便攜式超級電容充電儀的研究

路宗強，陳穎峰，薛大歡

（1.承德石油高等?？茖W校，河北承德067000；2.中國石油大學（北京）地球物理與信息工程學院，北京102200）

便攜式超級電容充電儀的研究

路宗強1，陳穎峰1，薛大歡2

（1.承德石油高等?？茖W校，河北承德067000；2.中國石油大學（北京）地球物理與信息工程學院，北京102200）

設(shè)計一款超級電容智能充電儀，實現(xiàn)對超級電容充電過程中的充電時間、電流、功率等參數(shù)的智能化實時監(jiān)控，達到閉環(huán)控制的目標。以STM32F103RBT6為處理器核心，采用虛擬儀器技術(shù)及CAN總線技術(shù)，接收采集發(fā)送過來的信號，根據(jù)模糊算法策略判斷，通過CAN讀取設(shè)備參數(shù)信息或向外輸出恒流信號。具有比傳統(tǒng)的串行通信效率高、準確率高等特點，系統(tǒng)硬件集成度高、體積小、外形設(shè)計扁平化，易于攜帶，實現(xiàn)了小型化、智能化、便攜式等目標。

STM32；超級電容；模糊算法；CAN總線

隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)設(shè)備智能化是工業(yè)發(fā)展的潮流，給移動設(shè)備充電的設(shè)備需更新?lián)Q代，便攜式超級電容智能充電儀的設(shè)計理念呼之欲出。在國內(nèi)外，新能源的革新?lián)Q代十分迅速，超級電容組很有可能取代落后污染的鉛蓄電池儲能，現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用到新能源開發(fā)、智能車研制、汽車啟動系統(tǒng)等方面，成為了當前新興儲能技術(shù)研發(fā)應(yīng)用的熱點。以前的超級電容組充電方式會增加超級電容的充電時間、更換超級電容儲能裝置的頻次過大，沒能完全充分發(fā)揮出超級電容應(yīng)有的儲能品質(zhì)。因此，系統(tǒng)采用可編程處理器、模糊控制、CAN通信技術(shù)，智能控制超級電容的充放電，提高了超級電容的充電效率，達到低碳環(huán)保的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計理論分析

1.1 電容儲能量變化分析

根據(jù)超級電容儲能參數(shù)特性以及歐姆定律、焦耳定律分析，充電儀采用恒流模式充電，在充電過程中任意t時刻電容儲能量表示為

由式（1）～式（3）分析可知，儲能量Et與I，U，C等參數(shù)有關(guān)，由理論分析向應(yīng)用設(shè)計轉(zhuǎn)換，需考量這幾項參數(shù)的實際工作誤差，可以采用控制變量法研究各個參數(shù)對電容儲能量的影響差別，然后綜合各個參數(shù)的變化情況找到最佳參數(shù)工作值，實現(xiàn)最佳參數(shù)性能的配置。

圖1表示儲能量Et與充電電流I的映射關(guān)系，通過實驗得到x與y的一組數(shù)據(jù)對(xi，yi)（i=1，2，…，m），其中各xi是彼此不同的。希望用一類與數(shù)據(jù)的變化規(guī)律相適應(yīng)的解析表達式，y=f(x，c）來反映x與y之間的依賴關(guān)系，使用軟件Matlab7.0對Et和I進行了數(shù)據(jù)擬合、回歸分析，即擬合曲線函數(shù)為

圖1 儲能量與充電電流變化圖Fig.1 Stored energy and the charge current change chart

1.2 模糊控制算法研究

選擇STM32F103RBT6這款芯片作為處理器，將模糊控制算法嵌入到Cortex-M3核，根據(jù)系統(tǒng)軟件設(shè)計框架，采用Mamdani模糊推理型多輸入、單輸出結(jié)構(gòu)。

通過對采集主電路橋式整流電路輸出電壓、高頻變壓器輸出電流和電壓、IGBT溫度4個信號的實時檢測，得到實際電壓值的數(shù)字量，取信號中電流值與變化率最大的一組數(shù)據(jù)，再將所選時間段實際充電電流平均值與設(shè)定值進行差分，得到電流變化誤差數(shù)字量e與ec，則作為模糊控制器的輸入，最終經(jīng)軟件算法處理得到充電電流隨時間變化的曲線。故可以取實際測量電流偏差e和偏差變化率ec為模糊變量，取超級電容電流控制Δu為模糊控制器的輸出u。實驗測量電流偏差e的基本論域為：[-1v，1v]，e的模糊論域為：[-5，-4， -3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5]，那么誤差e的量化因子為1/5。偏差變化率ec與輸出變量u模糊論域為：[-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5]，由長時間的調(diào)試、仿真、調(diào)試等，依據(jù)數(shù)據(jù)對（x，y）和變化曲線規(guī)律，得到下面的邏輯控制規(guī)則：

If?e＝NB?and?ec＝NB?then?u＝PB；

If?e＝NM?and?ec＝NM?then?u＝PB；

?

經(jīng)統(tǒng)計，共52條類似的控制規(guī)則，具體歸納后見表1。

表1 模糊控制規(guī)則表Tab.1 Fuzzy control rule table

2 電容充電儀基本原理

系統(tǒng)上電后，初始化硬件基本配置，調(diào)用CAN接收函數(shù)，讀取電容組的狀態(tài)信息，檢測采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)，正常匹配且輸出沒有斷短路、缺相等設(shè)備故障，依據(jù)模糊控制算法，確定充電模式，STM32控制系統(tǒng)即發(fā)出指令，固態(tài)繼電器吸合，接通主電路的380 V高壓電源，最終輸出滿足要求的直流電。

3 充電儀設(shè)計方案

超級電容智能充電儀系統(tǒng)主要由主電路和控制電路構(gòu)成，本文設(shè)計控制系統(tǒng)，控制電源電路給超級電容組充電，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)來判斷電源電路的狀態(tài)，正確則忽略錯誤反饋給微處理器，發(fā)出控制命令，對于整流電路輸出電壓，變頻器輸出電壓、電流，IGBT管溫度判斷電源電路供電性能，反饋給微處理器來處理，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 超級電容智能充電儀的系統(tǒng)構(gòu)成框圖Fig.2 Super capacitor smart charger systemconfiguration block diagram

4 充電儀測試評估

4.1 充電實驗測試

充電儀對恒定電流設(shè)置模式運行時的精度進行了測試。實驗分為5個時間段，分別測試輸出電壓、輸出電流等參數(shù)精度，通過對超級電容充電特性測試可知，恒定電流模式下充電，隨著時間的變化輸出電壓電流變化緩慢，達到了恒定參數(shù)輸出的效果。測試的數(shù)據(jù)見表2。

表2 恒定電流充電的輸出精度Tab.2 Constant current charging output accuracy

4.2 充電效率分析

實驗過程中，首先設(shè)定充電電流區(qū)間為0～50 A進行充電，從表盤示數(shù)顯示充電效率比較低；其次設(shè)定充電電流區(qū)間為50～70 A進行充電，可以看出充電效率明顯的升高；在充電電流大于70 A時，逐漸增大電流值，發(fā)現(xiàn)充電效率指數(shù)開始下降，即充電電流達到轉(zhuǎn)折點，其對應(yīng)著充電效率最高；第3階段選擇繼續(xù)增大充電電流，充電效率急劇下降。通過實驗測試，應(yīng)該綜合考慮超級電容器的儲能量、最佳充電電流區(qū)間以及分析充電效率，最大效率地滿足用戶實際需求并實現(xiàn)超級電容器的最佳參數(shù)配置。

5 結(jié)論

本文基于模糊算法控制的超級電容智能充電儀控制系統(tǒng)，從軟硬件進行分析設(shè)計，在傳統(tǒng)充電設(shè)備的基礎(chǔ)上增加了智能控制電路，在軟件上增加了模糊算法，實現(xiàn)了閉環(huán)自動調(diào)節(jié)控制的功能。本設(shè)計方案縮短了超級電容的充電時間，提升了充電儀充電效率，延長了超級電容的使用壽命。滿足當前給超級電容儲能設(shè)備充電要求，具有良好的市場前景。

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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

路宗強（1971-），男，碩士，Email：zongqiang_11@163.com