專利名稱：電池充電器的充電控制方法及其電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及電池充電技術，尤其涉及一種電池充電器的充電控制方法及其電路。
背景技術：
隨著不間斷電源(UPS)的市場容量不斷擴大，用戶對于大容量UPS電池管理功能的要求越來越高，電池管理向精細化、智能化、數字化發展。電池管理的數字化也迫使UPS充電器由傳統的模擬控制轉向數字化控制。
參閱圖1所示的Buck型電池變換器拓撲結構圖，其中，Q1為開關管，Q2為續流二極管，C6為母線電容(Ud為母線電壓)，L8為降壓電感。其工作原理為當Q1導通時，降壓電感上承受正向(Ud-vb)電壓，電池充電電流ib增加；當Q1關閉時，Q2由于電感續流作用而導通，降壓電感上承受反向電壓(-vb)，電池充電電流ib減少。通過不斷調整Q1導通的脈寬占空比就可以調節電池充電電流ib和電池電壓vb。
Buck型電池充電器為一個直流-直流(DC-DC)變換器，連接直流母線與電池，其功能如下在市電正常時，而且負載功率未超出輸入整流器所能提供的最大功率(或最大電流)時，對電池進行充電，充電又分三種工況1、恒流充電當充電電壓未達到均充電壓，充電電流就大于所設定最大充電電流時，以所設定最大充電電流進行恒流充電；2、均充恒壓充電當充電電壓達到均充電壓，此時充電電流小于所設定最大充電電流時，以均充電壓進行恒壓充電；3、浮充恒壓充電均充電壓恒壓充電后，充電電流連續一段設定時間小于某一設定的轉換電流時，轉浮充電壓進行恒壓充電。
常用的Buck型數字式電池充電器均為雙環PID控制器，分為電壓外環電流內環和電流外環電壓內環兩類。
圖2為電壓外環電流內環buck型數字式電池充電器結構框圖。電池電壓給定(Vb*)和電池電壓反饋(Vb)的誤差經電池電壓調節器(vb_reg)，再經電池電流給定限幅(Limit)后，生成電池電流給定(ib*)。電池電流給定(ib*)和電池電流反饋(ib)的誤差經電池電流調節器(Ib_reg)后再經PWM發生器(PWM generator)生成PWM波形以驅動開關管Q1。其中電池電壓給定最大值可設置為均充/浮充恒壓充電點，電池電流給定限幅最大值可設置為恒流充電點。
圖3為電流外環電壓內環buck型數字式電池充電器結構框圖。電池電流給定(ib*)和電池電流反饋(ib)的誤差經電池電流調節器(Ib_reg)，再經電池電壓給定限幅(Limit)后，生成電池電壓給定(Vb*)。電池電壓給定(Vb*)和電池電壓反饋(Vb)的誤差經電池電壓調節器(vb_reg)后再經PWM發生器(PWM generator)生成PWM波形以驅動開關管Q1。其中電池電流給定最大值可設置為恒流充電點，電池電壓給定限幅最大值可設置為均充/浮充恒壓充電點。
無論電壓外環電流內環控制還是電流外環電壓內環控制，均為典型的雙環控制，都要遵循雙環控制的內環響應速度快外環響應速度慢的基本準則，所以在充電電流要求很小時，很容易產生間歇式充電的結果，即只能以比較大的電流充電和完全不充電交替進行，而無法以比較小的恒定電流充電，從而影響電池的使用壽命。另外，雙環控制的控制參數也不易調節。

發明內容
本發明提供一種電池充電器的充電控制方法及其電路，以解決現有技術中存在不能以較小的恒定電流充電和控制參數不易調節的問題。
實現本發明的技術方案一種電池充電器的充電控制方法，所述充電器根據反饋電壓和電流產生脈寬調制(PWM)信號，通過該PWM信號驅動開關管進行充電控制；該方法為
A、將電池的電壓反饋值和電流反饋值分別與充電限壓值和充電限流值進行比較，并根據比較結果產生參考值；B、根據電池電壓反饋值和充電限壓值的差值的絕對值與第一設定值的大小，以及電池電流反饋值和充電限流值的差值的絕對值與第二設定值的大小選擇控制參數；C、對所述參考值與控制參數的乘積進行積分運算；D、根據積分輸出產生相應的PWM信號，由該PWM信號驅動開關管進行充電控制。
根據上述方法步驟A中按下述順序確定參考值A1、如果比較結果為所述電壓反饋值大于恒壓充電限壓值或所述電流反饋值大于恒流充電限流值，則輸出的參考值為-1，否則進行步驟A2；A2、如果比較結果為所述電壓反饋值等于恒壓充電限壓值或所述電流反饋值等于恒流充電限流值，則輸出的參考值為0，否則輸出的參考值為1。
所述控制參數包括一大系數和一小系數；當電壓反饋值與充電限壓值的差值的絕對值大于第一設定值或電流反饋值與充電限流值的差值的絕對值大于第二設定值時，選擇大系數作為控制參數；否則選擇小系數作為控制參數。
所述充電限壓值為恒壓充電限壓值，所述充電限流值為恒流充電限流值。
一種充電控制電路，用于向開關管提供脈寬調制(PWM)信號，通過該PWM信號對電池充電進行控制，該充電控制電路包括參考值產生電路，根據電池的電壓反饋值和電流反饋值分別與充電限壓值和限流值的大小關系輸出一參考值；控制參數選擇電路，根據電池電壓反饋值和充電限壓值的差值的絕對值與第一設定值的大小，以及電池電流反饋值和充電限流值的差值的絕對值與第二設定值的大小選擇控制參數并輸出；乘法器，將參考值產生電路輸出的參考值和控制參數選擇電路輸出的控制參數進行乘法運算并輸出；
積分器，對乘法器的輸出進行積分運算；PWM信號產生器，根據該積分器的輸出信號產生PWM信號，并輸出至開關管。
本發明將雙環合并起來，并沒有串聯式雙環調節器內環響應速度快外環響應速度慢的差異，所以充電PWM發波脈寬很穩定，克服了小電流工況下間歇式充電的弊端；另外，控制器中只有積分控制參數需要確定，因此，設計方法簡便，省去了復雜的雙閉環PI調節器的參數設計過程。


圖1為一個典型的Buck型電池充電器拓撲結構圖；圖2為電壓外環電流內環Buck型數字式電池充電器結構框圖；圖3為電流外環電壓內環Buck型數字式電池充電器結構框圖；圖4為本發明的充電控制電路的結構圖；圖5為本發明的控制流程圖。
具體實施例方式
本發明將充電器的充電電壓環和充電電流環合并起來，采用邏輯式乒乓控制+變參數積分器進行充電控制。本實施例主要以UPS中的充電器為例進行說明，對電池充電的電路部分參閱圖1所示。
參閱圖4所示，充電控制電路包括參考值產生電路10，包括四個輸入，分別為電池的電壓反饋值vb、電池的電流反饋值ib、充電限壓值vb*和充電限流值ib*。參考值產生電路10為邏輯式乒乓調節器，根據輸入的大小關系輸出一參考值，該參考值有-1、0、1三個值，分別由下述三種條件產生A、如果電流反饋值ib大于充電限流值ib*或者電壓反饋值vb大于充電限壓值vb*，則輸出-1；B、當A中的條件不滿足時，如果電流反饋值ib等于充電限流值ib*或者電壓反饋值vb等于充電限壓值vb*，則輸出0；C、當A、B中條件均不滿足時，輸出1。
上述的充電限流值和限壓值最佳為恒流充電限流值和恒壓充電限壓值。
控制參數選擇電路20，包括四個輸入，分別為電池的電壓反饋值vb、電池的電流反饋值ib、充電限壓值vb*和充電限流值ib*。控制參數選擇電路20計算出電壓反饋值vb與充電限壓值vb*的偏差的絕對值和電流反饋值ib與充電限流值ib*的偏差的絕對值，并分別與第一設定值和第二設定值比較來選擇積分器的控制參數K。控制參數包括一大系數和一小系數，當其中任一偏差值的絕對值大于對應的設定值時選擇大系數，否則選擇小系數。其主要作用是當充電電路穩態工作時，采用小系數，保證充電PWM發波脈寬的穩定性；否則，采用大系數以保證控制的快速性。
乘法器30，與參考值產生電路10和控制參數選擇電路20連接，接收該兩電路的輸出信號并進行乘法運算。
積分器40，與乘法器30連接，對該乘法器30的輸出進行積分運算。
PWM信號產生器50，與積分器40連接，根據該積分器的輸出信號產生PWM信號，并輸出至開關管Q1。
在Buck型數字控制方式的充電器中，參考值產生電路10、控制參數選擇電路20、乘法器30、積分器40和PWM信號產生器50的功能通過數字信號處理器(DSP)執行程序實現。
通過模擬電路實現時，可以通過常用的元器件實現上述電路，如，利用運算放大器、電阻和電容等相關器件構成比較器、乘法器和積分器。
參閱圖5所示，充電控制的過程如下步驟100輸入電池的電壓反饋值vb與恒壓充電限壓值vb*、電池的電流反饋值ib與恒流充電限流值ib*。
步驟110判斷是否存在電壓反饋值vb大于恒壓充電限壓值vb*或電流反饋值ib大于恒流充電限流值ib*，如果是則輸出參考值-1(步驟115)，否則進行步驟120；
步驟120判斷是否存在電壓反饋值vb等于恒壓充電限壓值vb*或電流反饋值ib等于恒流充電限流值ib*，如果是則輸出參考值0(步驟122)，否則輸出參考值1(步驟121)；步驟130計算電壓反饋值vb與恒壓充電限壓值vb*的偏差值、電流反饋值ib與恒流充電限流值ib*的偏差值。
步驟140判斷是否存在電壓反饋值vb與恒壓充電限壓值vb*的偏差的絕對值大于第一設定值或電流反饋值ib與恒流充電限流值ib*的偏差的絕對值大于第二設定值，如果是則選擇大系數作為控制參數(步驟141)；否則選擇小系數作為控制參數(步驟142)。
步驟150將參考值和控制參數進行乘法運算。
步驟160對乘法運算的結果進行積分運算。
步驟170根據積分運算的結果產生PWM信號并輸出到開關管。
上述過程中確定參考值與確定控制參數的先后順序并不影響本發明的實現，如，在模擬電路實現時兩者可以是通過電路同時產生。
本發明具有下述優點1、將電壓環電流環雙環結合起來，充電PWM發波脈寬很穩定，克服了小電流工況下間歇式充電的問題。
2、設計簡便，控制器中只有積分控制參數K需要設計。而K一般可設計成兩檔，穩定時為保證發波脈寬穩定，可設計成較小的值，由于電池充電器對快速性要求不高，小系數控制參數選擇范圍很寬；當UPS由于輸出負載突變或者發生短路造成母線電壓突然大幅度變動時，可切換到大系數，由于大系數控制參數為極限下選用，最終還會切回到小系數控制參數，所以大系數控制參數選擇范圍也很寬。對比雙閉環調節器而言，控制器設計簡便很多，而且對控制對象的變化不敏感，具有很好的魯棒性。
以上雖以UPS中的充電器對本發明進行說明，但并不限于此，本發明完全適用于其他需要對充電進行控制的裝置中。
權利要求
1.一種電池充電器的充電控制方法，所述充電器根據反饋電壓和反饋電流產生脈寬調制(PWM)信號，通過該PWM信號驅動開關管進行充電控制；其特征在于該方法為A、將電池的電壓反饋值和電流反饋值分別與充電限壓值和充電限流值進行比較，并根據比較結果產生參考值；B、根據電池電壓反饋值和充電限壓值的差值的絕對值與第一設定值的大小，以及電池電流反饋值和充電限流值的差值的絕對值與第二設定值的大小選擇控制參數；C、對所述參考值與控制參數的乘積進行積分運算；D、根據積分結果產生相應的PWM信號，由該PWM信號驅動開關管進行充電控制。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于步驟A中按下述順序確定參考值A1、如果比較結果為所述電壓反饋值大于充電限壓值或所述電流反饋值大于充電限流值，則輸出的參考值為-1，否則進行步驟A2；A2、如果比較結果為所述電壓反饋值等于充電限壓值或所述電流反饋值等于充電限流值，則輸出的參考值為0，否則輸出的參考值為1。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制參數包括一大系數和一小系數；當電壓反饋值與充電限壓值的差值的絕對值大于第一設定值或電流反饋值與充電限流值的差值的絕對值大于第二設定值時，選擇大系數作為控制參數；否則選擇小系數作為控制參數。
4.如權利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述充電限壓值為恒壓充電限壓值，所述充電限流值為恒流充電限流值。
5.一種充電控制電路，用于向開關管提供脈寬調制(PWM)信號，通過該PWM信號對電池充電進行控制，其特征在于包括參考值產生電路，根據電池的電壓反饋值和電流反饋值分別與充電限壓值和限流值的大小關系輸出一參考值；控制參數選擇電路，根據電池電壓反饋值和充電限壓值的差值的絕對值與第一設定值的大小，以及電池電流反饋值和充電限流值的差值的絕對值與第二設定值的大小選擇控制參數并輸出；乘法器，將參考值產生電路輸出的參考值和控制參數選擇電路輸出的控制參數進行乘法運算并輸出；積分器，對乘法器的輸出進行積分運算；PWM信號產生器，根據該積分器的輸出信號產生PWM信號，并輸出至開關管。
全文摘要
本發明公開了一種電池充電器的充電控制方法及其電路，其中方法為將電池的電壓反饋值和電流反饋值分別與充電限壓值和充電限流值進行比較，并根據比較結果產生參考值；根據電池電壓反饋值和充電限壓值的差值的絕對值與第一設定值的大小，以及電池電流反饋值和充電限流值的差值的絕對值與第二設定值的大小選擇控制參數；對所述參考值與控制參數的乘積進行積分運算；根據積分運算的結果產生相應的PWM信號，由該PWM信號驅動開關管進行充電控制。充電控制電路包括參考值產生電路、控制參數選擇電路、乘法器積分器和PWM信號產生器。
文檔編號H02J7/02GK1641967SQ20041000212
公開日2005年7月20日 申請日期2004年1月8日 優先權日2004年1月8日
發明者邴陽 申請人:力博特公司