CN111313524B - 一种车载式充电器阶段式充电的反馈控制电路及实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种车载式充电器阶段式充电的反馈控制电路及实现方法，采用电压环、电流环双闭环控制，电阻分压网络与电池组并联，对充电器进行采样，并将采样值输入到恒压控制回路或恒流控制回路中；MCU与恒压控制回路、恒流控制回路相连并输出两路占空比，同一时间只有恒压控制或恒流控制工作模式，只有电压反馈或电流反馈的反馈信号经OUT端输出。本发明使充电过程遵循电池组的“马斯曲线”，从而提升了充电的效率，保护了电池组的寿命，根据不同的车载充电环境做出调整，无需用户复杂操作，提升了电动汽车车载式充电器的灵活性和便利性。

Description

一种车载式充电器阶段式充电的反馈控制电路及实现方法
技术领域
本发明涉及电力电子功率变换领域，尤其是一种充电过程的控制电路，主要用于实现车载式充电器阶段式充电。
背景技术
电动汽车不断发展，动力电池组的充放电成为制约其突破的瓶颈问题。电动汽车充电器能够将市电转换为电动汽车所需要的电能，提升了人们出行的便捷性。目前，电动汽车充电器采用的充电方法主要包括：恒流充电法、恒压充电法、阶段式(两段式或三段式)充电法。恒流充电法就是在锂电池充电过程中保持充电电流大小不变，充电电压持续增长。充电电流过大，充电后期容易出现过充现象，对电池极板冲击较大，损伤电池寿命。充电电流过小，整个充电过程就会耗时太长。恒压充电法是在锂电池充电过程中保持充电电压大小不变，充电电流逐渐变小。在充电初期，电池两端电动势较小，充电电流会比较大，这会导致电池温度迅速上升，巨大的电流冲击会使电池极板发生弯曲，损害电池寿命。而且电池组充电时初始电量不同，可接受充电电流的大小也不同，恒流、恒压充电法都无法根据电池组具体状态改变充电的电流、电压。
阶段式充电法一般指两段式充电和三段式充电的方法。两段式充电就是在锂电池充电前期采用恒流充电法，在充电中后期，当锂电池两端电压达到一定幅值后，转为恒压充电法。三段式就是在两段式充电过程之后再加上小电流浮充。阶段式充电法结合了恒流与恒压充电的优点，避免了充电过程前后期的过充问题。目前实现阶段式充电的控制回路普遍采用电压、电流双闭环控制，将采样得到的输出电压和输出电流与给定的电压参考值、电流参考值进行比较，比较的结果作为反馈信号，以此实现闭环控制，达到稳压、恒流和保护等功能。在充电过程中，电压参考值、电流参考值一般设置为固定值，使充电器充电电路有着固定的初始电流和切换电压。但锂离子电池是一个高度复杂的非线性系统，在其充电过程中受电池当前SOC、所处环境温度、SOH状态以及充电电流和电压等多种因素的影响，且这些因素之间也相互影响，具有强耦合性，当这种参数固定的充电控制电路应用到不同的车载充电环境中时，预先选取的固定电压参考值、电流参考值并不合理，从而影响整体充电效果。所以将阶段式充电法应用于车载式充电器，并保证该充电方法可根据环境温度、电池组目前状态，自动调整充电参数，转换充电状态，使充电过程整体符合电池“马斯曲线”的控制反馈电路就显得尤为重要。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种车载式充电器阶段式充电的反馈控制电路及实现方法。本发明针对车载式充电器充电问题，为避免恒压充电法和恒流充电法充电前后期的过充现象，提出一种用于完成阶段式充电的反馈控制回路，同时也解决了传统阶段式充电控制电路电压参考值、电流参考值固定的问题。本发明能够根据电池状态和外部环境，实时改变电压闭环、电流闭环的参考电压值、参考电流值，使电池执行最优充电策略，生成以最低析气率为前提的电池可接受充电电流曲线，在不损害电动汽车动力电池组使用寿命的前提下提高车载式充电器的充电效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种车载式充电器阶段式充电的反馈控制电路，采用电压环、电流环双闭环控制，电动汽车车载式充电器输出端接动力电池组负载，R1与R2组成的电阻分压网络与电池组并联，对充电器输出电压值进行采样，并将电压采样值输入到恒压控制回路中，电流传感器与电池组串联，对充电器输出电流值进行采样，并将电流采样值输入到恒流控制回路中；MCU与恒压控制回路、恒流控制回路相连，输出两路占空比任意可调的PWM1波、PWM2波分别进入恒压控制回路、恒流控制回路；D1、D2两个开关二极管分别与恒压控制回路、恒流控制回路反接，保证同一时间只有恒压控制或恒流控制工作模式，只有电压反馈或电流反馈的反馈信号经OUT端输出；
PWM1波、PWM2波分别经积分电路转换，变成一定幅值的电压信号，分别用作电压闭环、电流闭环反馈调节的参考电压值、参考电流值，转换电压信号的幅值与PWM波的占空比成正比，设PWM波高电平为V1，占空比为D，转换电压信号的幅值V2通过V2＝V1×D得到；
车载式充电器阶段式充电的反馈控制电路的电压环、电流环独立控制，将充电器输出电压、电流采样值与参考电压值、参考电流值进行比较，得到误差信号，调节车载式充电器充电电路的输出，MCU读取到充电器温度、电压、电流等传感器的数值，同时根据该数值对PWM1波、PWM2波的占空比进行设置，改变参考电压值、参考电流值，使充电器在恒流、恒压多个充电模式之间实时切换，从而进行充电状态的随时更新，确保充电器工作在适合当前的充电状态。
所述恒压控制回路包括误差放大器EA1和积分电路1，MCU输出占空比可控的PWM1波经过积分电路1转换为参考电压值，输入到EA1的正向输入端，充电器输出电压的采样值输入到EA1的反相输入端。
所述恒流控制回路包括误差放大器EA2和积分电路2，MCU输出占空比可控的PWM2波经过积分电路2转换为参考电流值，输入到EA2的正向输入端，充电器输出电流的采样值输入到EA2的反相输入端。
一种车载式充电器阶段式充电的反馈控制电路的实现方法的步骤为：
车载式充电器输出电压值经过分压电阻R1、R2输入到误差放大器EA1的反相端，充电器输出电流值经过电流传感器输入到误差放大器EA2的反相端；EA1、EA2的正相端输入由PWM1、PWM2波转换的参考电压值、参考电流值；当充电器按照预先设置的阶段式充电算法进行恒流转恒流、恒压转恒压、恒压转恒流、恒流转恒压模式切换时，由MCU改变输出PWM1/PWM2波的占空比，设PWM1波/PWM2波高电平为V1，占空比为D，转换电压信号的幅值V2通过V2＝V1×D得到，以此改变参考电压值、参考电流值，从而改变EA1、EA2的正相端输入。
当进行恒流模式充电时，恒压调整模块不工作；如果需要在恒流模式下改变电流，EA2正相端输入改变，EA2输出端改变，二极管开关状态改变，产生误差信号，将误差信号沿OUT端送到充电器主控芯片里，从而调整控制功率开关管的PWM/PFM波，改变充电器输出电流，最后经过调整，使EA2反相输入端维持稳定。
当进行恒压模式充电时，恒流调整模块不工作；如果需要在恒压模式下改变电压，EA1正相端输入改变，EA1输出端改变，二极管开关状态改变，产生误差信号、将误差信号沿OUT端送到充电器主控芯片里，从而调整控制功率开关管的PWM/PFM波，改变充电器输出电压，最后经过调整，使EA1反相输入端维持稳定。
本发明的有益效果在于提供了一种用于电动汽车车载式充电器实现阶段式充电的控制电路，MCU实时发送指令，改变参考电压值、参考电流值，使充电器按照阶段式充电算法进行充电状态的实时切换，使充电过程遵循电池组的“马斯曲线”，从而提升了充电的效率，保护了电池组的寿命。并能对充电状态中出现的过温、过压、过流等情况做出保护和反馈，在脱离了实验室理想情况下，依然可以根据不同的车载充电环境做出调整，无需用户复杂操作。本电路提升了电动汽车车载式充电器的灵活性和便利性。
附图说明
图1是本发明控制电路原理图。
图2是本发明具体运用实例图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种车载式充电器阶段式充电的反馈控制电路，采用电压环、电流环双闭环控制，电动汽车车载式充电器输出端接动力电池组负载，R1与R2组成的电阻分压网络与电池组并联，对充电器输出电压值进行采样，并将电压采样值输入到恒压控制回路中，电流传感器与电池组串联，对充电器输出电流值进行采样，并将电流采样值输入到恒流控制回路中；MCU与恒压控制回路、恒流控制回路相连，输出两路占空比任意可调的PWM1波、PWM2波分别进入恒压控制回路、恒流控制回路；D1、D2两个开关二极管分别与恒压控制回路、恒流控制回路反接，保证同一时间只有恒压控制或恒流控制工作模式，只有电压反馈或电流反馈的反馈信号经OUT端输出；
PWM1波、PWM2波分别经积分电路转换，变成一定幅值的电压信号，分别用作电压闭环、电流闭环反馈调节的参考电压值、参考电流值，转换电压信号的幅值与PWM波的占空比成正比，设PWM波高电平为V1，占空比为D，转换电压信号的幅值V2通过V2＝V1×D得到。
车载式充电器阶段式充电的反馈控制电路的电压环、电流环独立控制，将充电器输出电压、电流采样值与参考电压值、参考电流值进行比较，得到误差信号，调节车载式充电器充电电路的输出。与传统阶段式充电控制电路固定参考电压值、参考电流值不同，MCU可以读取到充电器温度、电压、电流等传感器的数值，同时根据该数值对PWM1波、PWM2波的占空比进行设置，改变参考电压值、参考电流值，使充电器在恒流、恒压多个充电模式之间实时切换，从而进行充电状态的随时更新，确保充电器工作在适合当前的充电状态。
所述恒压控制回路包括误差放大器EA1(及外围电路)和积分电路1，MCU输出占空比可控的PWM1波经过积分电路1转换为参考电压值，输入到EA1的正向输入端(EA1的①脚)，充电器输出电压的采样值输入到EA1的反相输入端(EA1的②脚)。
所述恒流控制回路包括误差放大器EA2(及外围电路)和积分电路2，MCU输出占空比可控的PWM2波经过积分电路2转换为参考电流值，输入到EA2的正向输入端(EA2的①脚)，充电器输出电流的采样值输入到EA2的反相输入端(EA2的②脚)。
一种车载式充电器阶段式充电的反馈控制电路的实现方法的步骤为：
车载式充电器输出电压值经过分压电阻R1、R2输入到误差放大器EA1的反相端(EA1的②脚)，充电器输出电流值经过电流传感器输入到误差放大器EA2的反相端(EA2的②脚)；EA1、EA2的正相端(EA1的①脚、EA2的①脚)输入由PWM1、PWM2波转换的参考电压值、参考电流值；当充电器按照预先设置的阶段式充电算法进行恒流转恒流、恒压转恒压、恒压转恒流、恒流转恒压模式切换时，由MCU改变输出PWM1/PWM2波的占空比，设PWM1波/PWM2波高电平为V1，占空比为D，转换电压信号的幅值V2通过V2＝V1×D得到，以此改变参考电压值、参考电流值，从而改变EA1、EA2的正相端(EA1的①脚、EA2的①脚)输入。
当进行恒流模式充电时，恒压调整模块不工作；如果需要在恒流模式下改变电流，EA2正相端(EA2的①脚)输入改变，EA2输出端(EA2的③脚)改变，二极管开关状态改变，产生误差信号，将误差信号沿OUT端送到充电器主控芯片里，从而调整控制功率开关管的PWM/PFM波，改变充电器输出电流，最后经过调整，使EA2反相输入端(EA2的②脚)维持稳定。
当进行恒压模式充电时，恒流调整模块不工作；如果需要在恒压模式下改变电压，EA1正相端(EA1的①脚)输入改变，EA1输出端(EA1的③脚)改变，二极管开关状态改变，产生误差信号、将误差信号沿OUT端送到充电器主控芯片里，从而调整控制功率开关管的PWM/PFM波，改变充电器输出电压，最后经过调整，使EA1反相输入端(EA1的②脚)维持稳定。
图2是本发明电路的具体应用实例，控制的对象是一个电动汽车车载式充电器。该充电器的具体充电参数如下：额定功率3600W，输入端接220V市电，输出端接电池容量为40kWh的蓄电池组。充电器可工作在恒流、恒压两种模式下，恒压模式输出充电电压范围为110-210VDC，恒流模式输出充电电流范围为5A-20A。恒压控制回路由误差放大器EA1(器件型号：TLC2272)和积分电路1组成，积分电路1中Rv阻值为1K，C1容值0.1uF。恒流控制回路主要由误差放大器EA2(器件型号：TLC2272)和积分电路2组成，积分电路2中Ri阻值为1K，C4容值0.1uF。STM32发出的PWM1波、PWM2波占空比为0到1，频率为200KHz。充电器遵循阶段式充电：先恒流、再恒压、最后涓流充电。并且在充电过程中，STM32(DSP、FPGA等均可替代)模块不断读取充电器温度、电压、电流读数，一旦发现超过设定值，启动保护功能，降低充电的电流/电压值。
当充电器工作在恒流控制模式时，恒压控制模块不工作。充电器当前输出充电电流经线性电流传感器(霍尔元件、功率电阻、分流器等均可替代)按照80mV/A的比例转换为电压值，进入EA2的反相端(EA2的②脚)，由STM32发出占空比可调的PWM2波经积分电路2转换变为电压信号，作为参考电流值输入到EA2的正相端(EA2的①脚)。当充电器需要改变输出充电电流大小时，STM32改变输出PWM2波的占空比，在积分电路2的作用下，即可成比例改变输入到EA2正相端(EA2的①脚)的参考电流值。当EA2正相端(EA2的①脚)的输入改变，EA2的输出(EA2的③脚)也会改变，那么二极管D2的开关状态也会改变，这会影响隔离光耦FOD817(在不需要隔离时可以去除)的输入端电流值，当FOD817输入端电流改变，输出端也会发生改变，将信号送入充电器主控芯片NCP1395(功率电路PWM/PFM控制芯片均可替代)中，控制充电器DC-DC变换电路中功率开关管的PFM波频率发生改变，充电器DC-DC变换电路整体增益改变，充电器输出充电电流改变。经过反馈调节，输入到EA2反相端(EA2的②脚)的电流采样值也会改变，最后维持恒流控制工作模式的稳定。
当充电器工作在恒压控制模式时，恒流控制模块不工作。充电器当前输出充电电压经过R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8组成的电阻分压网络，进入EA1的反相端(EA1的②脚)。由STM32发出的占空比可调的PWM1波经积分电路1转换变为电压信号，作为参考电压值输入到EA1的正相端(EA1的①脚)。当充电器需要改变输出充电电压大小时，STM32改变输出PWM1波的占空比，在积分电路1的作用下，即可成比例改变输入到EA1正相端(EA1的①脚)的参考电压值。当EA1正相端(EA1的①脚)的输入改变，EA1的输出(EA1的③脚)也会改变，那么二极管D1的开关状态也会改变，这会影响隔离光耦FOD817的输入端电流值，当FOD817输入端电流改变，输出端也会发生改变，将信号送入充电器主控芯片NCP1395中，控制充电器DC-DC变换电路中功率开关管的PFM波频率发生改变，充电器DC-DC变换电路整体增益改变，充电器输出电压改变。经过反馈调节，输入到EA1反相端(EA1的②脚)的电压采样值也会改变，最后维持恒压工作模式的稳定。
阶段式充电的实现，提升了充电器充电的效率，而且对电池组的寿命有了有效的保护。在实际的应用中，本电路的反馈控制功能也能够规避掉温度等车载环境不确定因素，有利于充电器工作的稳定。

Claims (4)

1.一种车载式充电器阶段式充电的反馈控制电路，其特征在于：
所述车载式充电器阶段式充电的反馈控制电路，采用电压环、电流环双闭环控制，电动汽车车载式充电器输出端接动力电池组负载，R1与R2组成的电阻分压网络与电池组并联，对充电器输出电压值进行采样，并将电压采样值输入到恒压控制回路中，电流传感器与电池组串联，对充电器输出电流值进行采样，并将电流采样值输入到恒流控制回路中；MCU与恒压控制回路、恒流控制回路相连，输出两路占空比任意可调的PWM1波、PWM2波分别进入恒压控制回路、恒流控制回路；D1、D2两个开关二极管分别与恒压控制回路、恒流控制回路反接，保证同一时间只有恒压控制或恒流控制工作模式，只有电压反馈或电流反馈的反馈信号经OUT端输出；
PWM1波、PWM2波分别经积分电路转换，变成电压信号，分别用作电压闭环、电流闭环反馈调节的参考电压值、参考电流值，转换电压信号的幅值与PWM波的占空比成正比，设PWM波高电平为V1，占空比为D，转换电压信号的幅值V2通过V2＝V1×D得到；
车载式充电器阶段式充电的反馈控制电路的电压环、电流环独立控制，将充电器输出电压、电流采样值与参考电压值、参考电流值进行比较，得到误差信号，调节车载式充电器充电电路的输出，MCU读取到充电器温度、电压、电流传感器的数值，同时根据该数值对PWM1波、PWM2波的占空比进行设置，改变参考电压值、参考电流值，使充电器在恒流、恒压多个充电模式之间实时切换，从而进行充电状态的随时更新，确保充电器工作在适合当前的充电状态。
2.根据权利要求1所述的车载式充电器阶段式充电的反馈控制电路，其特征在于：
所述恒压控制回路包括误差放大器EA1和积分电路1，MCU输出占空比可控的PWM1波经过积分电路1转换为参考电压值，输入到EA1的正向输入端，充电器输出电压的采样值输入到EA1的反相输入端。
3.根据权利要求1所述的车载式充电器阶段式充电的反馈控制电路，其特征在于：
所述恒流控制回路包括误差放大器EA2和积分电路2，MCU输出占空比可控的PWM2波经过积分电路2转换为参考电流值，输入到EA2的正向输入端，充电器输出电流的采样值输入到EA2的反相输入端。
4.一种利用权利要求1所述车载式充电器阶段式充电的反馈控制电路的实现方法，其特征在于包括下述步骤：
车载式充电器输出电压值经过分压电阻R1、R2输入到误差放大器EA1的反相端，充电器输出电流值经过电流传感器输入到误差放大器EA2的反相端；EA1、EA2的正相端输入由PWM1、PWM2波转换的参考电压值、参考电流值；当充电器按照预先设置的阶段式充电算法进行恒流转恒流、恒压转恒压、恒压转恒流、恒流转恒压模式切换时，由MCU改变输出PWM1/PWM2波的占空比，设PWM1波/PWM2波高电平为V1，占空比为D，转换电压信号的幅值V2通过V2＝V1×D得到，以此改变参考电压值、参考电流值，从而改变EA1、EA2的正相端输入；
当进行恒流模式充电时，恒压调整模块不工作；如果需要在恒流模式下改变电流，EA2正相端输入改变，EA2输出端改变，二极管开关状态改变，产生误差信号，将误差信号沿OUT端送到充电器主控芯片里，从而调整控制功率开关管的PWM/PFM波，改变充电器输出电流，最后经过调整，使EA2反相输入端维持稳定；
当进行恒压模式充电时，恒流调整模块不工作；如果需要在恒压模式下改变电压，EA1正相端输入改变，EA1输出端改变，二极管开关状态改变，产生误差信号、将误差信号沿OUT端送到充电器主控芯片里，从而调整控制功率开关管的PWM/PFM波，改变充电器输出电压，最后经过调整，使EA1反相输入端维持稳定。
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