蓄電池高能脈沖充電系統(tǒng)設(shè)計
摘要:為了縮短蓄電池充電時間,設(shè)計出一種基于超級電容的高能脈沖源快速充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用超級電容和微計算機(jī)邏輯控制技術(shù),實現(xiàn)了具有負(fù)阻輸出特性的高能脈沖源。系統(tǒng)過程控制基于Cortex—M3架構(gòu)的Ⅱ代嵌入式微計算機(jī),系統(tǒng)檢測采用多參量相干檢測、電壓矢量檢測和溫度矢量檢測等前沿技術(shù)。實測結(jié)果表明,樣機(jī)實現(xiàn)了快速充電、減少脈沖源對電源污染的主要預(yù)期目標(biāo)。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201808/387033.htm目前基本的快速充電方法主要有以下幾種:
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(tǒng):充-停-放-充。這種方法的控制相對復(fù)雜。
3)基于微計算機(jī)控制的脈沖充、放電系統(tǒng)。這種充電方法,具有多參數(shù)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(jī)過程控制的PWM高能脈沖充電系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用CORTEXM3 32位微處理器作為過程控制核心,對電壓、電流、動態(tài)內(nèi)阻及溫度等參數(shù)進(jìn)行檢測;充電源采用基于超級電容的高能脈沖技術(shù),PWM控制技術(shù)實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時性和動態(tài)控制功能;新器件、新技術(shù)的應(yīng)用大幅縮短了充電時間,拓寬了蓄電池充電技術(shù)的設(shè)計思路。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計
現(xiàn)代快充設(shè)備,幾乎毫無例外地均采用脈沖充電技術(shù),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(yuǎn)大于恒壓或恒流充電的均值電流,對脈沖源的負(fù)載能力有特殊要求;3)要求線路電阻足夠小,特別在對大負(fù)載設(shè)備充電時;4)同樣存在電池發(fā)熱問題?;谏鲜鲈颍}沖充電技術(shù)的應(yīng)用,仍然存在技術(shù)瓶頸,亟待解決。
為了克服現(xiàn)有脈沖充電技術(shù)的問題。本設(shè)計采用基于超級電容和微計算機(jī)邏輯控制的負(fù)阻輸出特性高能脈沖源,解決普通脈沖源負(fù)載能力差的問題;采用現(xiàn)代測控原理和計算機(jī)過程控制技術(shù),解決智能、安全充電問題。
為實現(xiàn)安全充電,本系統(tǒng)采用基于Cortex—M3架構(gòu)的32位微處理器的電壓/溫度雙環(huán)控制系統(tǒng),實時監(jiān)測電壓、電流、溫度、動態(tài)內(nèi)阻等主要參量,實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制和充電計量,控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。
基于全參數(shù)監(jiān)測和計算機(jī)過程控制設(shè)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(chǎn)生不良影響。
系統(tǒng)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(nèi)核,工作頻率最大可以達(dá)到72 MHz,同時提供先進(jìn)的計算性能和良好的中斷系統(tǒng)響應(yīng)。具有優(yōu)異的實時性能,從停機(jī)模式喚醒通常只需要不到10μs,而從待機(jī)模式或復(fù)位狀態(tài)啟動通常只需要40μs就可以進(jìn)入運行狀態(tài)。內(nèi)部高度集成,內(nèi)置高速存儲器,豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。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(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)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(dāng)代碼從Flash中以72 MHz的全速運行時,在外設(shè)時鐘開啟時,STM32僅消耗36 mA電流(0.5 mA/MHz)。在待機(jī)模式下,典型的耗電值僅為2μA。供電電壓為2.0~3.6 V,當(dāng)充放電過程遇到一系列情況時,芯片能做出相應(yīng)的快速處理。這些豐富的外設(shè)配置使得STM32微控制器適合電池充電控制等多種工業(yè)控制應(yīng)用場合。
2 高能脈沖源設(shè)計
脈沖充電技術(shù)采用的脈沖源的負(fù)載能力是快充的重要技術(shù)部分之一,本設(shè)計基于超級電容和微計算機(jī)邏輯控制技術(shù),研制出了負(fù)阻輸出特性高能脈沖源,解決普通脈沖源負(fù)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?zhèn)潆娙莺碗姵靥匦缘男滦驮?。超級電容器具有許多傳統(tǒng)電池不具備的優(yōu)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(huán)境無污染等。目前,超級電容被廣泛應(yīng)用到電動汽車、脈沖電壓系統(tǒng)、應(yīng)急電源及航天
航空等領(lǐng)域。將超級電容應(yīng)用到充電系統(tǒng),首先要解決均衡和發(fā)熱問題,本系統(tǒng)將微計算機(jī)邏輯控制技術(shù)和超級電容技術(shù)相結(jié)合,研制出的脈沖源的負(fù)阻特性遠(yuǎn)高于現(xiàn)在的普通
脈沖源。以下為該系統(tǒng)的高能脈沖源與普通脈沖源的負(fù)阻特性的對比。
1)高能源負(fù)阻特性模擬
高能源負(fù)阻特性如圖2所示。
仿真特性表明,脈沖源僅需提供最大1.33 A電流,負(fù)載便可獲得4.57 A電流。
2)普通脈沖源性負(fù)載特性模擬普通脈沖源性負(fù)載特性圖3所示。
3)性能比較
比較相同負(fù)載和10 V電源條件時的電源電流、負(fù)載電流和負(fù)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。
②負(fù)載電流:普通脈沖源:1.87 A;高能脈沖源:4.57~4.55 A。
③負(fù)載端電壓:普通脈沖源:3.74 V;高能脈沖源:9.04~9.01 V。
4)結(jié)論
①電流驅(qū)動能力:高能脈沖源可提供高達(dá)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(fù)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41.77 W,而普通脈沖源僅為7.07 W。
④電源容量:若以高能源為參照,則普通脈沖源功率應(yīng)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(tǒng)的噪聲污染可提高71.1%。
由此可見,高能脈沖源的負(fù)載能力遠(yuǎn)較普通脈沖源高。
基于超級電容的高能脈沖源應(yīng)用,具有兩大獨特優(yōu)勢:
1)提高脈沖源能比(能量/體積比);2)減小電源系統(tǒng)的噪聲污染。
3 測試結(jié)果分析
將本系統(tǒng)的充電效果與市面上用的比較多的快充(北京凱爾和濟(jì)南啟能)進(jìn)行對比,充電效果對比如圖4所示。
測試條件:相同鋰電池均充電25 min,并在同一放電系統(tǒng)測試的放電波形及參量對比。
結(jié)論:1)放電參量對比:啟能-225 mAh;鎧爾-312 mAh;樣機(jī)-1122 mAh。
2)放電時間對比:啟能-29 rain;鎧爾-40 min;樣機(jī)-138mm。
3)充電速率(放電量比):樣機(jī)是啟能產(chǎn)品的4.99倍;是鎧爾產(chǎn)品的3.60倍。
4 結(jié)束語
基于超級電容的高能脈沖源,綜合了脈沖負(fù)載能力強(qiáng)勁、設(shè)備能比高、電力系統(tǒng)污染小等獨特優(yōu)勢,為快充技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化另辟新路,可拓展應(yīng)用于移動設(shè)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(shè)備稍作擴(kuò)容,可實現(xiàn)智能、快速充電功效,具有非常高的市場應(yīng)用前景。
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