XC164CM新型快速無損智能充電器設(shè)計方案

當(dāng)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(yīng)用ANFIS對電池的可接受電流進行預(yù)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(shè)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(yīng)等于或接近于當(dāng)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(yīng)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(dǎo)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(shè)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(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANFIS）對電池在不同荷電狀態(tài)下的可接受電流進行預(yù)測，從而調(diào)整實際充電電流；同時，充電中加入負(fù)脈沖去極化。在此基礎(chǔ)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(shè)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(dāng)電池的端電壓低于1.2 V達到A點時，應(yīng)立即停止放電，放電過深將導(dǎo)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(xué)反應(yīng)以一定的速率氧氣，氧氣又以同樣的速率與氫氣復(fù)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(yù)充電；當(dāng)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(dāng)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(dāng)t=3τ后，電池的可接受充電電流約為I0/20；當(dāng)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(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANFIS預(yù)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(yù)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?zé)o損害。ANFIS預(yù)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(yù)測模型的輸入，通過模糊推理得出當(dāng)前的可接受電流ick，當(dāng)預(yù)測值ick與期望值icp的誤差不滿足要求時，自適應(yīng)模糊控制器產(chǎn)生控制響應(yīng)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力，自適應(yīng)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(yù)測結(jié)果，從而改變當(dāng)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(fù)脈沖充電消除極化效應(yīng)。
　　硬件設(shè)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。