CN111114384A - 一种用于电动汽车动力锂电池的充电控制方式 - Google Patents

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王鸿
刘三明
王致杰
孙霞
程丽宁
陶梦琳
渠省委
张智禹
刘衡
李占辉
王扬
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Abstract

本发明涉及一种用于电动汽车动力锂电池的充电控制方式，包括以下步骤：获取电池端的电压，判断电池端的电压所处的设定电压区间；若电压处于第一设定区间内，则采用涓流模式进行充电，并且充电电路功率管采用PFM进行调制；若电压处于第二设定区间内，则采用恒流模式进行充电，并且充电电路功率管采用PWM进行调制；若电压处于第三设定区间内，则采用恒压模式进行脉冲充电，并且充电电路功率管采用PWM进行调制。与现有技术相比，本发明保证了整个充电过程从涓流到恒压的高效率以及充电电压的精度，同时提升了在电动汽车领域中使用的安全性。

Description

一种用于电动汽车动力锂电池的充电控制方式
技术领域
本发明涉及锂电池的充电控制方式，尤其是涉及一种用于电动汽车动力锂电池的充电控制方式。
背景技术
现有的锂电池充电方式主要有两类：线性充电方法和脉冲充电方法。
线性充电方法的优点在于其电路简单、尺寸小、成本低，因此被广泛的应用于手持数码电子产品中；其缺点是发热严重，充电效率低，随着锂电池容量越来越大，充电电流受到效率限制将极大延长电池的充电时间，在应用于大容量的电动汽车动力锂电池时效率低下。
脉冲充电方法是目前在电动汽车领域中主流的充电方法。其优点是充电速度快；缺点是大幅度的脉冲电流会使锂电池瞬间产生很大的热量。锂电池由于其物理特性，本身会对充电电流产生一个阻碍的反电势，一部分充电电流为了抵消电池产生的反电势而转化为热能。充电电流越大，就会有更多的电能转化为热能，锂电池的温度就会越高，如果控制不当将会缩短锂电池的寿命甚至又发生爆炸的危险。在电动汽车中，如果没有限制地进行应用，容易造成严重的安全隐患。
因此，市场上需要设计一种完备高效的充电控制方法，既能避免在对锂电池充电过程中发生过压、过流、过温等情况，降低电池损耗延长使用寿命；又能提高使用效率，具有重要意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于电动汽车动力锂电池的充电控制方式。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于电动汽车动力锂电池的充电控制方式，包括以下步骤：获取电池端的电压，判断电池端的电压所处的设定电压区间；
若电压处于第一设定区间内，则采用涓流模式进行充电，并且充电电路功率管采用PFM进行调制；
若电压处于第二设定区间内，则采用恒流模式进行充电，并且充电电路功率管采用PWM进行调制；
若电压处于第三设定区间内，则采用恒压模式进行脉冲充电，并且充电电路功率管采用PWM进行调制。
进一步地，恒压模式的脉冲充电过程中，当脉冲充电电流的脉宽小于设定的脉宽占空比后停止充电。
进一步地，恒流模式和恒压模式均采用PWM电流模式控制器通过峰值电流控制模式实现，该控制器在输出电压反馈之前增加一个电流反馈环路，根据电流的反馈对充电电路功率管进行控制。
进一步地，采用恒流模式或者恒压模式进行充电时，判断PWM电流模式控制器的占空比是否大于或等于50％，若是，则在充电电压信号上叠加一个斜率为负的斜坡补偿电压。
进一步地，当叠加斜坡补偿电压后，该斜坡补偿电压的斜率随着占空比的增大而增加。
进一步地，所述的第三设定区间的最小值大于第二设定区间的最大值，所述第二设定区间的最小值大于第一设定区间的最大值。
进一步地，所述的第一设定区间为(0，a]，所述的第二设定区间为(a，b]，所述的第三设定区间为(b，c]。
进一步地，所述的a为2.9V，所述的b为4.2V。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、在本发明的控制方法下，充电的工作频率和脉冲宽度能够随着负载的变化而自动调节：在重载情况下，即对锂电池进行恒流/恒压模式充电时，采用PWM(脉冲宽度调制)进行控制；在轻载情况下，即对锂电池进行涓流模式充电时，采用PFM(脉冲频率调制)进行控制。充电电路在涓流模式的轻负载时使用PFM调制能够降低功率管功耗以提高效率，在恒流/恒压重载时使用PWM调制来获得高精度的输出电压以及高效率，保证了整个充电过程从涓流到恒压的高效率以及充电电压的精度，同时提升了在电动汽车领域中使用的安全性。
2、本发明通过PWM电流模式控制器，并且采用峰值电流控制模式提高充电过程中充电系统对电源电压与负载变化的瞬态响应能力和转换效率；同时，通过引入斜坡补偿技术，能够适应更宽的输入电压范围，增加充电系统的带载能力。
附图说明
图1为锂电池快速充电的电压变化示意图。
图2为PWM电流模式控制原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例提供了一种用于电动汽车动力锂电池的充电控制方式，包括以下步骤：获取电池端的电压，判断电池端的电压所处的设定电压区间；
若电压处于第一设定区间内，则采用涓流模式进行充电，并且充电电路功率管采用PFM进行调制；
若电压处于第二设定区间内，则采用恒流模式进行充电，并且充电电路功率管采用PWM进行调制；
若电压处于第三设定区间内，则采用恒压模式进行脉冲充电，并且充电电路功率管采用PWM进行调制。
也就是说，本是实施例对充电控制系统采用涓流—恒流—恒压控制方式。当恒流充电至锂电池的出气电压阈值时，立即停止充电。由于此时锂电池的电量为虚饱和电量，因此停止充电后锂电池的电压将会开始降低，如果此时电池电压下降到再充电的阈值电压，则又开始以脉冲形式的恒定电流继续对锂电池进行充电，此过程不断循环进行。
由图2可知，当电池端电压处于第一设定区间为(0，2.9]V时，对电池进行涓流充电，此时充电电路功率管采用PFM进行调制，目的是降低功率管功耗以提高效率。当电池电压逐步升高，电压达到第二设定区间为(2.9，4.2]V时，转入恒流充电阶段，此时充电电路功率管采用PWM进行调制。当电压上升大于4.2V后，采用恒压充电模式，充电电路功率管采用PWM进行调制，直至电池充满电。同时，由于充电脉冲的宽度随着充入电量的变化率减小而越来越窄，当脉冲充电电流的脉宽小于芯片设定的脉宽占空比后停止充电。此种方法由于长时间的使用固定大电流对锂电池进行充电，因此充电速率较常规充电要快很多。
本实施例中先进行恒流充电，再进行恒压充电，是因为锂电池在电量低时内部的等效电阻也比较小，如果从恒压模式开始充电，则将会导致充电电流过大，进而损坏锂电池以及充电器。当锂电池电量升高时，其内部等效电阻将随之变大，如果此时还是以恒流大电流模式充电，则电池将发生过温甚至造成爆炸。
本实施例中恒流模式和恒压模式均采用PWM电流模式控制器通过峰值电流控制模式实现，该控制器在输出电压反馈之前增加一个电流反馈环路，外部环路的电压反馈稳定输出电压，内部的采样电流信号控制电感的峰值电流，根据电流的反馈对充电电路功率管进行控制。根据检电感电流的方式，现有的PWM电流模式器主要分为峰值电流模式控制方式和平均电流模式控制方式。本实施例中采用峰值电流模式控制方式。峰值电流模式控制方式是一种通过固定脉冲边沿开启功率管，采样电感峰值电流来关断功率管的控制方式。如图1所示，其控制原理是将输出电压经过反馈电阻网络获得反馈电压，将反馈电压与基准产生的参考电压比较产生误差信号，再将误差信号与经过斜率补偿的峰值电感电流信号比较产生PWM控制信号来控制功率管的开关。峰值电流模式控制方式的优点是闭环瞬态响应快、由于误差放大器直接控制电感电流从而消除了输出LC滤波造成的双重极点简化了补偿网络且获得了较高的增益带宽、逐周期限流功能更加保障了功率管的安全。
在峰值电流模式控制方式的工作中，还需要在电压的占空比D大于50％时另外引入斜坡补偿技术，用于克服电路中电感电流会发生亚谐波振荡。
分段线性斜坡补偿技术具体为：PWM电流模式控制器通过峰值电流控制模式工作时，占空比D大于50％时存在电感电流发生亚谐波振荡的问题，此时在误差信号上叠加一个斜率为负的斜坡补偿电压，使满足式(1)用于消除亚谐波振荡的问题。
Figure BDA0002394325100000041
式中：mc为斜坡补偿电压的斜率；m2为电感电流下降的斜率。
由式(1)可知，斜坡补偿电压的斜率与m2以及占空比D都有关系。当占空比D小于50％时，由于m2比较大，因此mc也较大，如果此时引入斜坡补偿电压，电感电流采样信号对系统的调制作用将会很弱，导致电流模式控制变成电压模式控制，减缓了系统的瞬态响应速度。斜坡补偿技术虽然能够解决占空比D大于50％时电流环不稳定的问题，但是在大占空比下，却降低了DC-DC转换器的带载能力。因为随着D的增大，mc的斜率也将变大，但是由于误差参考信号维持为固定值，也将会降低电感电流的峰值。为了避免此类情况的发生，本实施例中采用分段线性斜坡补偿技术，当占空比D小于50％时不引入斜率补偿，电感电流的峰值可以达到设定最大值；当占空比D大于50％时引入自适应斜坡补偿，随着占空比D的增大，斜坡补偿电压的斜率也随之增大，保证了电流环路的稳定。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于电动汽车动力锂电池的充电控制方式，其特征在于，包括以下步骤：获取电池端的电压，判断电池端的电压所处的设定电压区间；
若电压处于第一设定区间内，则采用涓流模式进行充电，并且充电电路功率管采用PFM进行调制；
若电压处于第二设定区间内，则采用恒流模式进行充电，并且充电电路功率管采用PWM进行调制；
若电压处于第三设定区间内，则采用恒压模式进行脉冲充电，并且充电电路功率管采用PWM进行调制。
2.根据权利要求1所述的用于电动汽车动力锂电池的充电控制方式，其特征在于，恒压模式的脉冲充电过程中，当脉冲充电电流的脉宽小于设定的脉宽占空比后停止充电。
3.根据权利要求1所述的用于电动汽车动力锂电池的充电控制方式，其特征在于，恒流模式和恒压模式均采用PWM电流模式控制器通过峰值电流控制模式实现，该控制器在输出电压反馈之前增加一个电流反馈环路，根据电流的反馈对充电电路功率管进行控制。
4.根据权利要求3所述的用于电动汽车动力锂电池的充电控制方式，其特征在于，采用恒流模式或者恒压模式进行充电时，判断PWM电流模式控制器的占空比是否大于或等于50％，若是，则在充电电压信号上叠加一个斜率为负的斜坡补偿电压。
5.根据权利要求3所述的用于电动汽车动力锂电池的充电控制方式，其特征在于，当叠加斜坡补偿电压后，该斜坡补偿电压的斜率随着占空比的增大而增加。
6.根据权利要求1所述的用于电动汽车动力锂电池的充电控制方式，其特征在于，所述的第三设定区间的最小值大于第二设定区间的最大值，所述第二设定区间的最小值大于第一设定区间的最大值。
7.根据权利要求1所述的用于电动汽车动力锂电池的充电控制方式，其特征在于，所述的第一设定区间为(0，a]，所述的第二设定区间为(a，b]，所述的第三设定区间为(b，c]。
8.根据权利要求7所述的用于电动汽车动力锂电池的充电控制方式，其特征在于，所述的a为2.9V，所述的b为4.2V。
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