CN101355260B - 用于锂离子蓄电池充放电的变换控制器及变换控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于锂离子蓄电池充放电的变换控制器及变换控制方法，包括一个连接外部输入的关断信号SD1的辅助电源、主电路，主电路蓄电池端通过储能电感连接开关管S1漏极和开关管S2源极；开关管S2漏极连接母线端，开关管S1、S2的控制极连接驱动电路的输出；驱动电路的输入连接切换电路的驱动信号PWM输出端；切换电路的输入端分别连接外部切换控制信号SD2、恒流转恒压辅助电路输出的充电反馈信号FB1、母线端的放电采样单元输出的放电反馈信号FB2和控制电路输出的正相驱动信号PWMA；切换电路的另一个输出端输出反馈信号FB到控制电路；恒流转恒压辅助电路的输入端连接蓄电池端的充电采样单元输出的电压、电流采样信号Vb、Ib。
Description
技术领域
本发明涉及微小卫星供电系统、太阳能(风能)发电系统、直流电机驱动系统、不间断供电系统、电动汽车等系统中对锂离子蓄电池组进行充、放电变换的一种能量变换及控制装置。
背景技术
供电系统通常由太阳能电池组、蓄电池组、DC/DC变换器和分流器等组成。在传统的供电系统中，DC/DC变换器由充电DC/DC和放电DC/DC变换器两部分组成[图1(a)]。在日照区，太阳能电池组不仅对负载供电，还通过充电DC/DC变换器对蓄电池充电。在日影区，蓄电池通过放电DC/DC变换器对负载供电。
DC/DC变换器可以分为隔离型和非隔离型两大类，典型的非隔离型变换器电路拓扑有三种，分别为：升压变换器(Boost)、降压变换器(Buck)、逆向变换器(Buck-Boost)。
传统的供电系统中，对蓄电池的充、放电变换由于使用两套DC/DC变换器，供电系统的体积较大，重量难以减轻，工作效率较低。
发明内容
为了减轻重量、减小体积和降低成本，本发明提供了一种用于锂离子蓄电池组充放电的双向DC/DC变换控制器取代传统的两个分立的充电、放电DC/DC变换器，即用一套变换电路可以实现能量的双向传递，完成两套独立的单向DC/DC变换器才能实现的功能。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种用于锂离子蓄电池组充放电的变换控制器，包括主回路、辅助电源、驱动电路、控制电路、恒流转恒压辅助电路，其特征在于，所述主回路包括蓄电池端的充电采样单元和母线端的放电采样单元，蓄电池端通过一个储能电感连接第一开关管的漏极和第二开关管的源极；第二开关管的漏极连接母线端，第一、第二开关管的控制极连接驱动电路的输出；该驱动电路的输入连接一个切换电路的驱动信号PWM输出端；该切换电路的输入端分别连接一个外部切换控制信号SD2、恒流转恒压辅助电路输出的充电反馈信号FB1、放电采样单元输出的放电反馈信号FB2和控制电路输出的正相驱动信号PWMA；该切换电路的另一个输出端输出反馈信号FB连接控制电路；恒流转恒压辅助电路的输入端连接充电采样单元输出的电压、电流采样信号Vb、Ib；所述辅助电源与一个外部输入的关断信号SD1连接。
上述方案中，所述切换电路包括一个与三极管集电极连接的继电器，所述外部切换控制信号SD2连接该三极管的基极以控制集电极输出高低电平；所述继电器的一组常闭常开触点分别与来自恒流转恒压辅助电路的充电反馈信号FB1、放电采样单元的放电反馈信号FB2连接，并输出反馈信号FB至控制电路；另一组常闭常开触点分别与来自控制电路的正相驱动信号PWMA和经反相器的反相驱动信号PWMB连接，并输出驱动信号PWM到驱动电路。
所述充电采样单元由充电分压电阻R10、R11与电流采样电阻R23串联组成，充电分压电阻R10、R11的串联点输出电压采样信号Vb到恒流转恒压辅助电路；并通过电流采样电阻R23输出电流采样信号Ib到恒流转恒压辅助电路；所述放电采样单元由放电分压电阻R4、R12串联组成，放电分压电阻R4、R12的串连点输出放电反馈信号FB2到切换电路。
一种用上述变换控制器实现双向充、放电模式切换的方法，包括下述步骤：当由充电模式切换到放电模式时，先将连接辅助电源的外部关断信号SD1置位为高电平，将辅助电源关断，使控制电路停止工作；1秒钟后，将切换电路的外部切换控制信号SD2置位为高电平，使继电器吸合，选择放电反馈信号FB2和反相驱动信号PWMB分别为反馈信号FB和驱动信号PWM；外部切换控制信号SD2为高电平2秒钟后，外部关断信号SD1复位为低电平，辅助电源建立，变换控制器进入放电模式工作模式，完成切换；当由放电模式切换到充电模式时，先将连接辅助电源的外部关断信号SD1置位为高电平，将辅助电源关断，使控制电路停止工作；1秒钟后，将切换电路的外部切换控制信号SD2置位为低电平，使继电器不吸合，选择充电反馈信号FB1和正相驱动信号PWMA分别为反馈信号FB和驱动信号PWM；外部切换控制信号SD2为低电平2秒钟后，外部关断信号SD1复位为低电平，辅助电源建立，变换控制器进入充电模式工作模式，完成切换。
本发明与现有技术相比，其优点是，当变换器对蓄电池组充电时，工作在Buck模式。S2为PWM开关管，S1为续流管，Vo为输入端，Vb为输出端，能量流入蓄电池组。当变换器对蓄电池组放电时，工作在Boost模式。S1为PWM开关管，S2为续流管，Vb为输入端，Vo为输出端，能量流出蓄电池组。对蓄电池的充、放电变换由于使用一套变换器，供电系统的体积减小，重量减轻，工作效率显著提高。
本发明双向DC/DC变换器应用于微小卫星供电系统中，其充、放电工作模式切换在可由星务管理系统进行切换。双向DC/DC变换器在充电工作模式下，为Buck变换器。在放电工作模式下，为Boost变换器。
附图说明
图1为传统供电系统与本发明供电系统的比较。其中：图1(a)为包括充电DC/DC和放电DC/DC传统变换器的供电系统结构简图；图1(b)为包括本发明双向DC/DC变换控制器的供电系统简图。
图2本发明双向DC/DC变换控制器的功能结构图。
图3图2的的一个具体实施例电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
以微小卫星供电系统的应用为例，供电系统额定功率为100W，直流母线和蓄电池组之间不要求电气隔离，适合使用非隔离型双向DC/DC变换器。根据系统要求，本发明所设计的Buck/Boost型双向DC/DC变换器，电路结构图如图2所示。包括驱动电路、主回路、控制电路、切换电路、恒流转恒压辅助电路和辅助电源几个部分。其中主回路包括蓄电池端Vb+的充电采样单元和母线端Vo+的放电采样单元。充电采样单元由采样分压电阻R10、R11和电流采样电阻R23串联组成；放电采样单元由分压电阻R4、R12串联组成。蓄电池端通过一个储能电感L连接第一开关管S1的漏极和第二开关管S2的源极；第二开关管S2的漏极连接母线端V0+，第一、第二开关管S1、S2的控制极连接驱动电路的输出；该驱动电路的输入连接一个切换电路的PWM信号输出端；该切换电路的输入端分别连接一个外部切换控制信号SD2、恒流转恒压辅助电路的输出信号FB1、放电采样单元R4、R12串联点输出的信号FB2和控制电路输出的信号PWMA；该切换电路的另一个FB信号输出端连接控制电路；恒流转恒压辅助电路的输入连接充电采样单元电阻R10、R11串联点的电压采样信号Vb、电流采样电阻R23的电流采样信号Ib；从母线端Vo+取电给各模块供电的辅助电源与一个外部输入的关断信号SD1连接。
图2的双向DC/DC变换器电路的一个实施例如图3所示，其充放电工作原理如下：
(1)充电模式Buck
在充电工作模式下，Vo为输入端，输入电压变化范围为30V～45V，Vb为输出端，输出电压为16.8V。反馈信号从R10、R11构成的分压网络中获取电压反馈信号，从电流采样电阻R23两端获取电流反馈信号。电流反馈信号和电压反馈信号分别经过恒流转恒压辅助电路的两级运算放大器放大后，由二极管D6、D7选择其中一个成为充电反馈输出信号FB1(反馈信号中包含电流和电压信号，目的是实现对锂离子电池组恒流转恒压的充电特性)。
充电反馈信号FB1输入到切换电路继电器JK的常闭点。在充电模式下，外部切换信号SD2为低电平(SD2由星务管理系统控制其输出状态)，继电器JK不吸合，FB1经继电器输出成为反馈信号FB。
反馈输出信号FB经控制电路中PWM控制器UC1843的PID补偿网络(R1、R2、R3、C1、C2)调节后，在UC1843内部和2.5V基准进行比较，在UC1843的6脚输出正相驱动信号PWMA。由于双向DC/DC变换器工作在两种模式，将PWMA反相，生成另一路反相驱动信号PWMB。PWMA和PWMB分别送到继电器的常闭点和常开点。此时，外部切换信号SD2为低电平，PWMA经继电器输出成为驱动信号PWM。
驱动信号PWM经过驱动电路后，分别驱动主电路的开关管S2和S1。S2和S1的驱动信号相位相反。其中S2和PWM相位相同，S2为PWM开关管，S1为续流管。主回路构成典型的闭环控制Buck电路，通过蓄电池端Vb+对蓄电池组进行充电变换。
(2)放电模式Boost
在放电工作模式下，Vb为输入端，输入电压变化范围为10.8V～16.8V，Vo为输出端，输出电压为28V。放电反馈信号FB2从控制电路的R4、R12构成的分压网络中获取。
放电反馈信号FB2输入到切换电路继电器JK的常开点。在放电模式下，外部切换信号SD2为高电平，继电器JK吸合，FB2经继电器输出成为反馈信号FB。
与Buck工作模式相同，反馈信号FB经PWM控制器UC1843的PID补偿网络调节后，在UC1843的6脚输出正相驱动信号PWMA。并将PWMA反相，生成反相驱动信号PWMB。此时，SD2为高电平，继电器JK吸合，PWMB经继电器输出成为驱动信号PWM。
驱动信号经过驱动电路后，分别驱动主电路的开关管S2和S1。S2依然和PWM相位相同，但与Buck变换不同的是，此时，S1为PWM开关管，S2为续流管。主回路构成典型的闭环控制Boost电路。
(3)双向DC/DC变换器工作模式的切换
结合图1(b)，太阳能电池组输出电压受光照、温度等影响，其输出电压会产生变化。通常，微小卫星太阳能电池组输出电压变化范围为30V～45V。星务管理系统通过检测太阳能电池组输出电压来决定双向DC/DC的充、放电模式。
在光照区，当太阳能电池组输出电压大于33V时，双向DC/DC工作在充电模式。太阳能电池组除对系统供电外，还经双向DC/DC变换器对蓄电池充电。
当微小卫星进入光影区时，太阳能电池组输出电压很快降低，当太阳能电池组输出电压降至32V时，星务管理系统向双向DC/DC发出放电指令，双向DC/DC切换到放电模式，放电电压为28V。太阳能电池组电压低于28V后，直接由双向DC/DC提供的28V电压维持系统母线稳定。
双向DC/DC提前放电的目的是实现太阳能电池组供电和蓄电池供电之间，母线电压的无缝切换。避免母线电压突变对系统产生不利的影响。
双向DC/DC变换控制器具体的充、放电模式切换由外部控制信号SD2和SD1来实现。SD2为外部切换控制信号，SD1为辅助电源的外部关断信号。当Buck工作模式切换到Boost工作模式时，星务管理系统进行双向DC/DC变换器工作模式切换时，先将SD1置位为高电平，将辅助电源关断，由于UC1843失去Vcc，控制电路停止工作。1秒后，将SD2置位为高电平，继电器吸合，选择FB2和PWMB分别为反馈信号和驱动信号。SD2为高电平2秒后，SD1复位为低电平，辅助电源建立。双向DC/DC变换器进入Boost工作模式。双向DC/DC变换器完成切换。
当Boost模式切换至Buck模式时，先将连接辅助电源的外部关断信号SD1置位为高电平，将辅助电源关断，使控制电路停止工作；1秒钟后，将切换电路的外部切换控制信号SD2置位为低电平，使继电器不吸合，选择放电反馈信号FB1和正相驱动信号PWMA分别为反馈信号FB和驱动信号PWM；外部切换控制信号SD2为低电平2秒钟后，外部关断信号SD1复位为低电平，辅助电源建立，变换控制器进入充电模式工作模式，完成切换。
Claims (4)
1.一种用于锂离子蓄电池组充放电的变换控制器，包括主回路、辅助电源、驱动电路、控制电路、恒流转恒压辅助电路，其特征在于，所述主回路包括蓄电池端的充电采样单元和母线端的放电采样单元，蓄电池端通过一个储能电感连接第一开关管的漏极和第二开关管的源极；第二开关管的漏极连接母线端，第一、第二开关管的控制极连接驱动电路的输出；该驱动电路的输入连接一个切换电路的驱动信号PWM输出端；该切换电路的输入端分别连接一个外部切换控制信号SD2、恒流转恒压辅助电路输出的充电反馈信号FB1、放电采样单元输出的放电反馈信号FB2和控制电路输出的正相驱动信号PWMA；该切换电路的另一个输出端输出反馈信号FB连接控制电路；恒流转恒压辅助电路的输入端连接充电采样单元输出的电压、电流采样信号Vb、Ib；所述切换电路包括一个与三极管集电极连接的继电器，所述外部切换控制信号SD2连接该三极管的基极以控制集电极输出高低电平；所述继电器的一组常闭常开触点分别与来自恒流转恒压辅助电路的充电反馈信号FB1、放电采样单元的放电反馈信号FB2连接，并输出反馈信号FB至控制电路；另一组常闭常开触点分别与来自控制电路的正相驱动信号PWMA和经反相器的反相驱动信号PWMB连接，并输出驱动信号PWM到驱动电路。
2.如权利要求1所述用于锂离子蓄电池组充放电的变换控制器，其特征在于，所述充电采样单元由充电分压电阻R10、R11与电流采样电阻R23串联组成，充电分压电阻R10、R11的串联点输出电压采样信号Vb到恒流转恒压辅助电路；并通过电流采样电阻R23输出电流采样信号Ib到恒流转恒压辅助电路。
3.如权利要求1所述用于锂离子蓄电池组充放电的变换控制器，其特征在于，所述放电采样单元由放电分压电阻R4、R12串联组成，放电分压电阻R4、R12的串连点输出放电反馈信号FB2到切换电路。
4.一种采用权利要求1的用于锂离子蓄电池充放电的变换控制器实现变换控制的方法，包括下述步骤：当由充电模式切换到放电模式时，先将连接辅助电源的外部关断信号SD1置位为高电平，将辅助电源关断，使控制电路停止工作；1秒钟后，将切换电路的外部切换控制信号SD2置位为高电平，使继电器吸合，选择放电反馈信号FB2和反相驱动信号PWMB分别为反馈信号FB和驱动信号PWM；外部切换控制信号SD2为高电平2秒钟后，外部关断信号SD1复位为低电平，辅助电源建立，变换控制器进入放电模式工作模式，完成切换；当由放电模式切换到充电模式时，先将连接辅助电源的外部关断信号SD1置位为高电平，将辅助电源关断，使控制电路停止工作；1秒钟后，将切换电路的外部切换控制信号SD2置位为低电平，使继电器不吸合，选择充电反馈信号FB1和正相驱动信号PWMA分别为反馈信号FB和驱动信号PWM；外部切换控制信号SD2为低电平2秒钟后，外部关断信号SD1复位为低电平，辅助电源建立，变换控制器进入充电模式工作模式，完成切换。
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