电电流区间为50～70 A进行充电，可以看出充电效率明显的升高；在充电电流大于70 A时，逐渐增大电流值，发现充电效率指数开始下降，即充电电流达到转折点，其对应着充电效率最高；第3阶段选择继续增大充电电流，充电效率急剧下降。通过实验测试，应该综合考虑超级电容器的储能量、最佳充电电流区间以及分析充电效率，最大效率地满足用户实际需求并实现超级电容器的最佳参数配置。

5 结论

本文基于模糊算法控制的超级电容智能充电仪控制系统，从软硬件进行分析设计，在传统充电设备的基础上增加了智能控制电路，在软件上增加了模糊算法，实现了闭环自动调节控制的功能。本设计方案缩短了超级电容的充电时间，提升了充电仪充电效率，延长了超级电容的使用寿命。满足当前给超级电容储能设备充电要求，具有良好的市场前景。

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Research on Portable Super Capacitor Charging Instrument

LU Zong⁃qiang1，CHEN Ying⁃feng1，XUE Da⁃huan2
（1.Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China；2.The Earth Physics and Information Engineering Institute，China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102200，China）

Designed a super capacitor intelligent charging device，achieving the charging time，current，power and other parameters of intelligent real⁃time monitoring in the super capacitor charging process，to achieve the goal of closed⁃loop control.In the core of STM32F103RBT6 processor，virtual instrument technology and CAN bus technology had been used，which was to receive the signal from the sending acquisition，what′s more，it would decise based on fuzzy algorithm，read parameter information of the device or outward output current signal via CAN.It will be provided with the high efficiency，high accuracy and other characteristics than traditional serial communication，the features of system hardware are highly integrated，small size and beautiful design flat，which is easy to carry，it has achieved the miniaturization，intelligent，portable and other targets.

STM32；super capacitor；fuzzy algorithm；CAN bus

TB472

A

2015-04-15

修改稿日期：2015-07-28

路宗强（1971-），男，硕士，Email：zongqiang_11@163.com