CN102723764B - 一种基于嵌入式微计算机控制的高能脉冲快速充电*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于嵌入式微计算机控制的高能脉冲快速充电***，以解决常规充电方法耗时长、效率低和快充方式易产生电池发热、脉冲电流对电网的污染等问题。本发明为解决上述缺陷采用的技术方案为：包括***主控单元，在交流输入电源ACin与电池之间依次串接有AC/DC变换单元、高能脉冲源、充电控制单元和电流采样单元，在电流采样单元和充电控制单元依次连接有信号调理接口单元和流控驱动单元，在电池和高能脉冲源连接有电池状态检测单元，在主控单元和电池之间连接有放电控制单元，所述的流控驱动单元与电池之间连接有电池温度检测单元。

Description

一种基于嵌入式微计算机控制的高能脉冲快速充电***

一、技术领域：

本发明涉及蓄电池储能技术及微计算机控制技术，具体涉及一种基于嵌入式微计算机控制的高能脉冲快速充电***。

二、背景技术：

以动力蓄电池为能源的电动车开发，被认为是21世纪的绿色工程，关乎世界环保和能源结构转型，引起世界各国的重要关注。目前，我国电动汽车商业化和上路运行，存在两大制约瓶颈：电池性能和配套基础设施建设。电池性能取决于新原理、新材料应用和制造工艺创新；而基础设施，如充电桩、充电站的核心技术是蓄电池快速充电技术，这是解决电动车上路能量补充的关键。其它应用领域，如：电动自行车、电力拖动、移动设备、照明、手机、掌上电脑以及军工产品等，同样迫切需要蓄电池快充技术的创新应用。

目前应用的蓄电池充电技术，可大致分为两大类：1)常规充电技术：这种充电方法，耗时长，效率低，给人们的出行带来不便；2)快速充电技术：针对常规充电耗时长提出的充电方法，技术方案包括：恒压充电、恒流充电、恒压/恒流混合充电、单片机控制的脉冲充电、脉冲充放电等多种方式。上述技术方案，对提高充电速度具有一定的效果，但也存在下述问题：1)恒压充电方式：充电前期电流过大，电池发热；后期随着电池电压升高而电流逐渐减小，快充效果不佳；2)恒流充电方式：易造成充电后期电池过热甚至损坏；3)恒压/恒流混合方式，控制过程复杂，影响电池的安全使用。特别是铅酸电池，在充电后期将产生析气现象，导致充电效率低，甚至损坏电池，且单向充电产生的电池极化现象，影响电池的正常使用；4)脉冲充电方式：是目前广泛使用的快充方式，存在问题：①脉冲间歇期将使充电时间延长，违背快充设计的初衷；②单向脉冲充电同样存在电池极化现象；③大脉冲电流将对电源***造成污染。5)脉冲充、放电方式：较脉冲充电方式可减小电池极化现象，但同样存在电源污染和脉冲间歇抵消快充时间的问题；6)现有快充产品均没有解决高能脉冲源的问题，这将导致电源***污染，制约快充效果。

三、发明内容：

本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种基于嵌入式微计算机控制的高能脉冲快速充电***，解决上述常规充电方法耗时长、效率低和快充方式易产生电池发热、脉冲电流对电网的污染等问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于嵌入式微计算机控制的高能脉冲快速充电***，包括***主控单元，其特征在于：在交流输入电源ACin与电池之间依次串接有AC/DC变换单元、高能脉冲源、充电控制单元和电流采样单元，在电流采样单元和充电控制单元依次连接有信号调理接口单元和流控驱动单元，在电池和高能脉冲源连接有电池状态检测单元，在主控单元和电池之间连接有放电控制单元，所述的流控驱动单元与电池之间连接有电池温度检测单元。

所述主控单元包括：人机界面、控制流、数据流、硬件接口和嵌入式微处理器；所述嵌入式微处理器，包括8位、16位、32位各型MCU，如MCS51系列、AVR系列、PIC系列、MSP430系列、ARM系列、CORTEX系列，DSP如TIC2000系列，FPGA如XILINK系列，SOC如M6117D/A1的主控器件，所述硬件接口包括：GPIO、UART、SSP、SPI、I2C、I2S等，所述主控单元支持***控制流和数据流的发布与传输，如高能变换控制、充放电控制，高能源电压、电池电压、电池温度、电压梯度、温度梯度的数据采集、处理等，支持充电全程实时动态监测、参量计算、人机对话和充电过程控制。

所述的参量计算，通过电流采样单元、信号调理单元、控制流、数据流和MCU主控单元，利用软件算法实现充电时间、进度、能耗和效率计算。

所述人机界面，包括：数显、液显、语音提示和LED指示，数显器件如LED数码管、VFD显示器，液显器件如段显、点阵、单色LCM和真彩LCM，语音提示如专用语音模块ISD1700、I2S数字语音接口芯片如UDA1341TS等。

所述高能脉冲源包括依次连接的压控接口驱动单元、高能变换器、电压检测单元、均衡电路和超级电容。

所述串、并联连接的超级电容及其均衡电路，包括：1）基于多路开关同步控制的均衡电路；2）基于反激式同轴多绕组输出的均衡电路；3）基于微计算机测量、控制的多路均衡电路。

所述的高能变换器，其电路构成包括：模拟电路、模/数混合电路或数字电路的任意电路形式，输入和反馈信号包括：模拟信号、模/数量化信号、PWM信号或MCU 控制信号的任意信号形式。

所述电池温度监测单元包括温度敏感元件、信号调理及接口电路，敏感元件包括热电偶如WRCK-421、铂电阻如PT100、红外传感器如BB44-IRTP-300M，集成温度传感器如AD590、18B20等任意类型的温度传感器。

所述的电池状态检测单元包括信号调理电路、接口电路，检测信息包括：电池电压及电池故障检测，如电池开路、短路、高阻等故障信息。

所述的放电控制单元包括放电开关和驱动电路，所述放电开关，包括：开关管如3DD15D、达林顿管如MPSA63、IGBT如PM300HHA120、功率MOS器件如IRFP9140、SR2302的任意开关器件，放电开关驱动信号Dctl逻辑与充电控制信号Cctl相关。

与现有技术相比，本发明的技术亮点和应用效果如下：

（1）首创负阻特性高能脉冲充电技术。

应用效果：a）快充；b）增强负载能力；c）减少电源污染。

图6、图7是在相同测试条件下，普通电源和负阻高能源的负载特性仿真对比图： 

① 普通电源仿真特性，见图6。

●电源电流：1.89A。

●负载电流：1.87A。

●负载端电压：3.74V。

② 负阻高能源仿真特性，见图7。

●电源电流：从1.03－1.33A正向变化。

●负载电流：从4.57－4.50A反向变化。

●负载端电压：从9.14－9.01V。

③ 对比分析（以普通电源参数为参照）

●电源电流：从1.89A降为1.03－1.33A，则意味电源污染降低45.5%－29.6%。

●负载电流：从1.87A增加至4.57－4.50A，意味着负载能力提高144%-141%。

●负载端电压从3.74V变为9.14－9.01V，呈现明显的负阻特性。

（2）采用32位嵌入式微处理器，实现从上电、电池状态检测、

脉冲源控制、充电电流检测、电压梯度检测、电池温度监控、参量计算、充电结束等全程计算机过程控制。

应用效果：充电过程安全、高效、智能化。

四、附图说明：

图1为本发明的整机控制结构图；

图2为本发明的整机连接结构图；

图3为本发明的整机电路结构图；

图4为本发明的高能脉冲源结构图；

图5为本发明的负阻输出特性对比图；

图6为本发明的普通电源仿真特性图；

图7为本发明的负阻高能源仿真特性图；

图8为本发明的主环路工作流程图。

标号说明：1—高能脉冲源，2—充电控制单元，3—电流采样单元，4—电池，5—流控单元，6—信号调理接口单元，7—电池温度检测单元，8—电池状态检测单元，9—放电控制单元，10—主控单元，11—控制流，12—数据流，13—人机界面，14—压控接口驱动单元，15—高能变换器，16—电压检测单元，17—均衡电路，18—超级电容，19—硬件接口，20—AC/DC变换器。

五、具体实施方式：

1、整机结构

参见图1、图2和图4，整机构成包括：主通道、反馈控制通道和微计算机控制通道，通道信号流程及环节作用如下：

（1）主通道

交流源输入经AC/DC变换器，变为直流输入源DCin，通过高能脉冲变换器1，变换为高负载能力的负阻特性高能脉冲源，该高能脉冲源的输出经充电控制单元2，电流采样环节3，向电池4充电。

（2）反馈控制通道

 1）高能脉冲源电压检测反馈回路，包括：电压检测单元10，压控驱动单元5，作用：局部闭环，实现高能脉冲源的电压检测与自动控制。

2）充电电流测控反馈回路，包括：信号调理接口6，流控驱动单元5。作用：局部闭环，用于主通道充电电流的自动检测与控制。

3）电池温度检测反馈回路，包括：电池温度监测环节7，流控驱动单元5。作用：局部闭环，用于电池温度实时监测，自动控制充电电流，确保安全充电。

4）电池状态检测反馈回路，包括电池状态检测环节9。作用：***闭环，实现高能脉冲源的负阻特性控制，增强负载能力，参见图4。

（3）计算机控制通道

包括微计算机发布的控制流和接收数据流，图1和图2中出现的部分信号解释如下：

1）Mctl：***主控制信号。

2）Cctl：充电控制信号。

3）Dctl：与充电信号相关的放电控制信号。

4）Nctl：负阻特性控制信号。

5）Cdat：参量计算采集信号。

    2、整机工作原理

本发明的整机结构参见图1，工作原理基于微计算机控制的多

闭环***。

来自主控单元的控制信号Dctl与电池状态检测反馈信号求和，产生高能脉冲源的输入控制信号。该高能脉冲源变换直流输入DCin为高能脉冲源，其特征是可根据负载变化动态调整输出电压，即：负载大时输出电压高，反之相反，因而具有极强的负载能力和瞬态功率特性，参见图5的负阻特性对比和图6、图7的负阻高能源仿真特性对比图；高能脉冲源的输出通过充电控制单元2、电流采样环节3向电池4充电；充电控制由来自主控单元10的Cctl控制信号、电流检测反馈信号、电池温度监测信号共同控制，实现充电过程的动态监测与实时控制；Pctl是主控单元10发出的电池状态检测信号，Dctl是与正常充电逻辑相关的放电控制信号，也由主控单元10发出。整个***由微计算机控制的多个小闭环和大闭环***构成，实现了高度智能化的快速、安全、高效充电功能。原理适用于铅酸、镍和锂电池充电技术，可扩展应用于手机、移动设备、照明、矿山、电动自行车、电动汽车等各种电池供电设备的快速充电。

3、主环路工作流程

本发明的主环路工作流程图，是实现负阻特性和智能快充的核心软件模块，参见图8，流程概述如下：

（1）在主环路始点①，依次进行高能脉冲源电压检测、电池温度检测、温度梯度计算和电压梯度计算。

（2）至②点，判电池温度＜规定值，且温度梯度为0时，跳至③点执行。因此始***进入初充阶段，充电电流最大，要求高能源具有最强负载能力，故控制高能源和充电电流的PWM均具有最大占空比，实现了***的负阻特性控制过程。

（3）当温度梯度非0时，跳至④点，判电压梯度=0时，跳至⑤点，判充电时间＜设定时间t1时，跳至③点执行大电流充电，否则跳至⑦点，进行高能源和充电电流的自动调整充电。

（4）判④点的电压梯度非0时，跳至⑥点，判充电时间＞规定值，且电池电压＞满充值时，充电结束显示，进入涓流充电状态，否则进入⑦点执行。

（5）判②点的电池温度＞规定值时，跳至⑧点；判充电时间＞规定值，且电池电压≥满充值时，充电结束显示，进入涓流充电状态；否则跳至⑨点，执行高能脉冲源和充电电流的自动调整过程。

各分支执行完成后，返回至主环路始点①循环执行。

Claims (1)

1.一种基于嵌入式微计算机控制的高能脉冲快速充电***，包括***主控单元（10），其特征在于：在交流输入电源ACin与电池（4）之间依次串接有AC/DC变换单元（20）、高能脉冲源（1）、充电控制单元（2）和电流采样单元（3），在电流采样单元（3）和充电控制单元（2）依次连接有信号调理接口单元（6）和流控驱动单元（5），在电池（4）和高能脉冲源（1）连接有电池状态检测单元（8），在主控单元（10）和电池（4）之间连接有放电控制单元（9），所述的流控驱动单元（5）与电池（4）之间连接有电池温度检测单元（7）；

所述主控单元（10）包括：人机界面（13）、控制流（11）、数据流（12）、硬件接口（19）和嵌入式微处理器；所述嵌入式微处理器，包括8位、16位、32位各型MCU，为MCS51系列、AVR系列、PIC系列、MSP430系列、ARM系列、CORTEX系列，DSP为TIC2000系列，FPGA为XILINK系列，SOC为M6117D/A1的主控器件，所述硬件接口包括：GPIO、UART、SSP、SPI、I2C、I2S，所述主控单元（10）支持***控制流（11）和数据流（12）的发布与传输，为高能变换控制、充放电控制，高能源电压、电池电压、电池温度、电压梯度、温度梯度的数据采集、处理，支持充电全程实时动态监测、参量计算、人机对话和充电过程控制；

所述的参量计算，通过电流采样单元（3）、信号调理单元（6）、控制流（11）、数据流（12）和MCU主控单元（10），利用软件算法实现充电时间、进度、能耗和效率计算；

所述人机界面（13），包括：数显、液显、语音提示和LED指示，数显器件为LED数码管、VFD显示器，液显器件为段显、点阵、单色LCM和真彩LCM，语音提示为专用语音模块ISD1700、I2S数字语音接口芯片为UDA1341TS；

所述高能脉冲源（1）包括依次连接的压控接口驱动单元（14）、高能变换器（15）、电压检测单元（16）、均衡电路（17）和超级电容（18）；

串、并联连接的超级电容及其均衡电路，包括：1）基于多路开关同步控制的均衡电路；2）基于反激式同轴多绕组输出的均衡电路；3）基于微计算机测量、控制的多路均衡电路；

所述的高能变换器（15），其电路构成包括：模拟电路、模/数混合电路或数字电路的任意电路形式，输入和反馈信号包括：模拟信号、模/数量化信号、PWM信号或MCU 控制信号的任意信号形式；

所述电池温度检测单元（7）包括温度敏感元件、信号调理及接口电路，敏感元件包括热电偶为WRCK-421、铂电阻为PT100、红外传感器为BB44-IRTP-300M，集成温度传感器为AD590、18B20任意类型的温度传感器；

所述的电池状态检测单元（8）包括信号调理电路、接口电路，检测信息包括：电池电压及电池故障检测，为电池开路、短路、高阻故障信息；

所述的放电控制单元（9）包括放电开关和驱动电路，所述放电开关，包括：开关管为3DD15D、达林顿管为MPSA63、IGBT为PM300HHA120、功率MOS器件为IRFP9140、SR2302的任意开关器件，放电开关驱动信号Dctl逻辑与充电控制信号Cctl相关。