基于能量在线估计的蓄电池充电控制器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于充电控制器技术领域，具体涉及基于能量在线估计的蓄电池充电控制器及其控制方法。
【背景技术】
[0002]目前，由于能源危机与环境污染问题的日益严重，人们越来越将目光投向新能源领域。而风能、太阳能作为可再生清洁能源，成为未来的主要能源。新能源产业发展路线中将储能技术与装备的研发作为一项重大行动开展，蓄电池作为较长时间供电的储能单元，可应用于交通、通信、控制系统等国民经济领域，而铅酸蓄电池以其制造成本低，容量大，价格低廉，高功率，高回收率的优点，在国内外得到了广泛应用。
[0003]铅蓄电池电极板的使用寿命，在设计上一般为10年。但是，现行各类铅酸蓄电池产品，通常在I?2年内就易产生充电困难、容量降低等现象，过早失效报废，不仅严重浪费能源，而且严重污染环境，增加废旧电池处理成本。普通的充电技术使蓄电池充电时间长，且具有过充、欠充、析气等多种缺点，未能遵从电池内部的物理化学规律，使得充电过程低效、耗时、易损，缩短了电池寿命。
[0004]在高效、快速、无损这三个方面，目前国内外公认较好的充电方法是使其充电电流尽可能地跟踪美国科学家马斯(J.A.MAS)提出的以最低出气率为前提的蓄电池可接受的充电电流曲线，这条曲线即为最佳充电曲线。然而，由于蓄电池技术状态的复杂性和非线性等因素，沿着该方向的理论研宄和技术开发尚处于初级阶段并有相当的难度。虽然目前的蓄电池充电设备和蓄电池修复仪种类繁多，但大都是将充电控制和活化修复结合起来，采用普通的Buck电路进行充电。在对特性对象或变化对象进行充电时，由于电池充电过程中电压、电流及剩余容量变化时其充电方式变化或者在对一组电池充电切换到对一个电池进行充电的过程中其能量也在变化，普通的Buck电路并没有考虑对能量最优化利用，从而引起能量效率降低浪费资源，不能达到节能目的，且价格较高。
【发明内容】
[0005]本发明需要解决的技术问题是提供一种能实现在线能量变化估计，智能选择Buck电路拓朴结构，实现多阶段充电控制，提高能量利用率，充电快速、高效、无损，延长蓄电池寿命，控制器体积小，节约成本的基于能量在线估计的蓄电池充电控制器及其控制方法。
[0006]本发明采用如下技术方案解决上述技术问题:
[0007]基于能量在线估计的蓄电池充电控制器，其连接到一个或多个蓄电池，包括信号采集和处理模块、DSP控制器、第一 PWM波发生电路、第二 PWM波发生电路、充电电路；
[0008]充电电路包括两个拓朴结构相同的同步Buck电路模块，每个同步Buck电路模块由三组相互并联的桥臂与电感、电容组成，即每个同步Buck电路模块均包括六个开关管:第一开关管和第二开关管串联形成第一个桥臂，第三开关管和第四开关管串联形成第二个桥臂，第五开关管和第六开关管串联形成第三个桥臂，第一个桥臂、第二个桥臂和第三个桥臂相互并联后一端连接输入电源正极，另一端连接输入电源负极；电感的一端同时连接第一开关管的发射极、第三开关管的发射极、第五开关管的发射极、第二开关管的集电极、第四开关管的集电极和第六开关管的集电极，另一端连接电容的一端，电容的另一端连接输入电源负极；电容两端还分别连接蓄电池正极和负极；通过控制上述同步Buck电路的开关管的通断实现变Buck电路拓朴结构；
[0009]信号采集和处理模块的输入端分别连接输入电源和蓄电池，输出端连接DSP控制器，用以分别实时监测输入电源和蓄电池的电压和电流并输出到DSP控制器；
[0010]第一 PWM波发生电路为第一 PI控制器的输入端连接DSP控制器，输出端连接第一PWM调制器的输入端，第一 PWM调制器的输出依次经过逻辑开关和互补开关后分别连接每个同步Buck电路中的每个开关管的栅极；受控于DSP控制器输出第一 PWM波分别控制每个同步Buck电路中的每个开关管的通断以选择Buck电路拓朴结构；
[0011]第二 PWM波发生电路采用电压外环和电流内环的双闭环控制方法，第二 PI控制器的输入端连接DSP控制器，输出端和DSP控制器分别连接第三PI控制器的输入端，第三PI控制器的输出端连接第二 PWM调制器的输入端，第二 PWM调制器的输出端分别连接每个同步Buck电路中的每个开关管的栅极；受控于DSP控制器输出第二 PWM波分别控制所导通开关管的占空比以控制分阶段充电方式。
[0012]还包括由第一电容和第一电阻串联的第一 RC串联支路并联在第一开关管、第三开关管和第五开关管的两端；由第二电容和第二电阻串联的第二 RC串联支路并联在第二开关管、第四开关管和第六开关管的两端；用以消除尖峰电压。
[0013]所述信号采集和处理模块采用电池监测芯片，型号为DS2438;或者采用如下模块:包括传感器、信号跟随模块、反向求和模块、反向放大模块，传感器为至少为两个，分别连接电源输入端和蓄电池；传感器的输出端连接信号跟随模块的输入端，信号跟随模块的输出端连接反向求和模块的输入端；反向求和模块的输出端连接反向放大模块的输入端，反向放大模块的输出端连接DSP控制器。
[0014]基于量在线估计的蓄电池充电控制器的控制方法，包括以下步骤:
[0015](I)参数设置:在DSP控制器中分别设置Buck电路模块的数目、蓄电池的充电电压和充电电流等级、信号采集与处理模块与DSP控制器间的通讯协议；
[0016](2)模拟信号采集调理:信号采集和处理模块分别实时采集输入电源的电流和电压、蓄电池的电流和电压，并分别依次进行隔离放大、反向求和、反向放大运算后输出到DSP控制器；输入电源输出直流电压；
[0017](3)数字信号处理:DSP控制器将步骤(2)所得的各模拟信号分别进行A/D转换后获得相应的数字信号:输入电源的电流h和电压Uin、蓄电池的电流Ibat和电压Ubat;
[0018](4)选择Buck电路拓朴结构:假设充电过程中消耗电量为Q。.，蓄电池充电量为Qdmge，则放充比η通过下式获得:
[0019]Tl = Qcharge/Qcons
[0020]DSP控制器采用PSO算法寻找最优放充比η*，再将经步骤(3)所得到蓄电池的电流和输入电源的电流进行比对得到放充比η，将最优放充比η*和放充比η输入第一Pi控制器，由第一 PI控制器驱动第一 PWM调制器经过逻辑开关电路和互补开关输出第一 PWM波分别控制每个同步Buck电路的每个开关管的通断以选择充电电路的Buck电路拓朴结构；
[0021](5)控制充电方式分阶段充电:选择Buck电路拓朴结构后，由第二 PWM波发生电路采用电压外环和电流内环的双闭环控制充电；
[0022]在蓄电池处于充电初期，蓄电池的电压Ubat低于设定充电电压Ubat*，此时进入电流内环控制，将蓄电池的电流Ibat和设定充电电流I bat*做差，差值经过第三PI控制器得到相应的占空比，经第二 PWM调制器调制得到第二 PWM波控制Buck电路模块进行恒流充电；当充电进入末期，进入电压外环控制，将蓄电池的电压Ubat和设定充电电压U bat*做差，差值经第二 PI控制器得到相应的占空比，经第二 PWM调制器调制得到第二 PWM波控制Buck电路模块进行恒压充电。
[0023]本发明的优点在于:实现精确的在线能量变化估计，根据能量变化智能选择最优Buck电路拓朴结构进行充电，实现多阶段充电控制，提高能量利用率，蓄电池充电快速、高效、无损的，延长蓄电池寿命，控制器体积小，节约成本，实现提高电源的输出功率的同时减小电流的纹波，适用于对蓄电池的小电流充电或大电流充电。
【附图说明】
[0024]图1为本发明基于能量在线估计的蓄电池充电控制器的结构示意图；
[0025]图2为图1中信号采集和处理模块的结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明实施方式做进一步详细描述，但不构成对本发明保护范围的限制。
[0027]如图1所示，基于能量在线估计的蓄电池充电控制器，包括信号采集和处理模块、DSP控制器、第一 PWM波发生电路、第二 PWM波发生电路、充电电路；
[0028]充电电路包括两个拓朴结构相同的电路模块:第一同步Buck电路模块和第二同步Buck电路模块；
[0029]第一同步Buck电路电路模块由三组相互并联的桥臂与电感电容组成，其中每个桥臂包括两个串联的开关管，即第一同步Buck电路电路模块包括六个开关管:第一开关管SI和第二开关管S2串联形成第一个桥臂，第三开关管S3和第四开关管S4串联形成第二个桥臂，第五开关管S5和第六开关管S6串联形成第三个桥臂，第一个桥臂、第二个桥臂和第三个桥臂相互并联后一端连接输入电源正极Uin+，另一端连接输入电源负极Um;电感L !一端同时连接第一开关管SI的发射极、第三开关管S3的发射极、第五开关管S5的发射极、第二开关管S2的集电极、第四开关管S4的集电极和第六开关管S6的集电极，另一端连接电容(:5的一端，电容C 5的另一端连接输入电源负极U in_;电容C 5两端分别连接蓄电池正极Ubat+和负极 Ubat_;
[0030]第二同步Buck电路电路模块也由三组相互并联的桥臂与电感电容组成，其中每个桥臂包括两个串联的开关管，即第二同步Buck电路电路模块也包括六个开关管:第七开关管S7和第八开关管S8串联形成第四个桥臂，第九开关管S9和第十开关管SlO串联形成第五个桥臂，第十一开关管Sll和第十二开关管S12串联形成第六个桥臂，第四个桥臂、第五个桥臂和第六个桥臂相互并联后一端连接输入电源正极Uin+，另一端连接输入电源负极uin_;电感L 2—端同时连接第七开关管S7的发射极、第九开关管S9的发射极、第十一开关管Sll的发射极、第八开关管S8的集电极、第十开关管的集电极SlO和第十二开关管S12的集电极，另一端连接电容(；的一端，电容C6的另一端连接输入电源负极U in_;电容C 6两端分别连接蓄电池正极Ubat+和负极U bat_;
[0031]通过控制上述第一开关管SI至第十二开关管S12的通断实现变Buck电路拓朴结构；
[0032]信号采集和处理模块