CN105515157A - 太阳能发电用的锂电池恒流恒压充电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能发电用的锂电池恒流恒压充电控制方法，包括：步骤101、将BEA信号初始化至C；步骤102、采集方阵电流、负载电流、以及放电电流；当方阵电流大于负载电流时，则太阳能发电处于光照期，进而执行步骤1021；当方阵电流不大于负载电流、且放电电流大于2A时，太阳能发电处于地影期，进而执行步骤1022；步骤1021、首先采用恒流充电的方式对锂电池进行充电，当锂电池的电压达到恒压充电阈值时，然后每隔时间t后将BEA信号递减Δc；最后根据BEA信号对锂电池的充电电流进行控制；步骤1022、每隔时间t后将BEA信号递减Δc；然后根据BEA信号对锂电池的充电电流进行控制。

Description

太阳能发电用的锂电池恒流恒压充电控制方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种太阳能发电用的锂电池恒流恒压充电控制方法。

背景技术

在我国，锂离子电池组及其控制、管理系统已成为当前的研究热点。锂离子电池代表了储能设备的发展方向，它具有轻重量、体积小、无记忆效应、适应温度范围广等优点，是主流应用的镉镍、氢镍电池的替代产品。在采用镉镍、氢镍电池的电能存储系统中，基本上都采用恒流充电方式。由于锂电池的过充电和过放电具有潜在的危险，因此，结合锂离子电池特性选择一种合适、高效的充电方式，能够使蓄电池具备稳定、良好的工作状态，从而确保电能存储系统安全可靠地工作。从锂离子电池多年发展来看，恒流恒压充电控制是最普遍、最适合采用的充电控制方式。

目前，应用于电能存储系统的锂离子电池恒流恒压充电装置多采用硬件恒流恒压控制方法，或是软件控制恒流恒压充电与硬件恒流恒压控制方法二者互为备份。其中，软件控制方式多采用采集反馈电流大小和蓄电池单体电压情况，调整充电电流大小的方法实现恒流恒压充电。但是，电池电压的变化是缓慢的过程，而且锂离子电池禁止过充过放，所以，在调整充电电流之后，需要给蓄电池充分的时间，待其电压稳定后，再根据系统当前状态继续调整充电电流。以上描述的软件控制蓄电池恒流恒压充电的方法需要通过状态机来实现，状态机思想在蓄电池充电控制上的应用更能契合锂离子蓄电池特性。

结合电池缓慢变化的特性，以及锂电池禁止过充过放的特点，国内正在逐步开展的软件控制锂电池充电方面的研究较少强调软件架构和思路与电池特性匹配之间的重要性。国内关于蓄电池的软件控制算法方面的研究逐渐趋于完善，但是关于控制的可靠性方面的研究并不多见。可靠性更是不容忽视的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种太阳能发电用的锂电池恒流恒压充电控制方法。该太阳能发电用的锂电池恒流恒压充电控制方法以状态机原理为基础，提高控制过程的积极性。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种太阳能发电用的锂电池恒流恒压充电控制方法，至少包括如下步骤：

步骤101、将BEA信号初始化至C；其中：C为一个常数；

步骤102、采集方阵电流、负载电流、以及放电电流；当方阵电流大于负载电流时，则太阳能发电处于光照期，进而执行步骤1021；当方阵电流不大于负载电流、且放电电流大于2A时，太阳能发电处于地影期，进而执行步骤1022；

步骤1021、首先采用恒流充电的方式对锂电池进行充电，当锂电池的电压达到恒压充电阈值时，然后每隔时间t后将BEA信号递减Δc；其中：Δc为递减常数；且n×Δ_c＝C；其中：n为大于2的自然数；最后根据BEA信号对锂电池的充电电流进行控制；

步骤1022、每隔时间t后将BEA信号递减Δc；其中：Δc为递减常数；且n×Δ_c＝C；其中：n为大于2的自然数；然后根据BEA信号对锂电池的充电电流进行控制。

进一步：所述C＝0.8V。

更进一步：所述n＝4。

更进一步：所述ΔC＝0.2V。

更进一步：所述恒压充电阈值为35.5V。

更进一步：所述时间t为5分钟。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、本发明将状态机思想应用在锂电池恒流恒压充电的控制方法中。不仅提高了锂电池的利用效率，而且增加了电子系统的可靠性。

2、本发明提供了一种电源下位机的解决方案，所涉及的以DSP为核心的数字平台系统具备数据采集和处理、模拟量输出、指令输出等功能；同时介绍了锂离子蓄电池恒流恒压充电的控制方法在下位机软件中是如何实现的。本领域的技术人员可以根据本专利阐述的内容，搭建类似的数字平台，并且掌握和充电相关的控制算法在电源下位机的实现方法和过程。

3、本发明涉及的数字平台系统的主芯片TMS320F2812运行速度快，集成度高，是一款适用于工业控制的CPU。结合锂离子电池严禁过充电的特点，本发明涉及的以DSP为核心的数字平台系统可以快速捕捉到蓄电池电压和相关参数的变化，为电源系统的实时控制提供了有力保障。

4、本发明阐述的软件控制充电方法中涉及的状态机思想广泛适用于任何使用锂电池作为储能电源的电子系统场合，结合锂电池性价比高的特点，本发明拥有广阔的应用前景。

附图说明：

图1为本发明采用的以DSP为主芯片的控制系统框图。

图2是在BEA控制下充电过程的曲线。

图3是恒流恒压充电方法软件流程图。

图4是BEA信号的状态变化图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本发明以卫星电源系统的蓄电池恒流恒压充电为例，需要强调的是，本发明涉及的控制充电的方法绝不仅限于卫星电子系统，广泛适用于任何使用锂电池作为储能电源的电子系统场合。

本发明的具体技术内容是：

硬件部分，请参阅图1，电源系统由三结砷化镓太阳电池阵、锂离子蓄电池组、电源控制器三部分组成。系统拓扑结构采用充放电、分流一体化的BCDSR系统拓扑结构，主要包括蓄电池充电控制、蓄电池放电调节以及太阳电池阵分流调节等功能。BCDSR模块在蓄电池误差放大器、母线误差放大器和模块控制单元的控制下，实现对太阳电池电流的分流、蓄电池的充放电自动控制。

针对锂离子蓄电池的充电特点，需要在传统充电设置电路的基础上增加电池误差放大器电路(BEA)，以实现硬件控制的限流-恒压控制充电方式。BEA形成蓄电池充电电流和充电电压进行调节控制信号。电池误差放大器电路(BEA)主要包括三个通路，一个是母线调压控制通路，一个是恒压控制通路，另一个是恒流控制通路，输出BEA信号控制充电电路工作，完成蓄电池组恒流-恒压充电功能。

充电开始时，如果电源系统功率不满足充电功率要求时，充电分流电路首先满足系统功率，再将多余的电流用于充电，说明此时进入恒流充电阶段；当电源系统功率满足充电要求，而此时未达到设定蓄电池组恒压值时，对蓄电池组进行恒流充电，电池电压逐渐升高，当电池电压达到设定值时，进行恒压充电。即锂离子蓄电池充电过程分为两个大的阶段，首先进入恒流充电阶段，然后进入恒压充电阶段。充电的过程如图2所示。

研制的难点在于充电功能的软件化设计，按现有设计，是通过BEA信号实现的锂离子蓄电池组恒流恒压充电控制。软件实现电源系统充电功能的具体做法是通过DSP遥测采集蓄电池组电压及充电电流信号，电源下位机判断当前是否满足软件充电自控的条件，如果不满足条件，也就是此时有多余的电流用于充电，说明此时属于恒流充电阶段；如果满足条件，也就是蓄电池电压达到设定值，根据本发明介绍的软件恒流恒压充电算法，确定当前BEA值大小，形成BEA信号，通过模拟量的形式控制充电电流大小。

结合电源系统的恒流恒压充电过程，恒流充电的过程中充电电流保持不变，恒压充电的过程充电电流呈逐渐减小的趋势。可以根据充电电流的变化过程设定充电电流值为N个档位，档位的数量和档位的间隔取决于锂电池电压在充电过程中变化的情况。上述关于充电过程的考虑就是状态机的雏形。

状态机思想广泛应用于硬件控制电路设计，也是软件上常用的一种处理方法。它把复杂的控制逻辑分解成有限个稳定状态，在每个状态上判断事件，变连续处理为离散数字处理，符合计算机的工作特点。同时，因为有限状态机具有有限个状态，所以可以在实际的工程上实现。由于有限状态机是闭环系统，有限无穷，可以用有限的状态处理无穷的事务。不仅如此，从软件的架构角度分析，有限状态机闭环的特点可以防止程序进入无效状态，避免了软件跑飞。从而保证了电池充电的可靠性。所以说状态机思想在蓄电池充电控制上的应用更能契合锂离子蓄电池特性。

下面简要介绍电源下位机的系统构成以及状态机思想在软件控制蓄电池恒流恒压充电过程中的具体实施过程。

电源下位机主要完成关键参数遥测、指令遥控、及充放电管理等功能(包括软件恒流恒压充电控制功能)。主要涉及到外围设备和接口单元控制，采用的DSP芯片是TMS320F2812。这款CPU主频最高可以达到150MHz，处理速度可以满足系统要求，是一款性价比高、易于开发和研制。

该芯片具有大量外设资源，如A/D、定时器、各种串口(同步和异步)，Watchdog、CAN总线、PWM发生器、数字I/O等，是针对控制应用最佳化的DSP，在TI所有的DSP中，只有C2000有FLASH，也只有该系列有异步串口可以和PC的UART相连。处理速度为20～150MHz。综上，选择TI公司生产的TMS320F2812作为电源下位机的主芯片是最合适的。TMS320F2812的功能框图如图1所示，芯片内部集成了ADC、PWM、eCAN等模块，方便扩展外围电路。

本项目应用DSP主要实现了BEA的软件化设计，设计上将电池组电压与充电电流经过信号处理后变换成DSP需要的0～3.3V范围内的信号，之后由DSP采集两个信号，判断电源控制器当前所处的工作阶段，根据状态机原理，在得知上一状态的BEA信号值前提下，得出当前状态的BEA信号。为了保证可靠性，采用三比二表决的形式，在经过三路合成信号的三比二表决后的输出信号才为BEA信号。

前面提到的关于状态机雏形的构思，具体到本发明介绍的电源系统中蓄电池充电的过程，地影期BEA信号设定0.8V，在这里需要说明的是，BEA信号的大小决定了充电电流的大小。本文后面提到的BEA信号变化的过程即是充电电流的变化过程；光照期BEA信号初始值设定为0.8V，当蓄电池电压达到恒压充电的阈值门限，开始逐渐减小BEA信号，0.8V的下一个状态时0.6V，0.6V的下一个状态时0.4V，以此类推，直到BEA信号减小至0V。

需要强调和指出的是，BEA信号在不同档位之间切换的时间间隔设定为5分钟，时间间隔的实现通过电源下位机的定时中断完成。定时中断函数的时间计量单位是5ms，用设定的时间除以时间计量单位，即可得到定时中断函数的计数变量的计数次数。

图3说明了软件控制恒流恒压充电的控制方法。

一种太阳能发电用的锂电池恒流恒压充电控制方法，至少包括如下步骤：

步骤101、将BEA信号初始化至C；其中：C为一个常数；

步骤102、采集方阵电流、负载电流、以及放电电流；当方阵电流大于负载电流时，则太阳能发电处于光照期，进而执行步骤1021；当方阵电流不大于负载电流、且放电电流大于2A时，太阳能发电处于地影期，进而执行步骤1022；此处的2A是地影期的其中一个判断阈值，当方阵电流不大于负载电流、放电电流大于0，说明当前处于地影期。由于放电电流是通过霍尔器件采样得到的，考虑到霍尔器件在小电流采样时的误差，因此定义“放电电流大于2A”作为地影期的其中一个判断阈值。“2A”的数值是经过工程验证的，是工程经验值；

步骤1021、首先采用恒流充电的方式对锂电池进行充电，当锂电池的电压达到恒压充电阈值时，然后每隔时间t后将BEA信号递减Δc；其中：Δc为递减常数；且n×Δ_c＝C；其中：n为大于2的自然数；最后根据BEA信号对锂电池的充电电流进行控制；

步骤1022、每隔时间t后将BEA信号递减Δc；其中：Δc为递减常数；且n×Δ_c＝C；其中：n为大于2的自然数；然后根据BEA信号对锂电池的充电电流进行控制。

开机后，在电源下位机初始化的过程中，设置BEA信号初值，使其输出0.8V。然后，再根据负载电流、方阵电流和放电电流的大小，判断电源控制器目前工作在光照期还是地影期。

如果当前电源控制器工作在光照期，先考虑5分钟定时是否未启动。

如果已经启动，就等待5分钟定时时间到；如果未启动，再判断蓄电池电压是否大于35.5V，说明需要减小充电电流，此时进入恒压充电模式。根据当前时刻输出BEA信号BEA(n)，然后5分钟定时启动，等待5分钟定时时间到。如果蓄电池电压不大于35.5V，说明此时太阳电池阵对蓄电池充电进行恒流充电，继续保持当前模式。

如果当前电源控制器工作在地影期，无论上一时刻的BEA信号是什么，都输出BEA信号值0.8V。此时，电源控制器从恒压充电模式转入恒流充电模式。再考虑5分钟定时是否未启动。如果已经启动，就等待5分钟定时时间到；如果未启动，那么然后5分钟定时开启，等待5分钟定时时间到。

当5分钟定时时间到，电源下位机工作状态从当前阶段转入下一阶段。其中，n值从0～4范围变化。光照期，n值从0～4变化的过程中(电源下位机从S0变化到S4)，BEA信号值从0.8V～0V变化，当电源下位机处于S4状态，也就是当前BEA信号值为0。如果电源下位机一直处在光照期，BEA信号一直为0，等具备地影期的条件时，再从S4状态转入S0状态。

图4表示BEA信号的状态变化图。其中，实线表示下位机进入光照期的状态，虚线表示进入地影期的状态。在光照期，下位机从S0～S4的变化过程中，如果一旦电源下位机具备了进入地影期的条件，都会从当前状态转入S0状态。

由于蓄电池电压的变化是缓慢的过程，所以，在调整充电电流之后，需要给等待足够时间待蓄电池电压稳定后，再根据系统当前状态继续调整充电电流。对于定时时间数值的界定，需要经过反复的实验。定时时间的长短取决于电池容量、设定的蓄电池组恒压门限值、电池本身特性等因素。5分钟的定时时间数值是工程经验值。

从以上对软件控制恒流恒压充电的控制方法的阐述可以看出，BEA信号保持在0.8V不变时，充电电流保持不变，电源控制器工作在恒流充电模式；在光照期，蓄电池电压大于35.5V，开始逐步减小BEA信号，充电电流逐渐减小，电源控制器工作在恒压充电模式。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种太阳能发电用的锂电池恒流恒压充电控制方法，其特征在于：至少包括如下步骤：

步骤101、将BEA信号初始化至C；其中：C为一个常数；

步骤102、采集方阵电流、负载电流、以及放电电流；当方阵电流大于负载电流时，则太阳能发电处于光照期，进而执行步骤1021；当方阵电流不大于负载电流、且放电电流大于2A时，太阳能发电处于地影期，进而执行步骤1022；

步骤1021、首先采用恒流充电的方式对锂电池进行充电，当锂电池的电压达到恒压充电阈值时，然后每隔时间t后将BEA信号递减Δc；其中：Δc为递减常数；且n×Δ_c＝C；

其中：n为大于2的自然数；最后根据BEA信号对锂电池的充电电流进行控制；

步骤1022、每隔时间t后将BEA信号递减Δc；其中：Δc为递减常数；且n×Δ_c＝C；

其中：n为大于2的自然数；然后根据BEA信号对锂电池的充电电流进行控制。

2.根据权利要求1所述太阳能发电用的锂电池恒流恒压充电控制方法，其特征在于：所述C＝0.8V。

3.根据权利要求2所述太阳能发电用的锂电池恒流恒压充电控制方法，其特征在于：所述n＝4。

4.根据权利要求3所述太阳能发电用的锂电池恒流恒压充电控制方法，其特征在于：所述ΔC＝0.2V。

5.根据权利要求4所述太阳能发电用的锂电池恒流恒压充电控制方法，其特征在于：所述恒压充电阈值为35.5V。

6.根据权利要求5所述太阳能发电用的锂电池恒流恒压充电控制方法，其特征在于：所述时间t为5分钟。