新型无损快速智能充电器的设计

摘要：当前的快速充电器不能遵循蓄电池自身的特性进行快速充电，致使析气多，温升大，缩短电池的使用寿命。针对上述问题，创新性地提出应用ANFIS对电池的可接受电流进行预测，保证电池在最佳充电速率下快速无损充电。详细介绍以单片机XC164CM为核心，完成新型快速无损智能充电器的设计，具有电流检测和控制等功能。样机测试表明，充电过程中析气少，温升低，充电效率高，解决了充电速率与电池寿命之间的矛盾。
关键词：快速充电；可接受电流；电流预测；无损；单片机XC164

根据马斯定理，对电池进行快速无损充电，充电电流应等于或接近于当前电池所能接受的电流大小，以保证析气率最低，减少快速充电过程中对电池的损害。近来，先进的智能控制技术被引入到快速充电技术中，用于停充电控制或充电模式选择，提高控制精度和充电效率；但没有考虑电池自身的充电特性，缺乏自适应能力，不能跟踪电池充电特性的改变而动态调节充电电流，导致充电电流大于电池能接受的电流，致使温升过高对电池造成损害。
为此，需要设计一种新型的智能充电器，能对电池进行安全、无损、快速充电。
深入研究快速充电理论，从镍镉电池特性出发，创新性地提出引入自适应模糊神经网络(ANFIS)对电池在不同荷电状态下的可接受电流进行预测，从而调整实际充电电流；同时，充电中加入负脉冲去极化。在此基础上，采用英飞凌公司的单片机XC164CM及外围接口电路设计一种新型的快速无损智能充电器。

1 镍镉电池充电过程特性研究
单节镍镉电池的充电曲线如图1所示。整个充电过程大致可分为4个阶段。

当电池的端电压低于1．2 V达到A点时，应立即停止放电，放电过深将导致温升大。在充电过程中，主要的充电阶段是A-B段，整个电池70％以上的能量都在这个阶段充入，电压上升速率慢。同时，在A-B段电化学反应以一定的速率氧气，氧气又以同样的速率与氢气复合，所以，电池内部的温升和气体压力都较低。这段时间适宜采用大电流快速充电，但其充电电流必须小于电池的可接受电流，否则将产生大量析气，降低充电效率，温升过高，致使损害电池。而在B-C段电池的端电压上升很快，这时电池内阻抗增加，适宜减小充电电流。在C-D段则进入停充阶段，注意及时进行停充检测并阶段进行，在O-A阶段采用小电流预充电；当达到A点时，进入快速充电阶段，这里采用大电流脉冲智能充电；在B-C段小电流补充充电，最后到C-D段停充检测。

2 快速无损充电策略
文献中提到蓄电池可以简单的看作一个超大阻容器，电池的充电过程就可以看作一个RC电路的充电过程，其时间常数τ表征了充电的快慢，也就相当于马斯曲线中的衰减比α，则有τ=1／α。充电中电池的可接受电流的大小只与初始电流I0有关，当t=3τ后，电池的可接受充电电流约为I0／20；当充电到t=5τ时，其时电池的可接受电流已经很小。
由此，提出利用自适应模糊神经网络ANFIS预测电池的可接受电流。在电池的快速充电过程中，根据电池的荷电状态预测其可接受电流，保证充电电流符合马斯的最佳充电曲线，析气率低，对电池无损害。ANFIS预测电池的可接受电流基本思想是：在充电过程中，动态检测电池的状态参数作为ANFIS预测模型的输入，通过模糊推理得出当前的可接受电流ick，当预测值ick与期望值icp的误差不满足要求时，自适应模糊控制器产生控制响应，通过神经网络的自学习能力，自适应地修正隐含层的输出结果，更新各层之间的连接权值，优化模糊参数，重新计算输出结果，直至误差满足要求才输出预测结果，从而改变当前的充电电流，使实际的充电电始终逼近或等于可接受电流。同时，引入负脉冲充电消除极化效应。

3 硬件设计
系统硬件电路主要包括电源电路、充电／放电电路、电流检测和保护控制电路的3部分。
3．1 电源电路
为了缩小体积，提高系统的功率密度，选用PowerIntegrations公司生产的TOPSwitch-Ⅱ系列TOP224Y设计电源电路。该系列开关电源芯片是将PWM控制电路、保护电路和功率开关集成到同一芯片上，具有集成度高、工作效率高和外围电路设计简单的特点，非常方便于150 W以下的反激型开关电源设计。电源电路如图2所示。

设计的性能指标如下：
1)输入电压：Uac=220(1±20％)V；2)输入电压频率：f=50(1±5％)Hz；3)输出电压／最大输出功率：24 V／40 W；4)开关电源效率：η≥80％。
交流输入电压Uac经过压敏电阻R1滤除交流电压中的尖峰脉冲后，经电磁干扰(EMI)滤波器(C1，L1)滤除差模和共模干扰。之后经过BR全波整流及C2滤波后产生直流高压，给高频变压器的初级绕组供电。P6KE200(瞬态电压抑制器)和BYV26C(超快恢复二极管)构成钳位电路，用于吸收在TOP224Y关断时由高频漏感产生的尖峰电压，并能衰减振铃电压，对漏极起到保护作用。次级电路经过VD3、C3、L2和C4整流滤波输出24 V的电压U0。由TL431A构成的外部误差放大器实现U0的动态稳压，当输出电压发生波动，经R4、R5分压后得到取样电压，就与TL431A内的基准电压(2．5 V)进行比较产生一个外部控制信号，再通过线性光耦合器PC817A改变TOP224Y控制电流，进而调节占空比使U0趋于稳定。C7滤除加在控制端的尖峰电压，还与R2、R5一起对控制回路进行补偿。R3为最小输出负载，用于提高轻载时的电压稳定度。
3．2 充电电路
充电电路如图3所示。