CN117200405B - 一种基于pwm动态均衡的蓄电池放电控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PWM动态均衡的蓄电池放电控制系统，包括开关管、反馈电路、控制芯片，所述开关管用于控制电路的通断，实现电路的开关功能，所述反馈电路用于监测输出电压并将其与目标电压进行比较，以产生反馈信号，所述控制芯片根据反馈信号和设定值计算出开关管的工作状态，控制其通断时间和占空比，从而实现输出电压的稳定控制，所述反馈电路包括输出电压检测模块、时间计算模块、电池单元、电池单元状态判断模块、次数计量模块、损耗计算模块，所述控制芯片包括开关管控制模块、目标电压选取模块、对比修正模块，所述输出电压检测模块用于检测蓄电池各个电池单元的输出电压，本发明，具有可预测输出电压的特点。
Description
技术领域
本发明涉及蓄电池技术领域，具体为一种基于PWM动态均衡的蓄电池放电控制系统。
背景技术
PWM动态均衡是一种通过改变开关频率和占空比来实现输出电压调节的方法，开关管会周期性地断开，来实现有脉冲的电压输出，以保持蓄电池中的所有电池单元的电压稳定。
在蓄电池充放电的过程中，正极和负极活性物质会逐渐转化成其它化合物，从而导致电池容量的上限发生变化，进而影响输出电压。正极活性物质的转化会导致电池内部的硫酸浓度下降，而负极活性物质的转化则会导致电池内部的铅酸浓度下降，此外，过度充电或过度放电也会加速活性物质的转化。但现有技术往往没有考虑到这一点，导致使用后期电压调节需要延迟修正，电压输出存在瞬时跳变，如果直接对浓度进行测量，为了保证测量准确度需要安装多个传感器，成本过高。因此，设计可预测输出电压的一种基于PWM动态均衡的蓄电池放电控制系统是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于PWM动态均衡的蓄电池放电控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于PWM动态均衡的蓄电池放电控制系统，包括开关管、反馈电路、控制芯片，所述开关管用于控制电路的通断，实现电路的开关功能，所述反馈电路用于监测输出电压并将其与目标电压进行比较，以产生反馈信号，所述控制芯片根据反馈信号和设定值计算出开关管的工作状态，控制其通断时间和占空比，从而实现输出电压的稳定控制。
根据上述技术方案，所述反馈电路包括输出电压检测模块、时间计算模块、电池单元、电池单元状态判断模块、次数计量模块、损耗计算模块，所述控制芯片包括开关管控制模块、目标电压选取模块、对比修正模块，所述输出电压检测模块用于检测蓄电池各个电池单元的输出电压，所述时间计算模块用于计算蓄电池各个电池单元的充电时间和放电时间，所述电池单元为构成蓄电池的基本单元，所述电池单元状态判断模块用于判断电池单元此时是否处于充电和放电状态，所述次数计量模块用于计算蓄电池完成完整的充电放电循环的次数，所述损耗计算模块用于计算蓄电池正极和负极活性转化带来的损耗，所述开关管控制模块用于控制各个开关管的工作，所述目标电压选取模块用于设定目标电压，所述对比修正模块用于根据预测的输出电压对开关频率和占空比进行修正。
根据上述技术方案，该控制系统的工作方法为：
S0、根据需要，确定目标电压和容许偏差范围；
S1、根据目标电压和电路参数，计算出开关频率和占空比的合适取值；
S2、将计算得到的开关频率和占空比输入控制芯片，使其能够自动调节开关管的工作状态，以达到输出电压稳定的目的；
S3、随着蓄电池的充放电过程，计算蓄电池的损耗，在每次电路断开后对输出电压进行预测，从而对下次工作时的开关频率和占空比进行预先调整；
S4、监测输出电压和负载情况，根据需要对PWM控制电路进行调整，以保持输出电压稳定。
根据上述技术方案，上述步骤S3中，计算蓄电池的损耗的具体方法为：
S3-1、在蓄电池不工作的过程中，正极和负极活性物质会随着时间缓慢地转化，同时在蓄电池充电和放电的过程中，正极和负极活性物质会以相对快速的速度随着时间进行转化，且各自转化速度不相同，导致正极和负极活性物质浓度降低，具体为，其中/>为此次蓄电池工作过程中电池单元充电的总时间，/>为此次蓄电池工作过程中电池单元放电的总时间，/>、/>为电池单元的充电和放电的时间占比系数，/>为充放电导致的活性物质降低的速率，/>为此次蓄电池工作之前的活性物质浓度，/>为蓄电池经过一轮完整的充放电的次数。
根据上述技术方案，上述步骤S3中，对下次工作时的开关频率和占空比进行预先调整的具体方法为：
S3-2、通过得出的正极和负极活性物质浓度，带入正极和负极活性物质浓度/>与输出电压的换算关系，得出预测输出电压/>，其中/>为正极和负极活性物质浓度/>与输出电压之间的换算关系，/>值的大小不为常数，而是根据实验具体进行确定，从而将预测输出电压/>代入目标电压/>的计算公式进行运算，以此确定开关频率/>、占空比/>。
根据上述技术方案，上述步骤S4中，对PWM控制电路进行调整时，由于每个蓄电池的电池单元具体情况不同，预测输出电压与实际输出电压/>仍然存在误差，因此需要判断两者之间误差的变化趋势，是处于收敛状态还是扩大状态，并对预测输出电压/>进行二次修正。
根据上述技术方案，上述步骤S4中，对预测输出电压进行二次修正的具体过程为：当预测输出电压/>与此次实际输出电压/>的差值，相比上一次预测输出电压/>与上次实际输出电压/>的差值大时，判断两者之间误差的变化趋势处于扩大状态，此时二次修正电压/>，其中γ为电压修正系数，当/>时，二次修正电压/>为两者相减，当/>时，二次修正电压/>为两者相加，当预测输出电压/>与此次实际输出电压的差值，相比上一次预测输出电压/>与上次实际输出电压/>的差值小时，判断两者之间误差的变化趋势处于收敛状态，则/>。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明，通过对蓄电池充电和放电时间进行统计，来对因为正极和负极活性转化带来的损耗进行预测，从而对开关频率和占空比进行修正，在下次使用蓄电池时，由于电压修正的作用，不会造成电压的大幅度跳变，修正延迟低，有效保护蓄电池的使用寿命的同时适用于高精度用电器。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的整体模块结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供技术方案：一种基于PWM动态均衡的蓄电池放电控制系统，包括开关管、反馈电路、控制芯片，开关管用于控制电路的通断，实现电路的开关功能，反馈电路用于监测输出电压并将其与目标电压进行比较，以产生反馈信号，控制芯片根据反馈信号和设定值计算出开关管的工作状态，控制其通断时间和占空比，从而实现输出电压的稳定控制；
反馈电路包括输出电压检测模块、时间计算模块、电池单元、电池单元状态判断模块、次数计量模块、损耗计算模块，控制芯片包括开关管控制模块、目标电压选取模块、对比修正模块，输出电压检测模块用于检测蓄电池各个电池单元的输出电压，时间计算模块用于计算蓄电池各个电池单元的充电时间和放电时间，电池单元为构成蓄电池的基本单元，电池单元状态判断模块用于判断电池单元此时是否处于充电和放电状态，次数计量模块用于计算蓄电池完成完整的充电放电循环的次数，损耗计算模块用于计算蓄电池正极和负极活性转化带来的损耗，开关管控制模块用于控制各个开关管的工作，目标电压选取模块用于设定目标电压，对比修正模块用于根据预测的输出电压对开关频率和占空比进行修正；
该控制系统的工作方法为：
S0、根据需要，确定目标电压和容许偏差范围；
S1、根据目标电压和电路参数，计算出开关频率和占空比的合适取值；
S2、将计算得到的开关频率和占空比输入控制芯片，使其能够自动调节开关管的工作状态，以达到输出电压稳定的目的；
S3、随着蓄电池的充放电过程，计算蓄电池的损耗，在每次电路断开后对输出电压进行预测，从而对下次工作时的开关频率和占空比进行预先调整；
S4、监测输出电压和负载情况，根据需要对PWM控制电路进行调整，以保持输出电压稳定；
上述步骤S3中，计算蓄电池的损耗的具体方法为：
S3-1、在蓄电池不工作的过程中，正极和负极活性物质会随着时间缓慢地转化，同时在蓄电池充电和放电的过程中，正极和负极活性物质会以相对快速的速度随着时间进行转化，且各自转化速度不相同，导致正极和负极活性物质浓度降低，具体为，其中/>为此次蓄电池工作过程中电池单元充电的总时间，/>为此次蓄电池工作过程中电池单元放电的总时间，/>、/>为电池单元的充电和放电的时间占比系数，/>为充放电导致的活性物质降低的速率，/>为此次蓄电池工作之前的活性物质浓度，/>为蓄电池经过一轮完整的充放电的次数；
上述步骤S3中，对下次工作时的开关频率和占空比进行预先调整的具体方法为：
S3-2、通过得出的正极和负极活性物质浓度，带入正极和负极活性物质浓度/>与输出电压的换算关系，得出预测输出电压/>，其中/>为正极和负极活性物质浓度/>与输出电压之间的换算关系，/>值的大小不为常数，而是根据实验具体进行确定，从而将预测输出电压/>代入目标电压/>的计算公式进行运算，以此确定开关频率/>、占空比/>；
上述步骤S4中，对PWM控制电路进行调整时，由于每个蓄电池的电池单元具体情况不同，预测输出电压与实际输出电压/>仍然存在误差，因此需要判断两者之间误差的变化趋势，是处于收敛状态还是扩大状态，并对预测输出电压/>进行二次修正；
上述步骤S4中，对预测输出电压进行二次修正的具体过程为：当预测输出电压与此次实际输出电压/>的差值，相比上一次预测输出电压/>与上次实际输出电压/>的差值大时，判断两者之间误差的变化趋势处于扩大状态，此时二次修正电压，其中γ为电压修正系数，当/>时，二次修正电压/>为两者相减，当时，二次修正电压/>为两者相加，当预测输出电压/>与此次实际输出电压/>的差值，相比上一次预测输出电压/>与上次实际输出电压/>的差值小时，判断两者之间误差的变化趋势处于收敛状态，则/>。
上述步骤中，为正极和负极活性物质浓度/>与输出电压之间的换算关系，申请人通过在设计本控制系统之前，进行大量蓄电池充放电实验，检测蓄电池的电池单元内活性物质浓度/>，并且对蓄电池的电池单元的输出电压/>进行检测，做出拟合曲线，得出两者之间的函数关系并简化为/>方便理解，在实际应用系统的时候只需将对应活性物质浓度下的/>带入即可进行运算，注意/>并非具体的值而是一个动态的函数关系，无需实时检测蓄电池的电池单元内活性物质浓度/>。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于PWM动态均衡的蓄电池放电控制系统，其特征在于：包括开关管、反馈电路、控制芯片，所述开关管用于控制电路的通断，实现电路的开关功能，所述反馈电路用于监测输出电压并将其与目标电压进行比较，以产生反馈信号，所述控制芯片根据反馈信号和设定值计算出开关管的工作状态，控制其通断时间和占空比，从而实现输出电压的稳定控制；
该控制系统的工作方法为：
S0、根据需要，确定目标电压和容许偏差范围；
S1、根据目标电压和电路参数，计算出开关频率和占空比的合适取值；
S2、将计算得到的开关频率和占空比输入控制芯片，使其能够自动调节开关管的工作状态，以达到输出电压稳定的目的；
S3、随着蓄电池的充放电过程，计算蓄电池的损耗，在每次电路断开后对输出电压进行预测，从而对下次工作时的开关频率和占空比进行预先调整；
S4、监测输出电压和负载情况，根据需要对PWM控制电路进行调整，以保持输出电压稳定；
上述步骤S3中，计算蓄电池的损耗的具体方法为：
S3-1、在蓄电池不工作的过程中，正极和负极活性物质会随着时间缓慢地转化，同时在蓄电池充电和放电的过程中，正极和负极活性物质会以相对快速的速度随着时间进行转化，且各自转化速度不相同，导致正极和负极活性物质浓度降低，具体为，其中/>为此次蓄电池工作过程中电池单元充电的总时间，/>为此次蓄电池工作过程中电池单元放电的总时间，/>、/>为电池单元的充电和放电的时间占比系数，/>为充放电导致的活性物质降低的速率，/>为此次蓄电池工作之前的活性物质浓度，/>为蓄电池经过一轮完整的充放电的次数；
上述步骤S3中，对下次工作时的开关频率和占空比进行预先调整的具体方法为：
S3-2、通过得出的正极和负极活性物质浓度，带入正极和负极活性物质浓度/>与输出电压的换算关系，得出预测输出电压/>，其中/>为正极和负极活性物质浓度与输出电压之间的换算关系，/>值的大小不为常数，而是根据实验具体进行确定，从而将预测输出电压/>代入目标电压/>的计算公式进行运算，以此确定开关频率/>、占空比/>，为实际输出电压；
上述步骤S4中，对预测输出电压进行二次修正的具体过程为：当预测输出电压/>与此次实际输出电压/>的差值，相比上一次预测输出电压/>与上次实际输出电压/>的差值大时，判断两者之间误差的变化趋势处于扩大状态，此时二次修正电压，其中γ为电压修正系数，当/>时，二次修正电压/>为两者相减，当时，二次修正电压/>为两者相加，当预测输出电压/>与此次实际输出电压/>的差值，相比上一次预测输出电压/>与上次实际输出电压/>的差值小时，判断两者之间误差的变化趋势处于收敛状态，则/>。
2.根据权利要求1所述的一种基于PWM动态均衡的蓄电池放电控制系统，其特征在于：所述反馈电路包括输出电压检测模块、时间计算模块、电池单元、电池单元状态判断模块、次数计量模块、损耗计算模块，所述控制芯片包括开关管控制模块、目标电压选取模块、对比修正模块，所述输出电压检测模块用于检测蓄电池各个电池单元的输出电压，所述时间计算模块用于计算蓄电池各个电池单元的充电时间和放电时间，所述电池单元为构成蓄电池的基本单元，所述电池单元状态判断模块用于判断电池单元此时是否处于充电和放电状态，所述次数计量模块用于计算蓄电池完成完整的充电放电循环的次数，所述损耗计算模块用于计算蓄电池正极和负极活性转化带来的损耗，所述开关管控制模块用于控制各个开关管的工作，所述目标电压选取模块用于设定目标电压，所述对比修正模块用于根据预测的输出电压对开关频率和占空比进行修正。
3.根据权利要求2所述的一种基于PWM动态均衡的蓄电池放电控制系统，其特征在于：上述步骤S4中，对PWM控制电路进行调整时，由于每个蓄电池的电池单元具体情况不同，预测输出电压与实际输出电压/>仍然存在误差，因此需要判断两者之间误差的变化趋势，是处于收敛状态还是扩大状态，并对预测输出电压/>进行二次修正。
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