CN1641967A - 电池充电器的充电控制方法及其电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池充电器的充电控制方法及其电路，其中方法为：将电池的电压反馈值和电流反馈值分别与充电限压值和充电限流值进行比较，并根据比较结果产生参考值；根据电池电压反馈值和充电限压值的差值的绝对值与第一设定值的大小，以及电池电流反馈值和充电限流值的差值的绝对值与第二设定值的大小选择控制参数；对所述参考值与控制参数的乘积进行积分运算；根据积分运算的结果产生相应的PWM信号，由该PWM信号驱动开关管进行充电控制。充电控制电路包括：参考值产生电路、控制参数选择电路、乘法器积分器和PWM信号产生器。
Description
技术领域
本发明涉及电池充电技术，尤其涉及一种电池充电器的充电控制方法及其电路。
背景技术
随着不间断电源(UPS)的市场容量不断扩大，用户对于大容量UPS电池管理功能的要求越来越高，电池管理向精细化、智能化、数字化发展。电池管理的数字化也迫使UPS充电器由传统的模拟控制转向数字化控制。
参阅图1所示的Buck型电池变换器拓扑结构图，其中，Q1为开关管，Q2为续流二极管，C6为母线电容(Ud为母线电压)，L8为降压电感。其工作原理为：当Q1导通时，降压电感上承受正向(Ud-vb)电压，电池充电电流ib增加；当Q1关闭时，Q2由于电感续流作用而导通，降压电感上承受反向电压(-vb)，电池充电电流ib减少。通过不断调整Q1导通的脉宽占空比就可以调节电池充电电流ib和电池电压vb。
Buck型电池充电器为一个直流-直流(DC-DC)变换器，连接直流母线与电池，其功能如下：
在市电正常时，而且负载功率未超出输入整流器所能提供的最大功率(或最大电流)时，对电池进行充电，充电又分三种工况：
1、恒流充电：当充电电压未达到均充电压，充电电流就大于所设定最大充电电流时，以所设定最大充电电流进行恒流充电；
2、均充恒压充电：当充电电压达到均充电压，此时充电电流小于所设定最大充电电流时，以均充电压进行恒压充电；
3、浮充恒压充电：均充电压恒压充电后，充电电流连续一段设定时间小于某一设定的转换电流时，转浮充电压进行恒压充电。
常用的Buck型数字式电池充电器均为双环PID控制器，分为电压外环电流内环和电流外环电压内环两类。
图2为电压外环电流内环buck型数字式电池充电器结构框图。电池电压给定(Vb*)和电池电压反馈(Vb)的误差经电池电压调节器(vb_reg)，再经电池电流给定限幅(Limit)后，生成电池电流给定(ib*)。电池电流给定(ib*)和电池电流反馈(ib)的误差经电池电流调节器(Ib_reg)后再经PWM发生器(PWM generator)生成PWM波形以驱动开关管Q1。其中电池电压给定最大值可设置为均充/浮充恒压充电点，电池电流给定限幅最大值可设置为恒流充电点。
图3为电流外环电压内环buck型数字式电池充电器结构框图。电池电流给定(ib*)和电池电流反馈(ib)的误差经电池电流调节器(Ib_reg)，再经电池电压给定限幅(Limit)后，生成电池电压给定(Vb*)。电池电压给定(Vb*)和电池电压反馈(Vb)的误差经电池电压调节器(vb_reg)后再经PWM发生器(PWM generator)生成PWM波形以驱动开关管Q1。其中电池电流给定最大值可设置为恒流充电点，电池电压给定限幅最大值可设置为均充/浮充恒压充电点。
无论电压外环电流内环控制还是电流外环电压内环控制，均为典型的双环控制，都要遵循双环控制的内环响应速度快外环响应速度慢的基本准则，所以在充电电流要求很小时，很容易产生间歇式充电的结果，即只能以比较大的电流充电和完全不充电交替进行，而无法以比较小的恒定电流充电，从而影响电池的使用寿命。另外，双环控制的控制参数也不易调节。
发明内容
本发明提供一种电池充电器的充电控制方法及其电路，以解决现有技术中存在不能以较小的恒定电流充电和控制参数不易调节的问题。
实现本发明的技术方案：
一种电池充电器的充电控制方法，所述充电器根据反馈电压和电流产生脉宽调制(PWM)信号，通过该PWM信号驱动开关管进行充电控制；该方法为：
A、将电池的电压反馈值和电流反馈值分别与充电限压值和充电限流值进行比较，并根据比较结果产生参考值；
B、根据电池电压反馈值和充电限压值的差值的绝对值与第一设定值的大小，以及电池电流反馈值和充电限流值的差值的绝对值与第二设定值的大小选择控制参数；
C、对所述参考值与控制参数的乘积进行积分运算；
D、根据积分输出产生相应的PWM信号，由该PWM信号驱动开关管进行充电控制。
根据上述方法：
步骤A中按下述顺序确定参考值：
A1、如果比较结果为所述电压反馈值大于恒压充电限压值或所述电流反馈值大于恒流充电限流值，则输出的参考值为-1，否则进行步骤A2；
A2、如果比较结果为所述电压反馈值等于恒压充电限压值或所述电流反馈值等于恒流充电限流值，则输出的参考值为0，否则输出的参考值为1。
所述控制参数包括一大系数和一小系数；当电压反馈值与充电限压值的差值的绝对值大于第一设定值或电流反馈值与充电限流值的差值的绝对值大于第二设定值时，选择大系数作为控制参数；否则选择小系数作为控制参数。
所述充电限压值为恒压充电限压值，所述充电限流值为恒流充电限流值。
一种充电控制电路，用于向开关管提供脉宽调制(PWM)信号，通过该PWM信号对电池充电进行控制，该充电控制电路包括：
参考值产生电路，根据电池的电压反馈值和电流反馈值分别与充电限压值和限流值的大小关系输出一参考值；
控制参数选择电路，根据电池电压反馈值和充电限压值的差值的绝对值与第一设定值的大小，以及电池电流反馈值和充电限流值的差值的绝对值与第二设定值的大小选择控制参数并输出；
乘法器，将参考值产生电路输出的参考值和控制参数选择电路输出的控制参数进行乘法运算并输出；
积分器，对乘法器的输出进行积分运算；
PWM信号产生器，根据该积分器的输出信号产生PWM信号，并输出至开关管。
本发明将双环合并起来，并没有串联式双环调节器内环响应速度快外环响应速度慢的差异，所以充电PWM发波脉宽很稳定，克服了小电流工况下间歇式充电的弊端；另外，控制器中只有积分控制参数需要确定，因此，设计方法简便，省去了复杂的双闭环PI调节器的参数设计过程。
附图说明
图1为一个典型的Buck型电池充电器拓扑结构图；
图2为电压外环电流内环Buck型数字式电池充电器结构框图；
图3为电流外环电压内环Buck型数字式电池充电器结构框图；
图4为本发明的充电控制电路的结构图；
图5为本发明的控制流程图。
具体实施方式
本发明将充电器的充电电压环和充电电流环合并起来，采用逻辑式乒乓控制+变参数积分器进行充电控制。本实施例主要以UPS中的充电器为例进行说明，对电池充电的电路部分参阅图1所示。
参阅图4所示，充电控制电路包括：
参考值产生电路10，包括四个输入，分别为电池的电压反馈值vb、电池的电流反馈值ib、充电限压值vb*和充电限流值ib*。参考值产生电路10为逻辑式乒乓调节器，根据输入的大小关系输出一参考值，该参考值有-1、0、1三个值，分别由下述三种条件产生：
A、如果电流反馈值ib大于充电限流值ib*或者电压反馈值vb大于充电限压值vb*，则输出-1；
B、当A中的条件不满足时，如果电流反馈值ib等于充电限流值ib*或者电压反馈值vb等于充电限压值vb*，则输出0；
C、当A、B中条件均不满足时，输出1。
上述的充电限流值和限压值最佳为恒流充电限流值和恒压充电限压值。
控制参数选择电路20，包括四个输入，分别为电池的电压反馈值vb、电池的电流反馈值ib、充电限压值vb*和充电限流值ib*。控制参数选择电路20计算出电压反馈值vb与充电限压值vb*的偏差的绝对值和电流反馈值ib与充电限流值ib*的偏差的绝对值，并分别与第一设定值和第二设定值比较来选择积分器的控制参数K。控制参数包括一大系数和一小系数，当其中任一偏差值的绝对值大于对应的设定值时选择大系数，否则选择小系数。其主要作用是：当充电电路稳态工作时，采用小系数，保证充电PWM发波脉宽的稳定性；否则，采用大系数以保证控制的快速性。
乘法器30，与参考值产生电路10和控制参数选择电路20连接，接收该两电路的输出信号并进行乘法运算。
积分器40，与乘法器30连接，对该乘法器30的输出进行积分运算。
PWM信号产生器50，与积分器40连接，根据该积分器的输出信号产生PWM信号，并输出至开关管Q1。
在Buck型数字控制方式的充电器中，参考值产生电路10、控制参数选择电路20、乘法器30、积分器40和PWM信号产生器50的功能通过数字信号处理器(DSP)执行程序实现。
通过模拟电路实现时，可以通过常用的元器件实现上述电路，如，利用运算放大器、电阻和电容等相关器件构成比较器、乘法器和积分器。
参阅图5所示，充电控制的过程如下：
步骤100：输入电池的电压反馈值vb与恒压充电限压值vb*、电池的电流反馈值ib与恒流充电限流值ib*。
步骤110：判断是否存在电压反馈值vb大于恒压充电限压值vb*或电流反馈值ib大于恒流充电限流值ib*，如果是则输出参考值-1(步骤115)，否则进行步骤120；
步骤120：判断是否存在电压反馈值vb等于恒压充电限压值vb*或电流反馈值ib等于恒流充电限流值ib*，如果是则输出参考值0(步骤122)，否则输出参考值1(步骤121)；
步骤130：计算电压反馈值vb与恒压充电限压值vb*的偏差值、电流反馈值ib与恒流充电限流值ib*的偏差值。
步骤140：判断是否存在电压反馈值vb与恒压充电限压值vb*的偏差的绝对值大于第一设定值或电流反馈值ib与恒流充电限流值ib*的偏差的绝对值大于第二设定值，如果是则选择大系数作为控制参数(步骤141)；否则选择小系数作为控制参数(步骤142)。
步骤150：将参考值和控制参数进行乘法运算。
步骤160：对乘法运算的结果进行积分运算。
步骤170：根据积分运算的结果产生PWM信号并输出到开关管。
上述过程中确定参考值与确定控制参数的先后顺序并不影响本发明的实现，如，在模拟电路实现时两者可以是通过电路同时产生。
本发明具有下述优点：
1、将电压环电流环双环结合起来，充电PWM发波脉宽很稳定，克服了小电流工况下间歇式充电的问题。
2、设计简便，控制器中只有积分控制参数K需要设计。而K一般可设计成两档，稳定时为保证发波脉宽稳定，可设计成较小的值，由于电池充电器对快速性要求不高，小系数控制参数选择范围很宽；当UPS由于输出负载突变或者发生短路造成母线电压突然大幅度变动时，可切换到大系数，由于大系数控制参数为极限下选用，最终还会切回到小系数控制参数，所以大系数控制参数选择范围也很宽。对比双闭环调节器而言，控制器设计简便很多，而且对控制对象的变化不敏感，具有很好的鲁棒性。
以上虽以UPS中的充电器对本发明进行说明，但并不限于此，本发明完全适用于其他需要对充电进行控制的装置中。
Claims (5)
1、一种电池充电器的充电控制方法，所述充电器根据反馈电压和反馈电流产生脉宽调制(PWM)信号，通过该PWM信号驱动开关管进行充电控制；其特征在于该方法为：
A、将电池的电压反馈值和电流反馈值分别与充电限压值和充电限流值进行比较，并根据比较结果产生参考值；
B、根据电池电压反馈值和充电限压值的差值的绝对值与第一设定值的大小，以及电池电流反馈值和充电限流值的差值的绝对值与第二设定值的大小选择控制参数；
C、对所述参考值与控制参数的乘积进行积分运算；
D、根据积分结果产生相应的PWM信号，由该PWM信号驱动开关管进行充电控制。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤A中按下述顺序确定参考值：
A1、如果比较结果为所述电压反馈值大于充电限压值或所述电流反馈值大于充电限流值，则输出的参考值为-1，否则进行步骤A2；
A2、如果比较结果为所述电压反馈值等于充电限压值或所述电流反馈值等于充电限流值，则输出的参考值为0，否则输出的参考值为1。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制参数包括一大系数和一小系数；当电压反馈值与充电限压值的差值的绝对值大于第一设定值或电流反馈值与充电限流值的差值的绝对值大于第二设定值时，选择大系数作为控制参数；否则选择小系数作为控制参数。
4、如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述充电限压值为恒压充电限压值，所述充电限流值为恒流充电限流值。
5、一种充电控制电路，用于向开关管提供脉宽调制(PWM)信号，通过该PWM信号对电池充电进行控制，其特征在于包括：
参考值产生电路，根据电池的电压反馈值和电流反馈值分别与充电限压值和限流值的大小关系输出一参考值；
控制参数选择电路，根据电池电压反馈值和充电限压值的差值的绝对值与第一设定值的大小，以及电池电流反馈值和充电限流值的差值的绝对值与第二设定值的大小选择控制参数并输出；
乘法器，将参考值产生电路输出的参考值和控制参数选择电路输出的控制参数进行乘法运算并输出；
积分器，对乘法器的输出进行积分运算；
PWM信号产生器，根据该积分器的输出信号产生PWM信号，并输出至开关管。
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