XC164CM的新型快速无损智能充电器设计

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。

　　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及外围接口电路提出一种新型的快速无损智能充电器的设计方案。

　　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。

　　图1镍镉电池充电特性曲线

　　当电池的端电压低于1.2V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。

　　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。

　　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三部分。

　　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150W以下的反激型开关电源设计。电源电路如图2所示。

　　图224V/40W电源电路

　　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：24V/40W；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24V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（2.5V）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。

　　2、充电电路

　　充电电路如图3所示。

　　图3充电电路原理图

　　充电电路采用Buck型拓扑结构，C1、L1、C2构成π型滤波器可以滤除直流电压中的高频分量，其中L1是差模电感。

　　经滤波输出后，PV为Buck变换器输入电源，同时也是单片机控制系统的前级输入电源。L2是输出滤波电感、C5是输出滤波电容、Q3为功率开关管、D3为续流二极管。充电电路输入电压范围Ui=20~28V，输出电压范围U0=3~18V，负载输出电流I0=0~3.5A，开关频率fs=20kHz，纹波电压小于1%即△U0/U0≤1%，当负载电流I0在0~0.4A时，Buck电路工作在电感电流不连续模式；当负载电流I0在0.4~3.5A时，电路工作在电感电流连续模式。

　　3、负脉冲放电电路

　　镍镉电池具有记忆效应，在对镍镉电池充电前先对其放电，消除记忆效应。同时，在镍镉电池的快速充电过程中，为了消除电池极化的影响，引入间歇负脉冲的放电，系统中设计了放电电路。放电电路由4个5Ω/3W功率电阻（瞬间短时间放电）和4个控制开关组成。

　　4、电流检测及保护电路

　　电流检测及过流保护电路如图4所示。电流采样输入端接电池组负端（BAT-），BAT-与地之间为功率开关管IRF7805和康铜丝采样电阻RS（29mΩ），开关管导通时漏源极之间导通电阻RDS（on）为11mΩ，利用RS+RDS（on）端的压降来检测电流。

　　图4电流检测及过流保护电路

　　过流时（电流超过4A），经比较器U2A输出低电平过流信号（FAULT），该信号送入XC164CM的中断陷阱引脚

　　触发单片机硬件中断，此外，当FAULT为低电平时，经比较器U2B，输出低电平信号，也迫使PWM输出为低电平，强行关闭开关管Q3，确保系统安全。

　　软件设计

　　智能充电器的软件设计，主要包括系统主程序、镍镉电池快速充电子程序、ANFIS预测电流子程序和故障报警程序等，使用C语言和汇编语言混合编程，在KeilC166软件开发平台上完成。系统软件对XC164单片机特殊功能寄存器SFR的设置在START_V2.A66中使用汇编语言文件，而整个充电系统的控制程序采用C语言文件。

　　系统上电后进入初始化，读取E2PROM中的参数，完成各中断寄存器和I/O口的功能设置，给相应单元赋初始值。完成后进入待机等待状态。充电开始，先检测是否有电池连接，若检测到有电池接入，则进入电池的快速充电过程，其流程图如图5所示。ANFIS预测可接受电流子程序如图6所示。

　　图5单节镍镉电池智能充电流程图

　　图6ANFIS预测可接受电流子程序图

　　所有的控制程序都由通过中断完成，包括由T12周期中断实现ANFIS预测电流和充电电流的控制，由T3周期中断实现充电控制和去极化子程序控制，以及由CCU6硬件陷阱中断实现供电过流/短路保护。

　　对于镍镉电池的快速充电阶段，采用自适应跟踪电池可接受电流变化和负脉冲充电相结合的方法。在A-C段，每2分钟检测电池的电压和电流信息，作为ANFIS模型的输入数据，通过ANFIS预测下一时刻电池的可接受电流ick，直到预测结果满足要求才输出ick，送给微处理器作为实际的充电电流大小，通过单片机控制调整充电电路的输出电压，给电池提供ick的电流进行恒流充电。在A-B段，采用间歇负脉冲消除极化效应。开始停充2ms消除欧姆极化，之后采用大小约为充电电流的2.5倍的放电电流放电3ms，有效的消除浓度差极化和电化学极化，放电终止5ms后充电电流重新启动。

　　当电池充入85%的电量时，接近充足电；此后，电池的极化现象严重，这时，即使加入负脉冲去极化后，蓄电池可接受的充电电流仍然很小。因此，在检测到充电电流ic≤I0/10后，停止调用负脉冲去极化子程序。

　　试验结果

镍镉电池的智能充电过程，电池的最大充电电流