新能源汽车快速充电系统的设计

熊 文，杨 川，王正旭，王凯立

(重庆理工大学电子信息与自动化学院，重庆 400054)

新能源汽车发展的主要起因是解决能源短缺、环境污染和气候变暖问题。2010年3月底，国家发改委颁布《新能源汽车发展规划》，将新能源汽车发展提高为国家战略，这说明了发展新能源汽车是必然趋势，同时也将是新能源汽车发展的重大契机［1］。电动汽车是一种新能源汽车的朝阳产业。伴随着电动汽车的高速发展，一个隐含着的电池产业链也将发展起来，这些发展都与快速充电有莫大联系。因此，必须要先解决好充电这个难题［2-4］。

本文主要设计一个利用超级电容实现新能源汽车快速充电的系统，解决了传统动力电池在高功率输出、快速充电、使用寿命等方面存在的问题。快速充电系统要解决的关键问题有:向超级电容快速充电的充电机设计;超级电容向电池实现能量的转换;超级电容容量和蓄电池蓄能量的实时测量;根据电容向电池充电的电流大小做PID调节，使之尽可能吻合电池最佳充电曲线，延长电池寿命，提高能量转换效率。图1是快速充电系统整体框图。

图1 系统整体框图

1 超级电容充电系统设计

超级电容采用特殊的电极结构，电极表面积成万倍地增加，从而产生极大的电容量。超级电容的这种极化作用可以储存电能，并能实现电荷的快速贮存和释放，输出功率密度高达数kW/kg，是一般蓄电池的数十倍。

向超级电容快速充电共有恒电压、恒电流、恒功率3种充电方式。恒功率充电方式在充电时间上更具有优势，也是效率最高的选择［5-6］，其原理是保持电压和电流的乘积不变［7］。图2为超级电容充电框图，硬件由单相整流电路、双管正激变换器、电流电压检测反馈电路及保护电路等部分组成。首先将交流电整流滤波为直流电，然后通过双管正激变换器降压，在电气上实现输入输出的隔离。最后利用电流反馈环节，通过峰值电流控制，达到恒功率充电的目的。

图2 超级电容充电框图

2 超级电容向电池转换能量系统设计

图3为超级电容向电池换能框图。采用“增强型”SMT32F103RC为核心控制模块。增强型系列时钟频率能达到72 MHz，使用嵌入式系统使整个硬件电路的设计极大简化。3个基本单元为boost升压单元、buck降压单元与检测单元。系统通过CPU实时对A/D转化的采样电压进行检测，比对基准电压后，进行升压、降压电路的切换［8-10］。

图3 超级电容向电池换能

系统核心硬件原理如图4所示。Buck、boost电路分别采用开关电源芯片LM2596和LM2587，它们具有很好的线性和负载调节特性，并且只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。电流传感器TBC-10SY使用正负电源以得到很好的线性度，同时需对信号进行放大后才能采集(采用LM324同相放大)。在 OUTPUT处，由于 STM32的ADC识别范围为0～3.3 V，所以电压必须分压后采集。

图4 系统核心硬件原理

3 软件设计

3.1 电量的测量

在整个充电过程中，必须对超级电容电量、蓄电池电量进行实时检测。SOC是反映当前电池(电容)容量的状态参数。本文通过测量SOC来达到实时检测电量的目的。对于一阶超级电容和蓄电池的SOC计算，可通过时安法得到一个关于SOC的非线性方程:其中:F［SOC(t)］是t时刻超级电容的电量;Q0是电池的额定电量。通过卡尔曼滤波递推［11］进行状态估计，可以直接得到SOC估计值数学方程如下:

状态方程

测量方程

卡尔曼滤波计算的流程如图5所示。

图5 卡尔曼滤波计算流程

3.2 能量转换控制流程

软件流程如图6所示。通过检测电路，STM32对超级电容的电压进行数据采样。如果超级电容的电压大于预设基准电压6 V，由STM32判断选择BUCK电路，进行降压变换，同时进行D/A转换，得到反馈电压作用于BUCK电路反馈端，使LM2596的片内馈压自行调节PWM输出。为了提高电路的抗干扰性，利用PID调节输出电压，得到稳定的输出电压;当超级电容的电压小于预设基准电压6V时，则切换到BOOST电路进行升压变换，同样产生反馈电压，进行 PWM控制。通过BUCK和BOOST电路的变换和调节，得到最大功率的输出对蓄电池进行充电。

图6 软件流程

4 数据测试

4.1 测试环境、仪器与测试内容

测试时间:2013-06-20

测试温度:37℃

测试仪器:7 000 mAH可充锂电池，万用表，电脑，直流电源，示波器。

测试内容:霍尔传感器原边电流与副边电流的线性度，充电效率计算，实际充电流程。

4.2 测试结果

测试结果见表1、2。

由测试数据可得原边电流与副边电流的转换率约为0.55，基本满足线性关系。

表1 霍尔电流传感器测试数据

表2 充电效率统计

经计算，充电平均效率可达81.849 8%。

4.3 误差分析与总结

从测试结果可以看出:电压采集出来的数据精度更高。电压信号强度大，要将它衰减到最大电压值时，传递到STM32采集的电压不超过3.3 V，那么在信号出现衰减的时候，干扰信号也会衰减，所以采集出来的电压信号抗干扰能力较强。而电流信号则相反，信号偏小需要放大。在放大信号的同时，干扰信号随之放大。

经测试，对于7 000 mAH可充锂电池，由于电池的自动保护功能，电池电压低于7 V后，电流开始实行自动保护，无法检测电池容量。因此，电池从7 V开始充电，充电初有一涓流充电过程，此时充电电流低于2 A，电压由7 V快速上升，电流也持续增加。当电压上升到12 V时，充电进入恒流阶段，电流保持2 A不变，电压缓慢上升。当电压上升到12.5 V时，充电进入恒压阶段，充电电压保持12.5 V不变，电流持续下降。当电流下降到1.3 A时，充电结束。整个充电过程持续92 min。

5 结束语

新能源汽车势必将逐渐取代传统汽车，而蓄电池的充电则成为阻碍新能源汽车广泛应用的难题。本文详细阐述了利用超级电容实现新能源汽车快速充电系统的设计过程，并对电路的性能进行了测试。本文研究符合绿色能源发展的需要，解决了新能源汽车快速充电的问题，有助于推动相关技术的普及与应用。同时，系统的软硬件设计采用了模块化，增加了通用性、灵活性，不仅可实现本设计所需的快速充电功能，而且可扩展、延伸、应用于多种控制器的设计，因此有着较为广泛的应用前景。

但是解决了快速充电问题并不意味着完善了对蓄电池充电的过程。为实现充电的便捷性，发展无线充电将是必然的趋势。本设计未来可开发点阵式电源供电。新能源汽车快速充电将是一个长期热门的议题。

［1］鲁莽，周小兵，张维.国内外电动汽车充电设施发展状况研究［J］.华中电力，2010(5):16-20.

［2］曹建波，李军伟，续慧，等.超级电容在电动车中的应用研究［J］.西安交通大学学报，2008，11:1317-1322.

［3］GAO Li jun，DOUGALRA，LIU Sheng yi.Power enhancement of nactively controlled battery ultra capacitor hybrid［J］.IEEE Trans on Power Electronics，2005，20(1):236-243.

［4］YOSHID A A，IMOTO K，YODED A H，et al.An electric double layer capacitor with high capacitance and low resistance［J］.IEEE Trans on Components Hybrids and Manufacturing Technology，1992(15):133-138.

［5］张慧妍.超级电容器直流储能系统分析与控制技术的研究［D］.北京:中国科学院电工研究所，2006.

［6］张金龙，王久和，吴细宝.基于光伏发电系统的超级电容器充电效率的研究［J］.北京信息科技大学学报，2011(12):76-81.

［7］胡红彦，吕振东，孙振路.高效率超级电容充电系统设计［J］.河北省科学院学报，2010(12):34-37.

［8］杨奕，吴章濠，肖丹.基于STM32的并联智能供电设计［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2012(2):101-106.

［9］邓泽霞.电路电子基础实验［M］.北京:中国电力出版社，2009.

［10］赵茂泰.电子测量仪器设计［M］.武汉:华中科技大学出版社，2010.

［11］郝国亮.超级电容荷电状态计算方法的研究［D］.北京:华北电力大学工学，2012:23-26.