CN103384075B - 低纹波锂电池充放电实现方法 - Google Patents

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本发明涉及一种低纹波锂电池充放电实现方法，该法采用双向开关电源对锂电池进行充放电，其中，所述开关电源的功率电路为双向半桥/同步倍流整流的双向DC/DC变换电路，控制电路采用电感充电电荷控制，以及采用双PI调节器和二极管自动选择电路，从而实现对锂电池的恒流充电、恒压充电和恒流放电，实现从恒流充电自动向恒压充电状态平滑转换。本发明还通过将滤波总电感电流iL作为控制对象，实现对锂电池超低纹波的充放电。<!--1-->

Description

低纹波锂电池充放电实现方法
技术领域
本发明涉及电池的充放电，具体地指一种超低纹波锂电池充放电实现方法。
背景技术
随着新能源技术的发展，锂电池是主要的储能设备，需要对其进行活化和精确充放电测试。小功率场合可以采用低纹波的线性电流，损耗可以不考虑，散热问题好解决；由于线性电源效率低，在大功率场合损耗大，散热问题不好解决，可靠性低，就只能采用高效率的开关电源。但采用常规PWM控制的开关电源的纹波较大，难以满足精确测试锂电池对开关电源输出超低纹波的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种超低纹波锂电池充放电方法，本发明通过开关电源输出超低纹波以满足锂电池充放电的要求，并能实现开关电源的能量双向传输（包括对锂电池进行恒流充电、恒压充电和恒流放电）。
实现本发明目的所采取的技术方案是：一种波锂电池充放电方法，通过开关电源对锂电池进行充放电；其中，所述开关电源的功率电路为双向半桥/同步倍流整流的双向DC/DC变换电路，控制电路采用电感充电电荷控制，以及采用双PI调节器和二极管自动选择电路，从而实现对锂电池的恒流充电、恒压充电和恒流放电，实现从恒流充电自动向恒压充电状态平滑转换。
本发明直接将滤波电感电流iL作为控制对象，用精密取样电阻取样，经过精密调理电路后得到正比于电感电流的信号k1iL，对该信号进行积分，得到正比于电感充电电荷的积分电压Vint；同时，对输出电流和电压进行精密取样、精密放大后的取样信号再与各自输出给定参考值进行比较、PI调节、二极管自动选择后输出参考信号u*；然后上述积分电压Vint与参考信号u*比较，产生PWM控制信号，经逻辑与驱动电路分配、隔离、放大后去控制DC/DC变换电路的功率开关管适时开通和关断，确保DC/DC变换电路在每个开关周期对滤波电感充电的电荷正比于给定参考值，经LC滤波器滤除高频纹波后，得到超低纹波的直流输出。
附图说明
图1是本发明超低纹波锂电池充放电开关电源的电路图；
图2是图1中DC/DC变换电路的电路图；
图3是本发明超低纹波锂电池充放电开关电源充电工作时时序波形图；
图4是本发明超低纹波锂电池充放电开关电源放电工作时时序波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施例以输出电压5V、恒流充放电电流100A、额定功率500W的开关电源来说明本发明开关电源如何实现超低纹波的直流输出，以及实现能量的双向传输。
如图1所示，本实施例所用开关电源中的控制电路主要包括电感电流精密取样电路、输出电流精密取样电路、输出电压精密取样电路、取样信号精密调理电路、电流调节器PI-1、电压调节器PI-2、精密比较器、可复位积分器、脉冲振荡器、RS触发器、逻辑与驱动电路等，其中可复位积分器复位开关采用模拟开关，复位脉冲来自RS触发器信号，高电平有效，使积分器复位。逻辑与驱动电路把来自RS触发器的PWM信号进行分配、隔离、放大后送到DC/DC变换电路去控制图2中所示的功率开关管（IGBT或功率MOS管）适时导通和关断。
本实施例所用开关电源中的功率电路主要包括保险、软启动电路、DC/DC变换电路、滤波电路、取样电路、电池接通开关、辅助电源等。
本实施例中DC/DC变换电路为双向半桥/同步倍流整流电路，如图2所示。在图2中，Fuse1是自恢复保险，JDQ1是延时继电器，加电时JDQ1断开，直流母线VDC经R3给电容C1—C4充电，电容充满后JDQ1闭合，R3被旁路。辅助电源从直流母线VDC上取电再经变换后给控制电路和驱动电路供电。JDQ2是电池通断开关，与小电感L3一起防止锂电池接入时出现电流浪涌。
给锂电池充电工作时时序波形如图3所示，当输出电压小于5V时，开关电源工作于电流源状态，电流恒定为100A，此时，电压调节器PI-2输出为高电压，选择二极管D2关断，电流调节器PI-1输出为低电压，选择二极管D1导通，电流环回路工作，稳定充电电流。
输出电流Io用精密取样电阻Rsen2取样、精密运放AD620放大、调理后得到输出电流信号k2Io，与输出电流给定值Iref一起送到电流调节器PI-1进行误差放大，其输出给精密比较器提供参考信号u*。本实施例中，精密取样电阻Rsen2串联在输出端对输出电流I0取样。
总电感电流iL用精密取样电阻Rsen1取样、精密运放AD620放大、调理后得到电感电流信号k1iL。本实施例中，精密取样电阻Rsen1串联在电路中对电感充电电流I0取样。
开始工作时，RS触发器输出Q信号和精密比较器输出均为低电平，PWM为低电平。
一个开关周期开始时，脉冲振荡器输出时钟脉冲CLK去触发RS触发器，RS触发器输出Q信号变为高电平，PWM信号为高电平，直流母线VDC经DC/DC变换电路向电感和负载提供能量，电感电流iL增大；同时RS触发器输出信号为低电平，模拟开关开路，积分器对电感电流iL积分，输出，整理得到，R、C是积分参数、k1是比例常数，Vint正比于电感充电电流iL的积分，即直流母线经DC/DC变换电路传输给电感的电荷。
当Vint=u*时，精密比较器翻转输出高电平，RS触发器清零，输出Q信号变为低电平，PWM信号变为低电平，直流母线VDC停止经双向DC/DC变换电路向电感和负载提供能量，电感电流iL减小并向负载放电；同时RS触发器输出信号为高电平，控制模拟开关短路，积分器复位，等待下一个时钟脉冲CLK。在每一个开关周期内，向电感充电电荷正比于输出电流给定值，实现了恒流充电。
恒流充电时，锂电池电压在逐渐增大，当锂电池电压超过额定值（5V）时电压调节器PI-2输出电压变低，选择二极管D2导通，电压环回路工作；同时，选择二极管D1截止，电流环回路停止工作，自动实现从恒流充电到恒压充电的状态转换。
恒压充电时，工作过程和时序波形同上，但是充电电荷会使锂电池储能增大，为维持锂电池电压恒定，电压调节器PI-2输出的参考信号u*在逐渐减小，使得充电电流减小，即每个开关周期内电感充电电荷在减少。
锂电池放电时仅工作在恒流放电状态，选择二极管D2截止，电压环不工作；选择二极管D1导通，电流环工作。放电工作时时序波形如图4所示。
锂电池放电电流Io经取样、放大、调理后，与电流给定值Iref一起送到电流调节器PI-1进行误差放大，其输出给精密比较器提供参考信号u*。
一个开关周期开始时，振荡器发出触发脉冲CLK触发RS触发器，PWM信号变高电平，功率MOS管MS3、MS4均导通，给电感L1、L2同时充电，对电感充电总电流iL取样、放大、调理、积分，当可复位积分器输出积分电压Vint=u*时，比较器翻转输出高电平，RS触发器清零，输出Q信号变为低电平，PWM信号变低，经逻辑与驱动电路的逻辑分配、驱动，控制MS4关断，电感L1经变压器、MS1向直流母线VDC放电，电感L1电流减小，iL在减小；同时RS触发器输出信号为高电平，控制模拟开关短路，积分器复位，等待下一个时钟脉冲CLK。
在下一个开关周期内，是MS3关断，电感L2经变压器、MS2向直流母线VDC放电。如此循环，MS3、MS4轮流关断，电感L1、L2轮流向直流母线VDC放电，经L3C滤波，实现对锂电池超低纹波恒流放电，锂电池电压在降低。当锂电池电压低于一定值（2.5V）时停止放电。

Claims (1)

1.一种低纹波锂电池充放电实现方法，其特征在于：通过开关电源对锂电池进行充放电；其中，所述开关电源的功率电路为双向半桥/同步倍流整流的双向DC/DC变换电路，采用电感充电电荷控制，以及采用双PI调节器和二极管自动选择电路，从而实现对锂电池的低纹波恒流充电、恒压充电和恒流放电，实现从恒流充电自动向恒压充电状态平滑转换；所述开关电源的控制电路采用电感充电电荷控制，以及采用双PI调节器和二极管自动选择电路，实现对所述开关电源输出的低纹波控制，以及恒流充电到恒压充电状态平滑转换；
所述对锂电池恒压充电的实现方法包括：
由电压调节器PI-2和选择二极管D2电路构成的电压环工作，稳定输出电压，控制所述开关电源正向传输能量；
所述对锂电池的恒流充电的实现方法包括：
由电流调节器PI-1和选择二极管D1构成的电流环工作，稳定输出电流，控制所述开关电源正向传输能量；
所述对锂电池的恒流充电到恒压充电状态平滑转换的实现方法包括：
在上述恒流充电时，当锂电池电压达到额定值时电压调节器PI-2输出电压变低，选择二极管D2导通，电压环回路工作；同时，选择二极管D1截止，电流环回路停止工作，自动实现从恒流充电到恒压充电的状态转换；
所述对锂电池的恒流放电包括：
由电流调节器PI-1和选择二极管D1电路构成的电流环工作，稳定输出电流，控制所述开关电源逆向传输能量；
一个开关周期开始时，脉冲振荡器输出时钟脉冲CLK去触发RS触发器，RS触发器输出Q信号变为高电平，PWM信号为高电平，直流母线VDC经DC/DC变换电路向电感和负载提供能量，电感电流iL增大；同时RS触发器输出信号为低电平，模拟开关开路，积分器对电感电流iL积分，输出整理得到R、C是积分参数、k1是比例常数，Vint正比于电感充电电流iL的积分，即直流母线经DC/DC变换电路传输给电感的电荷；
在下一个开关周期内，是MS3关断，电感L2经变压器、MS2向直流母线VDC放电；如此循环，MS3、MS4轮流关断，电感L1、L2轮流向直流母线VDC放电，经L3C滤波，实现对锂电池超低纹波恒流放电，锂电池电压在降低；当锂电池电压低于一定值时停止放电。
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