CN203933123U - 基于Buck-boost变换器的并行充电控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于Buck-boost变换器的并行充电控制系统，包括充电电路、霍尔电流传感器、驱动电路和数字处理单元，充电电路由开关管S1、S2，电感L，二极管VD1、VD2组成。开关管S1与开关管S2工作在同步模式，开关管S1的漏极与输入直流电源DC的正端相连接，开关管S2的源极与输入直流电源DC的地GND相连接；开关管S1由驱动电路1驱动，开关管S2由驱动电路2驱动；数字处理单元通过ADC实时采样充电电路的输入电压、每节电池两端电压及其对应的充电电路的电感电流。本实用新型采用了改进的Buck-boost变换器作为充电主电路，能够高效快速地为锂电池组并行智能充电，充电控制系统结构简洁，电感等损耗较小，充电效率高。

Description

基于Buck-boost变换器的并行充电控制系统

技术领域

本实用新型属于电源技术领域，具体涉及一种基于Buck-boost变换器的并行充电控制系统。

背景技术

随着人们对移动设备越来越广泛的使用，如何为其提供安全可靠并且快速的充电设备显得尤为重要，一般情况下，利用变换器直接为电池组串行充电，这样刚开始时电流过大，从而严重伤害电池，使得电池组使用寿命减少。并且充电时间较长，不能及时为用电设备充足电能。

传统的锂电池充电器控制由模拟器件控制，结构拓扑以及充电方法单一，不能按照电池电量状态智能分阶段充电，更不能在无人监控的情况下监测电池充电状态，实现保护的功能。近年来，数字处理技术更加广泛的使用、成熟，微控制器的性价比不断提高，电池组的充电方式也向着智能化、快速的方向发展。控制方法也由单一的模拟控制变得更加复杂、灵活、方便。在延长电池寿命的同时，更加快速、高效的为电池组充电。

为了实现锂电池组的快速充电，本专利采用并行充电方式。但是并行充电需要各充电电路之间相互隔离，不能存在导电回路，同时实现分阶段智能恒流充电和恒压浮充。应用反激型开关变换器可以实现 并行充电，但充电控制系统相对复杂，变压器等损耗较大，很难提高充电效率。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于Buck-boost变换器的并行充电控制系统，能够为锂电池组的每一节电池并行快速充电。

本实用新型的技术方案是：一种基于Buck-boost变换器的并行充电控制系统，其特征是包括充电电路、霍尔电流传感器、驱动电路和数字处理单元，充电电路由开关管S1、S2，电感L，二极管VD1、VD2组成；开关管S1与开关管S2工作在同步模式，开关管S1的漏极与输入直流电源DC的正端相连接，开关管S2的源极与输入直流电源DC的地GND相连接；开关管S1由驱动电路1驱动，开关管S2由驱动电路2驱动；

数字处理单元通过ADC实时采样充电电路的输入电压、每节电池两端电压及其对应的充电电路的电感电流；

电感L与霍尔电流传感器串联，电感L的一端接开关管S1的源极和二极管VD1的阴极，另一端接霍尔电流传感器的电流输入端口，霍尔传感器的电流输出端口连接开关管S2的漏极和二极管VD2的阳极；

电池的正极接二极管VD2的阴极，电池的负极接二极管VD1的阳极，电池的负极接地GND；

电感电流采样电阻R₅与霍尔电流传感器的电流采样输出端连接。

本专利采用了改进的Buck-boost变换器作为充电主电路，能够高 效快速地为锂电池组并行智能充电，充电控制系统结构简洁，电感等损耗较小，充电效率高。

附图说明

图1是改进的Buck-boost DC-DC变换器充电主电路原理图。

图2是三路并行充电电路原理图。

图3是在Simulink仿真环境下，六路并行充电的仿真结果图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型的内容做进一步说明。

如图1所示，改进的Buck-boost DC-DC变换器充电电路由开关管S1、S2，电感L，二极管VD1、VD2组成。开关管S1与开关管S2工作在同步模式，开关管S1的漏极与输入直流电源DC的正端相连接，开关管S2的源极与输入直流电源DC的地GND相连接。

电感L与霍尔电流传感器串联。电感L的一端接开关管S1的源极和二极管VD1的阴极，另一端接霍尔电流传感器的电流输入端口。霍尔电流传感器的电流输出端口连接开关管S2的漏极和二极管VD2的阳极。

电池的正极接二极管VD2的阴极，负极接二极管VD1的阳极。为了便于电池电压的采样，电池的负极接地GND。

当开关管S1、S2同步开通时，电感L充电，二极管VD1、VD2反向截止；当S1、S2同步关断时，电感L放电，二极管VD1、VD2续流导通，电池充电。

采样电阻R₁、R₂接在输入直流电源DC的正端和地GND之间， 将输入电压分压后采样。采样电阻R₃、R₄接在电池的两端，将电池两端电压分压后采样。电阻R₅是电感电流采样电阻，与霍尔电流传感器的电流采样输出端连接，将电流值转换成电压值后采样。

数字处理单元通过实时采样输入电压V_i、输出电压V_o、电感电流i_L，给定电池所需要的充电电流I_o，运用数字电流滞环控制策略产生脉冲序列，驱动电路控制同步开关S1、S2的开通和关断。在电池充满后，采用PID控制算法实现恒压浮充，这时只需实时采样输出电压。

对于锂电池组，需要为串联的各个电池快速并行充电。每单个电池各用一个改进的Buck-boost DC-DC变换器充电电路，每个充电电路独立工作。下面以三路并行充电电路为例，结合附图2说明技术方案。

如图2所示，对于锂电池组而言，每单个电池各用一个改进的Buck-boost DC-DC变换器充电电路。电阻R₁、R₂是输入电压的采样电阻。电阻R₃、R₄是电池1的正极对地GND的采样电阻，R₆、R₇是电池2的正极对地GND的采样电阻，R₉、R₁₀是电池3的正极对地GND的采样电阻。R₅、R₈、R₁₁是电感L1、L2、L3的电流采样电阻，与霍尔电流传感器的电流采样输出端连接，将电流值转换成电压值后采样。

开关管S1、S2，电感L1，二极管VD1、VD2共同组成了电池1的充电主电路；开关管S3、S4，电感L2，二极管VD3、VD4共同组成了电池2的充电主电路；开关管S5、S6，电感L3，二极管VD5、 VD6共同组成了电池3的充电主电路。各个充电主电路与改进的Buck-boost DC-DC变换器充电电路连接方式相同，控制策略也相同，其中电池1的负极接地GND，电池2、电池3的负极则不接地GND。

V_o,1、V_o,2、V_o,3是各个锂电池的正极对地GND的采样电压，处理器对采样电压计算得到每一节电池两端电压。

以上是三个串联锂电池组并行充电电路，如果要实现更多路电池组并行充电，则加入相应数量的充电主电路，就可以形成不同需要的并行充电电路。

为锂电池组充电，我们以容量为5A·h的锂电池组来做说明，其为六个锂电池串联，单个锂电池充满电时的电压为4.2V，整个锂电池组充满电时电压为25.2V。

首先以电流I₁给每节锂电池并行充电5分钟预热，预热结束后用电流I₂并行充电。当其中一节锂电池充电电压为4.2V时，为了保证关断时较小的充电电流，用电流I₃再对其充10分钟，然后结束这节电池的充电。当锂电池组中所有单个电池都结束充电时，则整个充电系统转为恒压浮充，采用PID控制算法，保证了电池的满容量。

每组数字处理单元通过ADC实时采样充电电路的输入电压、每节电池两端电压及其对应的充电电路的电感电流，在充电的每个阶段给定充电电流值，分别为I₁、I₂、I₃，采用滞环电流控制策略产生脉冲序列，驱动各个同步开关管的状态。当锂电池组中所有单个电池都结束充电时，则整个充电系统转为恒压浮充，实时采样每节电池两端的电压，采用PID算法产生驱动脉冲，驱动各个同步开关管。

按照以上的设计方法，用六个1F电容串联代替锂电池组，充电电路的电感值均为600μH，输入电压为28V，电流滞环宽度为100mA。当每单个电容都充满时，控制采取PID算法，电压基准设为4.2V，实现恒压浮充。充电波形如图3所示，初始阶段300mA电流充电预热时间为0.42秒，当充电电压达到25.2V时，时间为1.79秒，加上100mA的末尾充电小电流时间0.84秒，充电的总共时间为2.63秒。与5A·h锂电池容量相当的电容为714.28F，所以一组5A·h锂电池的并行充电时间为2.63×714.28≈1879秒，即约32分钟。这些都和计算数据相吻合，证明了方案的可行性，可实现给锂电池快速并行充电。

本设计采用内部集成ADC的ARM-STM32微处理器，具有价格便宜、开发周期短的优势。首先配置好处理器的各个外设，初始化之后通过ADC实时采样输入电压、每节电池两端的电压及其对应的充电电路的电感电流，应用滞环电流控制策略产生每路驱动脉冲。在充电的初始阶段采用300mA的充电电流预热5分钟，然后用3A的电流并行充电。当其中一节电池的电压达到4.2V时，用100mA电流给其充电10分钟，然后结束此节电池的充电。当锂电池组中所有单个电池都结束充电时，整个充电系统转为恒压浮充，采用PID控制算法，保证了电池的满容量。

凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于Buck-boost变换器的并行充电控制系统，其特征是包括充电电路、霍尔电流传感器、驱动电路和数字处理单元，充电电路由开关管S1、S2，电感L，二极管VD1、VD2组成；开关管S1与开关管S2工作在同步模式，开关管S1的漏极与输入直流电源DC的正端相连接，开关管S2的源极与输入直流电源DC的地GND相连接；开关管S1由驱动电路1驱动，开关管S2由驱动电路2驱动；

数字处理单元通过ADC实时采样充电电路的输入电压、每节电池两端电压及其对应的充电电路的电感电流；

电感L与霍尔电流传感器串联，电感L的一端接开关管S1的源极和二极管VD1的阴极，另一端接霍尔电流传感器的电流输入端口，霍尔传感器的电流输出端口连接开关管S2的漏极和二极管VD2的阳极；

电池的正极接二极管VD2的阴极，电池的负极接二极管VD1的阳极，电池的负极接地GND；

电感电流采样电阻R₅与霍尔电流传感器的电流采样输出端连接。