新能源汽車快速充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

熊 文，楊 川，王正旭，王凱立

(重慶理工大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400054)

新能源汽車發(fā)展的主要起因是解決能源短缺、環(huán)境污染和氣候變暖問題。2010年3月底，國(guó)家發(fā)改委頒布《新能源汽車發(fā)展規(guī)劃》，將新能源汽車發(fā)展提高為國(guó)家戰(zhàn)略，這說明了發(fā)展新能源汽車是必然趨勢(shì)，同時(shí)也將是新能源汽車發(fā)展的重大契機(jī)［1］。電動(dòng)汽車是一種新能源汽車的朝陽產(chǎn)業(yè)。伴隨著電動(dòng)汽車的高速發(fā)展，一個(gè)隱含著的電池產(chǎn)業(yè)鏈也將發(fā)展起來，這些發(fā)展都與快速充電有莫大聯(lián)系。因此，必須要先解決好充電這個(gè)難題［2-4］。

本文主要設(shè)計(jì)一個(gè)利用超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)新能源汽車快速充電的系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)動(dòng)力電池在高功率輸出、快速充電、使用壽命等方面存在的問題?？焖俪潆娤到y(tǒng)要解決的關(guān)鍵問題有:向超級(jí)電容快速充電的充電機(jī)設(shè)計(jì);超級(jí)電容向電池實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換;超級(jí)電容容量和蓄電池蓄能量的實(shí)時(shí)測(cè)量;根據(jù)電容向電池充電的電流大小做PID調(diào)節(jié)，使之盡可能吻合電池最佳充電曲線，延長(zhǎng)電池壽命，提高能量轉(zhuǎn)換效率。圖1是快速充電系統(tǒng)整體框圖。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1 超級(jí)電容充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超級(jí)電容采用特殊的電極結(jié)構(gòu)，電極表面積成萬倍地增加，從而產(chǎn)生極大的電容量。超級(jí)電容的這種極化作用可以儲(chǔ)存電能，并能實(shí)現(xiàn)電荷的快速貯存和釋放，輸出功率密度高達(dá)數(shù)kW/kg，是一般蓄電池的數(shù)十倍。

向超級(jí)電容快速充電共有恒電壓、恒電流、恒功率3種充電方式。恒功率充電方式在充電時(shí)間上更具有優(yōu)勢(shì)，也是效率最高的選擇［5-6］，其原理是保持電壓和電流的乘積不變［7］。圖2為超級(jí)電容充電框圖，硬件由單相整流電路、雙管正激變換器、電流電壓檢測(cè)反饋電路及保護(hù)電路等部分組成。首先將交流電整流濾波為直流電，然后通過雙管正激變換器降壓，在電氣上實(shí)現(xiàn)輸入輸出的隔離。最后利用電流反饋環(huán)節(jié)，通過峰值電流控制，達(dá)到恒功率充電的目的。

圖2 超級(jí)電容充電框圖

2 超級(jí)電容向電池轉(zhuǎn)換能量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3為超級(jí)電容向電池?fù)Q能框圖。采用“增強(qiáng)型”SMT32F103RC為核心控制模塊。增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率能達(dá)到72 MHz，使用嵌入式系統(tǒng)使整個(gè)硬件電路的設(shè)計(jì)極大簡(jiǎn)化。3個(gè)基本單元為boost升壓?jiǎn)卧?、buck降壓?jiǎn)卧c檢測(cè)單元。系統(tǒng)通過CPU實(shí)時(shí)對(duì)A/D轉(zhuǎn)化的采樣電壓進(jìn)行檢測(cè)，比對(duì)基準(zhǔn)電壓后，進(jìn)行升壓、降壓電路的切換［8-10］。

圖3 超級(jí)電容向電池?fù)Q能

系統(tǒng)核心硬件原理如圖4所示。Buck、boost電路分別采用開關(guān)電源芯片LM2596和LM2587，它們具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，并且只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。電流傳感器TBC-10SY使用正負(fù)電源以得到很好的線性度，同時(shí)需對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大后才能采集(采用LM324同相放大)。在 OUTPUT處，由于 STM32的ADC識(shí)別范圍為0～3.3 V，所以電壓必須分壓后采集。

圖4 系統(tǒng)核心硬件原理

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 電量的測(cè)量

在整個(gè)充電過程中，必須對(duì)超級(jí)電容電量、蓄電池電量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。SOC是反映當(dāng)前電池(電容)容量的狀態(tài)參數(shù)。本文通過測(cè)量SOC來達(dá)到實(shí)時(shí)檢測(cè)電量的目的。對(duì)于一階超級(jí)電容和蓄電池的SOC計(jì)算，可通過時(shí)安法得到一個(gè)關(guān)于SOC的非線性方程:其中:F［SOC(t)］是t時(shí)刻超級(jí)電容的電量;Q0是電池的額定電量。通過卡爾曼濾波遞推［11］進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，可以直接得到SOC估計(jì)值數(shù)學(xué)方程如下:

狀態(tài)方程

測(cè)量方程

卡爾曼濾波計(jì)算的流程如圖5所示。

圖5 卡爾曼濾波計(jì)算流程

3.2 能量轉(zhuǎn)換控制流程

軟件流程如圖6所示。通過檢測(cè)電路，STM32對(duì)超級(jí)電容的電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。如果超級(jí)電容的電壓大于預(yù)設(shè)基準(zhǔn)電壓6 V，由STM32判斷選擇BUCK電路，進(jìn)行降壓變換，同時(shí)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，得到反饋電壓作用于BUCK電路反饋端，使LM2596的片內(nèi)饋壓自行調(diào)節(jié)PWM輸出。為了提高電路的抗干擾性，利用PID調(diào)節(jié)輸出電壓，得到穩(wěn)定的輸出電壓;當(dāng)超級(jí)電容的電壓小于預(yù)設(shè)基準(zhǔn)電壓6V時(shí)，則切換到BOOST電路進(jìn)行升壓變換，同樣產(chǎn)生反饋電壓，進(jìn)行 PWM控制。通過BUCK和BOOST電路的變換和調(diào)節(jié)，得到最大功率的輸出對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。

圖6 軟件流程

4 數(shù)據(jù)測(cè)試

4.1 測(cè)試環(huán)境、儀器與測(cè)試內(nèi)容

測(cè)試時(shí)間:2013-06-20

測(cè)試溫度:37℃

測(cè)試儀器:7 000 mAH可充鋰電池，萬用表，電腦，直流電源，示波器。

測(cè)試內(nèi)容:霍爾傳感器原邊電流與副邊電流的線性度，充電效率計(jì)算，實(shí)際充電流程。

4.2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果見表1、2。

由測(cè)試數(shù)據(jù)可得原邊電流與副邊電流的轉(zhuǎn)換率約為0.55，基本滿足線性關(guān)系。

表1 霍爾電流傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 充電效率統(tǒng)計(jì)

經(jīng)計(jì)算，充電平均效率可達(dá)81.849 8%。

4.3 誤差分析與總結(jié)

從測(cè)試結(jié)果可以看出:電壓采集出來的數(shù)據(jù)精度更高。電壓信號(hào)強(qiáng)度大，要將它衰減到最大電壓值時(shí)，傳遞到STM32采集的電壓不超過3.3 V，那么在信號(hào)出現(xiàn)衰減的時(shí)候，干擾信號(hào)也會(huì)衰減，所以采集出來的電壓信號(hào)抗干擾能力較強(qiáng)。而電流信號(hào)則相反，信號(hào)偏小需要放大。在放大信號(hào)的同時(shí)，干擾信號(hào)隨之放大。

經(jīng)測(cè)試，對(duì)于7 000 mAH可充鋰電池，由于電池的自動(dòng)保護(hù)功能，電池電壓低于7 V后，電流開始實(shí)行自動(dòng)保護(hù)，無法檢測(cè)電池容量。因此，電池從7 V開始充電，充電初有一涓流充電過程，此時(shí)充電電流低于2 A，電壓由7 V快速上升，電流也持續(xù)增加。當(dāng)電壓上升到12 V時(shí)，充電進(jìn)入恒流階段，電流保持2 A不變，電壓緩慢上升。當(dāng)電壓上升到12.5 V時(shí)，充電進(jìn)入恒壓階段，充電電壓保持12.5 V不變，電流持續(xù)下降。當(dāng)電流下降到1.3 A時(shí)，充電結(jié)束。整個(gè)充電過程持續(xù)92 min。

5 結(jié)束語

新能源汽車勢(shì)必將逐漸取代傳統(tǒng)汽車，而蓄電池的充電則成為阻礙新能源汽車廣泛應(yīng)用的難題。本文詳細(xì)闡述了利用超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)新能源汽車快速充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，并對(duì)電路的性能進(jìn)行了測(cè)試。本文研究符合綠色能源發(fā)展的需要，解決了新能源汽車快速充電的問題，有助于推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的普及與應(yīng)用。同時(shí)，系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)采用了模塊化，增加了通用性、靈活性，不僅可實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)所需的快速充電功能，而且可擴(kuò)展、延伸、應(yīng)用于多種控制器的設(shè)計(jì)，因此有著較為廣泛的應(yīng)用前景。

但是解決了快速充電問題并不意味著完善了對(duì)蓄電池充電的過程。為實(shí)現(xiàn)充電的便捷性，發(fā)展無線充電將是必然的趨勢(shì)。本設(shè)計(jì)未來可開發(fā)點(diǎn)陣式電源供電。新能源汽車快速充電將是一個(gè)長(zhǎng)期熱門的議題。

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