新型可編程蓄電池充電器研究

劉 珺，傅 遠(yuǎn)，王立業(yè)

（1.華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利審查協(xié)作中心，北京 100190；3.中國科學(xué)院電工研究所，北京 100083）

新型可編程蓄電池充電器研究

劉 珺1，傅 遠(yuǎn)2，王立業(yè)3

（1.華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013；2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利審查協(xié)作中心，北京 100190；3.中國科學(xué)院電工研究所，北京 100083）

電動汽車電池管理系統(tǒng)（BMS）需對電池進(jìn)行管理并控制充電器的充電電流與終止電壓。當(dāng)給不同的蓄電池充電時，充電器須可編程以滿足不同的充電需求。與多數(shù)研究不同，研究的充電器采用改變反饋比的方式改變目標(biāo)值，硬件上采用數(shù)模混合控制。上層控制系統(tǒng)BMS控制采樣系統(tǒng)中數(shù)字電位器的大小改變反饋比，下層模擬芯片完成控制算法以減少BMS計算開銷。最后通過實(shí)驗證明此方案的正確性，該方案具有控制靈活、簡單易行的特點(diǎn)。

反饋比；數(shù)字電位器；蓄電池充電器；可編程；電動汽車

電動汽車研究進(jìn)展極為迅猛，電動汽車蓄電池充電技術(shù)是電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。蓄電池充電技術(shù)目前主流的仍是采用恒流恒壓充電方式，控制器有模擬及數(shù)字芯片兩種。數(shù)字控制器有單片機(jī)、DSP、FPGA等。文獻(xiàn)[3]采用FPGA制作了一款DC/DC電源；文獻(xiàn)[4]采用DSP為主控制芯片設(shè)計了一款充電器。使用DSP或FPGA芯片控制電路可以簡化，但同時芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易掌握且價格高。文獻(xiàn)[5]采用ADμC812單片機(jī)作為主控芯片研發(fā)一款大功率充電器；文獻(xiàn)[6]針對通用充電器的工作特點(diǎn)，設(shè)計了一種以AT89C2051單片機(jī)為核心的智能充電器。文獻(xiàn)[7]采用PIC單片機(jī)設(shè)計了一款充電器。一般說來，單片機(jī)作為控制器有易學(xué)易用，成本低的特點(diǎn)。

電動汽車采用不同的動力蓄電池時必須采用不同的充電方式來滿足充電需求，也即需要不同的充電電流與充電電壓。當(dāng)需要一款充電器能同時給各種電池充電時，希望充電器具有靈活可編程功能，以滿足不同蓄電池的充電需求。可編程的實(shí)現(xiàn)方式有多種途徑，其中選擇不同的控制器往往也選擇了不同的解決方案。當(dāng)文獻(xiàn)[8]利用Max712實(shí)現(xiàn)了可編程充電器的設(shè)計，當(dāng)文獻(xiàn)[9]采用Max745充電控制芯片設(shè)計了一款鋰離子蓄電池充電器的設(shè)計，受芯片功能所限，它們均適于小功率應(yīng)用場合。文獻(xiàn)[10]采用單片機(jī)PIC16F676作為控制器,可實(shí)現(xiàn)對1～3節(jié)鋰離子蓄電池或1～8節(jié)MH-Ni蓄電池的充電和監(jiān)測。文獻(xiàn)[11]采用單片機(jī)68HC08實(shí)現(xiàn)對多種電池充電，并能通過CAN通訊與上位機(jī)通訊，接受遠(yuǎn)程控制指令并發(fā)送實(shí)時充電數(shù)據(jù)。

與上述研究不同，本文綜合利用上層控制系統(tǒng)BSM單片機(jī)與模擬控制芯片進(jìn)行數(shù)模混合控制的新型解決方案，并提出一種通過改變反饋比來改變控制目標(biāo)的控制方式。

1 靈活充電器工作原理

數(shù)字電位器可以方便地實(shí)現(xiàn)在線電阻控制，它在電源設(shè)計中有著不同的應(yīng)用[13-14]。可編程充電器采用引用數(shù)字電位器來改變反饋比的新穎方式進(jìn)行充電控制，而數(shù)字電位器的數(shù)值確定通過上層控制系統(tǒng)BMS以通訊的方式進(jìn)行。

1.1 控制原理

充電器是一類用于給二次電源補(bǔ)充充電的開關(guān)電源。當(dāng)期望開關(guān)電源的輸出電壓UO為固定值時，一般控制將把輸出電壓給定值與輸出電壓反饋比均設(shè)為定值以保證控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。如果期望輸出電壓UO按某種方式能夠做出變化時，可以通過改變輸出電壓給定值或反饋比來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，而就應(yīng)用而言，以改變電壓給定值的方式更為常見，如圖1所示，圖中以電壓單環(huán)為例說明。

圖1 變給定值式充電器控制原理圖

輸出電壓：

式中：G(S)=GC(S)KPWMGLC(S)。

由式(1)可知，當(dāng)改變輸出電壓給定值URef(S)時可以得到不同的輸出電壓UO1(S)，即加大URef(S)時，UO1(S)也將加大，而減小URef(S)時，UO1(S)也將隨之減小。

為了得到變化的輸出電壓除了以上控制方式之外，還有變反饋比式控制，其原理圖如圖2所示。與圖1所示采用的控制方案不同，它采用改變反饋比G'FB(S)的方案，而給定值URef(S)保持不變。

圖2 變反饋比式充電器控制原理圖

輸出電壓：

式中：G(S)=GC(S)KPWMGLC(S)。

由式（2）可知，當(dāng)改變輸出電壓反饋比G'FB(S)同樣可以得到不同的輸出電壓UO2(S)，即加大G'FB(S)時，UO2(S)也將減小，而減小G'FB(S)時，UO2(S)將加大。

1.2 充電器設(shè)計

由于研究與工程應(yīng)用需要一個便攜式充電器，它能滿足對多種蓄電池的充電需求，也即能有可編程的充電電壓與充電電流。充電器采用模數(shù)混合的控制方式，利用單片機(jī)作為上層控制器控制充電器的電壓與電流，而采用模擬控制器件完成實(shí)際控制，即穩(wěn)定電壓、電流與控制動態(tài)響應(yīng)，而可編程充電電壓與電流的實(shí)現(xiàn)方式采用變反饋比的解決方案。

此充電器輸入為前端經(jīng)PFC處理之后穩(wěn)定的500 V直流，研究所需的充電器最高需對100節(jié)鋰離子電池進(jìn)行充電，這時，最高充電電壓也不超過400 V，因此采用Buck拓?fù)潆娐罚鐖D3所示。

改變電壓反饋比可以采用改變電壓采樣電阻的分壓比來實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

當(dāng)R2變化時，即可以得到變化的輸出電壓反饋比，因此通過控制R2的大小就能得到所需的輸出電壓反饋比。

改變電流反饋比方式與改變電壓反饋比方式類似，本文不再贅述。

圖3 充電器主電路

圖4 改變輸出電壓反饋比原理電路

充電器實(shí)際使用的電路與反饋比的實(shí)現(xiàn)如圖5所示，其中變阻器用R1與R2由數(shù)字電位器來實(shí)現(xiàn)。通過上層BSM控制器控制數(shù)字電位器來改變其電阻值以達(dá)到改變反饋比的目的。

圖5 變反饋比式電壓/電流控制示意圖

使用數(shù)字電位器替代R1與R2，它具有與機(jī)械電位器與可變電阻器相同的功能，并具有100個抽頭，其結(jié)構(gòu)如圖6所示[15]，通過給其2腳以脈沖信號可以控制它的阻值。

圖6 D S1804結(jié)構(gòu)圖

下級控制芯片UC3843完成控制算法，芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電流控制的內(nèi)部參考電壓為1 V，而控制電壓的內(nèi)部參考電壓為固定值2.5 V，將電壓反饋端接入UC3843的電壓反饋端，電流反饋接入電流反饋端。

如需調(diào)節(jié)輸出電壓時，用電壓傳感器檢測輸出電壓，輸出電壓值加載在數(shù)字電位器的高低兩端，數(shù)字電位器的輸出與UC3843的內(nèi)部參考電壓進(jìn)行比較，UC3843通過電壓誤差信號調(diào)節(jié)占空比，得到需要的電壓。UC3843的參考電壓為定值，通過單片機(jī)通訊發(fā)令改變數(shù)字電位器的輸出阻值來改變反饋比，即輸入UC3843電壓檢測腳的輸入電壓將受單片機(jī)所控制。當(dāng)需要輸出某一電壓時，即對應(yīng)數(shù)字電位器某一電阻值，而此阻值可以通過查找事先離線制得的表格得到，控制算法由UC3843來完成而不占用BMS控制芯片的計算開銷。

如需改變充電電流，其工作原理與改變充電電壓類似。在經(jīng)過電流采樣之后得到的電壓加載在數(shù)字電位器的高低端，數(shù)字電位器輸出電壓與UC3843內(nèi)部電流比較器進(jìn)行比較，當(dāng)電壓大于內(nèi)部參考電壓時，UC3843關(guān)斷輸出以穩(wěn)定電流。當(dāng)需要改變充電電流大小時，將電流采樣后端的數(shù)字電位器的輸出阻值改變到所需電流對應(yīng)的阻值即可，同樣采用查找離線表格的形式能通訊完成對阻值的修改。

2 實(shí)驗與小結(jié)

用BMS通訊發(fā)令改變數(shù)字電位器的阻值來改變充電器的輸出電壓與充電電流的實(shí)驗結(jié)果如圖7所示，為了直觀地看到輸出電壓變化，實(shí)驗中充電器所帶負(fù)載實(shí)為功率電阻。圖中上線為數(shù)字電位器的控制脈沖，下線為充電器輸出電壓，圖中可以看出電壓與隨著電位器的控制信號平穩(wěn)變化。脈沖信號發(fā)生變化即數(shù)字電位器的阻值發(fā)生變化，也即電壓反饋比也發(fā)生變化，并最終改變了充電器的輸出電壓。

圖7 充電電壓隨數(shù)字電位器變化的變化

一般的蓄電池充電器是通過調(diào)節(jié)設(shè)定值來改變充電輸出電壓、電流，而本文采用的是數(shù)字電位器結(jié)合單片機(jī)的控制方法，通過調(diào)節(jié)采樣電壓、電流的反饋比調(diào)節(jié)反饋給PWM控制器的信號，進(jìn)而對充電電流及電壓進(jìn)行控制。

最后通過實(shí)驗證明此方案的正確性。該方案采用數(shù)模混合控制，BSM系統(tǒng)通過通訊方式改變采樣系統(tǒng)中的數(shù)字電位器大小，以達(dá)到改變反饋比進(jìn)而完成改變控制目標(biāo)，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出的目的。

此方案不增加上層控制系統(tǒng)的計算開銷，具有控制簡單易行的特點(diǎn)。同時此方案也可用于模擬電源升級為數(shù)字控制的應(yīng)用中。另外如使用能以CAN通訊方式控制的數(shù)字電位器可以使控制更便利、靈活。

[1]GOMEZ JC,MORCOSM M.Impact of EV battery chargerson the power quality of distribution systems[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2003,18:975-981.

[2] SOLERO L.Nonconventional on-board charger for electric vehicle propulsion batteries[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2001,50:144-149.

[3]王騫，張東來.基于FPGA的數(shù)字控制DC/DC研究[J].電力電子技術(shù)，2008,42（11）：19-21.

[4] 郭傳奇.基于DSP技術(shù)的鉛酸電池充電電源研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[5] 張厚升.大容量航空蓄電池充電器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電氣自動化，2007（5）：36-38,58.

[6] 劉美俊.基于單片機(jī)的通用智能充電器設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2006（9）：41-43.

[7] 徐寧，杜少武.電動車用智能型快速充電器的研制[J].電氣自動化，2001（1）：67-69.

[8] 趙順東，洪秋媛.基于MAX 712芯片的可編程充電器的設(shè)計[J].電源技術(shù),2005（4）:257-260.

[9] 金俊，邵宗良.基于便攜機(jī)的鋰離子蓄電池充電器的設(shè)計[J].電源技術(shù)，2006（8）：672-676.

[10] 邊延凱，田爽.一種便攜式智能充電器的設(shè)計[J].電源技術(shù)，2006（8）：677-680，683.

[11] 羅俊，楊林，郭敬愛.基于PIC單片機(jī)的智能充電器設(shè)計[J].電力電子技術(shù)，2008（8）：73-75.

[12]毛常亮，殳國華，張仕文.基于68HC08MCU的智能充電器的設(shè)計[J].電力電子技術(shù)，2007（7）：45-46,49.

[13] 水清.數(shù)字電位器在DC-DC變換器中的應(yīng)用[J].國外電子元器件，2005(9)：39-41.

[14] CHEN X,M IY,LIC X,et al.Programmable voltage regulating method for high voltage DC power supply based on digital potentiometer and linear photoelectric coupling[C]//2008 International Conference on High Voltage Engineering and Application.USA：2008 International Conference on High Voltage Engineering and Application，2008:746-749.

[15] Dallsa Sem iconductor Corp.DS1804 Nonvolatile Trimmer Potentiometer[EB/OL].[2013-01-05].www.maxim-ic.com.

A novelprogrammablebattery charger

LIU Jun1,FU Yuan2,WANG Li-ye3
（1.Electrical&Electronic Engineering School,EastChina JiaoTong University,Nanchang Jiangxi330013,China; 2.PatentExam ination Cooperation Center of the PatentOffice,SIPO,Beijing 100190,China; 3.Institute ofElectrical Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100183,China）

Battery management system(BMS)for electric vehicle can not only manage battery but also control battery charger's charging current and voltage.Charger should be programmable to meet requirements when it is demanded to charge different batteries. Unlike the majority of studies, the charger varied the target value by changing the feedback ratio rather than reference. The study adopted digital and analog hybrid control scheme. Upper management system-BMS dominated digital potentiometers used in sampling system to change feedback ratio and the lower analog chip implemented control algorithms to reduce the BMS calculation cost.At last,experiments were performed to prove the correctness of the solution.The solution is flexible and easy to realize.

feedback ratio;digital potentiometer;battery charger;programmable;electric vehicle

T M 912

A

1002-087 X(2013)11-2007-02

2013-04-06

劉珺（1975—），江西省人，博士，講師，主要研究方向為電力電子技術(shù)。