XC164CM的新型快速無損智能充電器設計

當前的快速充電器不能遵循蓄電池自身的特性進行快速充電，致使析氣多，溫升大，縮短電池的使用壽命。針對上述問題，創(chuàng)新性地提出應用ANFIS對電池的可接受電流進行預測，保證電池在最佳充電速率下快速無損充電。詳細介紹以單片機XC164CM為核心，完成新型快速無損智能充電器的設計，具有電流檢測和控制等功能。樣機測試表明，充電過程中析氣少，溫升低，充電效率高，解決了充電速率與電池壽命之間的矛盾。

　　根據(jù)馬斯定理，對電池進行快速無損充電，充電電流應等于或接近于當前電池所能接受的電流大小，以保證析氣率最低，減少快速充電過程中對電池的損害。近來，先進的智能控制技術(shù)被引入到快速充電技術(shù)中，用于停充電控制或充電模式選擇，提高控制精度和充電效率；但沒有考慮電池自身的充電特性，缺乏自適應能力，不能跟蹤電池充電特性的改變而動態(tài)調(diào)節(jié)充電電流，導致充電電流大于電池能接受的電流，致使溫升過高對電池造成損害。為此，需要設計一種新型的智能充電器，能對電池進行安全、無損、快速充電。

　　深入研究快速充電理論，從鎳鎘電池特性出發(fā)，創(chuàng)新性地提出引入自適應模糊神經(jīng)網(wǎng)絡（ANFIS）對電池在不同荷電狀態(tài)下的可接受電流進行預測，從而調(diào)整實際充電電流；同時，充電中加入負脈沖去極化。在此基礎上，采用英飛凌公司的單片機XC164CM及外圍接口電路提出一種新型的快速無損智能充電器的設計方案。

　　鎳鎘電池充電過程特性研究

　　單節(jié)鎳鎘電池的充電曲線如圖1所示。整個充電過程大致可分為4個階段。

　　圖1鎳鎘電池充電特性曲線

　　當電池的端電壓低于1.2V達到A點時，應立即停止放電，放電過深將導致溫升大。在充電過程中，主要的充電階段是A-B段，整個電池70%以上的能量都在這個階段充入，電壓上升速率慢。同時，在A-B段電化學反應以一定的速率氧氣，氧氣又以同樣的速率與氫氣復合，所以，電池內(nèi)部的溫升和氣體壓力都較低。這段時間適宜采用大電流快速充電，但其充電電流必須小于電池的可接受電流，否則將產(chǎn)生大量析氣，降低充電效率，溫升過高，致使損害電池。而在B-C段電池的端電壓上升很快，這時電池內(nèi)阻抗增加，適宜減小充電電流。在C-D段則進入停充階段，注意及時進行停充檢測并階段進行，在O-A階段采用小電流預充電；當達到A點時，進入快速充電階段，這里采用大電流脈沖智能充電；在B-C段小電流補充充電，最后到C-D段停充檢測。

　　快速無損充電策略

　　文獻中提到蓄電池可以簡單的看作一個超大阻容器，電池的充電過程就可以看作一個RC電路的充電過程，其時間常數(shù)τ表征了充電的快慢，也就相當于馬斯曲線中的衰減比α，則有τ=1/α。充電中電池的可接受電流的大小只與初始電流I0有關(guān)，當t=3τ后，電池的可接受充電電流約為I0/20；當充電到t=5τ時，其時電池的可接受電流已經(jīng)很小。

　　由此，提出利用自適應模糊神經(jīng)網(wǎng)絡ANFIS預測電池的可接受電流。在電池的快速充電過程中，根據(jù)電池的荷電狀態(tài)預測其可接受電流，保證充電電流符合馬斯的最佳充電曲線，析氣率低，對電池無損害。ANFIS預測電池的可接受電流基本思想是：在充電過程中，動態(tài)檢測電池的狀態(tài)參數(shù)作為ANFIS預測模型的輸入，通過模糊推理得出當前的可接受電流ick，當預測值ick與期望值icp的誤差不滿足要求時，自適應模糊控制器產(chǎn)生控制響應，通過神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習能力，自適應地修正隱含層的輸出結(jié)果，更新各層之間的連接權(quán)值，優(yōu)化模糊參數(shù)，重新計算輸出結(jié)果，直至誤差滿足要求才輸出預測結(jié)果，從而改變當前的充電電流，使實際的充電電始終逼近或等于可接受電流。同時，引入負脈沖充電消除極化效應。

　　硬件設計

　　系統(tǒng)硬件電路主要包括電源電路、充電/放電電路、電流檢測和保護控制電路的三部分。

　　1、電源電路

　　為了縮小體積，提高系統(tǒng)的功率密度，選用PowerIntegrations公司生產(chǎn)的TOPSwitch-Ⅱ系列TOP224Y設計電源電路。該系列開關(guān)電源芯片是將PWM控制電路、保護電路和功率開關(guān)集成到同一芯片上，具有集成度高、工作效率高和外圍電路設計簡單的特點，非常方便于150W以下的反激型開關(guān)電源設計。電源電路如圖2所示。

　　圖224V/40W電源電路

　　設計的性能指標如下：

　　1）輸入電壓：Uac=220（1±20%）V；2）輸入電壓頻率：f=50（1±5%）Hz；3）輸出電壓/最大輸出功率：24V/40W；4）開關(guān)電源效率：η≥80%.

　　交流輸入電壓Uac經(jīng)過壓敏電阻R1濾除交流電壓中的尖峰脈沖后，經(jīng)電磁干擾（EMI）濾波器（C1，L1）濾除差模和共模干擾。之后經(jīng)過BR全波整流及C2濾波后產(chǎn)生直流高壓，給高頻變壓器的初級繞組供電。P6KE200（瞬態(tài)電壓抑制器）和BYV26C（超快恢復二極管）構(gòu)成鉗位電路，用于吸收在TOP224Y關(guān)斷時由高頻漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，并能衰減振鈴電壓，對漏極起到保護作用。次級電路經(jīng)過VD3、C3、L2和C4整流濾波輸出24V的電壓U0.由TL431A構(gòu)成的外部誤差放大器實現(xiàn)U0的動態(tài)穩(wěn)壓，當輸出電壓發(fā)生波動，經(jīng)R4、R5分壓后得到取樣電壓，就與TL431A內(nèi)的基準電壓（2.5V）進行比較產(chǎn)生一個外部控制信號，再通過線性光耦合器PC817A改變TOP224Y控制電流，進而調(diào)節(jié)占空比使U0趨于穩(wěn)定。C7濾除加在控制端的尖峰電壓，還與R2、R5一起對控制回路進行補償。R3為最小輸出負載，用于提高輕載時的電壓穩(wěn)定度。

　　2、充電電路

　　充電電路如圖3所示。

　　圖3充電電路原理圖

　　充電電路采用Buck型拓撲結(jié)構(gòu)，C1、L1、C2構(gòu)成π型濾波器可以濾除直流電壓中的高頻分量，其中L1是差模電感。

　　經(jīng)濾波輸出后，PV為Buck變換器輸入電源，同時也是單片機控制系統(tǒng)的前級輸入電源。L2是輸出濾波電感、C5是輸出濾波電容、Q3為功率開關(guān)管、D3為續(xù)流二極管。充電電路輸入電壓范圍Ui=20~28V，輸出電壓范圍U0=3~18V，負載輸出電流I0=0~3.5A，開關(guān)頻率fs=20kHz，紋波電壓小于1%即△U0/U0≤1%，當負載電流I0在0~0.4A時，Buck電路工作在電感電流不連續(xù)模式；當負載電流I0在0.4~3.5A時，電路工作在電感電流連續(xù)模式。

　　3、負脈沖放電電路

　　鎳鎘電池具有記憶效應，在對鎳鎘電池充電前先對其放電，消除記憶效應。同時，在鎳鎘電池的快速充電過程中，為了消除電池極化的影響，引入間歇負脈沖的放電，系統(tǒng)中設計了放電電路。放電電路由4個5Ω/3W功率電阻（瞬間短時間放電）和4個控制開關(guān)組成。

　　4、電流檢測及保護電路

　　電流檢測及過流保護電路如圖4所示。電流采樣輸入端接電池組負端（BAT-），BAT-與地之間為功率開關(guān)管IRF7805和康銅絲采樣電阻RS（29mΩ），開關(guān)管導通時漏源極之間導通電阻RDS（on）為11mΩ，利用RS+RDS（on）端的壓降來檢測電流。

　　圖4電流檢測及過流保護電路

　　過流時（電流超過4A），經(jīng)比較器U2A輸出低電平過流信號（FAULT），該信號送入XC164CM的中斷陷阱引腳

　　觸發(fā)單片機硬件中斷，此外，當FAULT為低電平時，經(jīng)比較器U2B，輸出低電平信號，也迫使PWM輸出為低電平，強行關(guān)閉開關(guān)管Q3，確保系統(tǒng)安全。

　　軟件設計

　　智能充電器的軟件設計，主要包括系統(tǒng)主程序、鎳鎘電池快速充電子程序、ANFIS預測電流子程序和故障報警程序等，使用C語言和匯編語言混合編程，在KeilC166軟件開發(fā)平臺上完成。系統(tǒng)軟件對XC164單片機特殊功能寄存器SFR的設置在START_V2.A66中使用匯編語言文件，而整個充電系統(tǒng)的控制程序采用C語言文件。

　　系統(tǒng)上電后進入初始化，讀取E2PROM中的參數(shù)，完成各中斷寄存器和I/O口的功能設置，給相應單元賦初始值。完成后進入待機等待狀態(tài)。充電開始，先檢測是否有電池連接，若檢測到有電池接入，則進入電池的快速充電過程，其流程圖如圖5所示。ANFIS預測可接受電流子程序如圖6所示。

　　圖5單節(jié)鎳鎘電池智能充電流程圖

　　圖6ANFIS預測可接受電流子程序圖

　　所有的控制程序都由通過中斷完成，包括由T12周期中斷實現(xiàn)ANFIS預測電流和充電電流的控制，由T3周期中斷實現(xiàn)充電控制和去極化子程序控制，以及由CCU6硬件陷阱中斷實現(xiàn)供電過流/短路保護。

　　對于鎳鎘電池的快速充電階段，采用自適應跟蹤電池可接受電流變化和負脈沖充電相結(jié)合的方法。在A-C段，每2分鐘檢測電池的電壓和電流信息，作為ANFIS模型的輸入數(shù)據(jù)，通過ANFIS預測下一時刻電池的可接受電流ick，直到預測結(jié)果滿足要求才輸出ick，送給微處理器作為實際的充電電流大小，通過單片機控制調(diào)整充電電路的輸出電壓，給電池提供ick的電流進行恒流充電。在A-B段，采用間歇負脈沖消除極化效應。開始停充2ms消除歐姆極化，之后采用大小約為充電電流的2.5倍的放電電流放電3ms，有效的消除濃度差極化和電化學極化，放電終止5ms后充電電流重新啟動。

　　當電池充入85%的電量時，接近充足電；此后，電池的極化現(xiàn)象嚴重，這時，即使加入負脈沖去極化后，蓄電池可接受的充電電流仍然很小。因此，在檢測到充電電流ic≤I0/10后，停止調(diào)用負脈沖去極化子程序。

　　試驗結(jié)果

鎳鎘電池的智能充電過程，電池的最大充電電流