新型可编程蓄电池充电器研究

刘 珺，傅 远，王立业

（1.华东交通大学电气与电子工程学院，江西 南昌 330013；2.国家知识产权局专利审查协作中心，北京 100190；3.中国科学院电工研究所，北京 100083）

新型可编程蓄电池充电器研究

刘 珺1，傅 远2，王立业3

（1.华东交通大学电气与电子工程学院，江西 南昌 330013；2.国家知识产权局专利审查协作中心，北京 100190；3.中国科学院电工研究所，北京 100083）

电动汽车电池管理系统（BMS）需对电池进行管理并控制充电器的充电电流与终止电压。当给不同的蓄电池充电时，充电器须可编程以满足不同的充电需求。与多数研究不同，研究的充电器采用改变反馈比的方式改变目标值，硬件上采用数模混合控制。上层控制系统BMS控制采样系统中数字电位器的大小改变反馈比，下层模拟芯片完成控制算法以减少BMS计算开销。最后通过实验证明此方案的正确性，该方案具有控制灵活、简单易行的特点。

反馈比；数字电位器；蓄电池充电器；可编程；电动汽车

电动汽车研究进展极为迅猛，电动汽车蓄电池充电技术是电动汽车的关键技术之一[1-2]。蓄电池充电技术目前主流的仍是采用恒流恒压充电方式，控制器有模拟及数字芯片两种。数字控制器有单片机、DSP、FPGA等。文献[3]采用FPGA制作了一款DC/DC电源；文献[4]采用DSP为主控制芯片设计了一款充电器。使用DSP或FPGA芯片控制电路可以简化，但同时芯片结构复杂，不易掌握且价格高。文献[5]采用ADμC812单片机作为主控芯片研发一款大功率充电器；文献[6]针对通用充电器的工作特点，设计了一种以AT89C2051单片机为核心的智能充电器。文献[7]采用PIC单片机设计了一款充电器。一般说来，单片机作为控制器有易学易用，成本低的特点。

电动汽车采用不同的动力蓄电池时必须采用不同的充电方式来满足充电需求，也即需要不同的充电电流与充电电压。当需要一款充电器能同时给各种电池充电时，希望充电器具有灵活可编程功能，以满足不同蓄电池的充电需求。可编程的实现方式有多种途径，其中选择不同的控制器往往也选择了不同的解决方案。当文献[8]利用Max712实现了可编程充电器的设计，当文献[9]采用Max745充电控制芯片设计了一款锂离子蓄电池充电器的设计，受芯片功能所限，它们均适于小功率应用场合。文献[10]采用单片机PIC16F676作为控制器,可实现对1～3节锂离子蓄电池或1～8节MH-Ni蓄电池的充电和监测。文献[11]采用单片机68HC08实现对多种电池充电，并能通过CAN通讯与上位机通讯，接受远程控制指令并发送实时充电数据。

与上述研究不同，本文综合利用上层控制系统BSM单片机与模拟控制芯片进行数模混合控制的新型解决方案，并提出一种通过改变反馈比来改变控制目标的控制方式。

1 灵活充电器工作原理

数字电位器可以方便地实现在线电阻控制，它在电源设计中有着不同的应用[13-14]。可编程充电器采用引用数字电位器来改变反馈比的新颖方式进行充电控制，而数字电位器的数值确定通过上层控制系统BMS以通讯的方式进行。

1.1 控制原理

充电器是一类用于给二次电源补充充电的开关电源。当期望开关电源的输出电压UO为固定值时，一般控制将把输出电压给定值与输出电压反馈比均设为定值以保证控制目标的实现。如果期望输出电压UO按某种方式能够做出变化时，可以通过改变输出电压给定值或反馈比来实现目标，而就应用而言，以改变电压给定值的方式更为常见，如图1所示，图中以电压单环为例说明。

图1 变给定值式充电器控制原理图

输出电压：

式中：G(S)=GC(S)KPWMGLC(S)。

由式(1)可知，当改变输出电压给定值URef(S)时可以得到不同的输出电压UO1(S)，即加大URef(S)时，UO1(S)也将加大，而减小URef(S)时，UO1(S)也将随之减小。

为了得到变化的输出电压除了以上控制方式之外，还有变反馈比式控制，其原理图如图2所示。与图1所示采用的控制方案不同，它采用改变反馈比G'FB(S)的方案，而给定值URef(S)保持不变。

图2 变反馈比式充电器控制原理图

输出电压：

式中：G(S)=GC(S)KPWMGLC(S)。

由式（2）可知，当改变输出电压反馈比G'FB(S)同样可以得到不同的输出电压UO2(S)，即加大G'FB(S)时，UO2(S)也将减小，而减小G'FB(S)时，UO2(S)将加大。

1.2 充电器设计

由于研究与工程应用需要一个便携式充电器，它能满足对多种蓄电池的充电需求，也即能有可编程的充电电压与充电电流。充电器采用模数混合的控制方式，利用单片机作为上层控制器控制充电器的电压与电流，而采用模拟控制器件完成实际控制，即稳定电压、电流与控制动态响应，而可编程充电电压与电流的实现方式采用变反馈比的解决方案。

此充电器输入为前端经PFC处理之后稳定的500 V直流，研究所需的充电器最高需对100节锂离子电池进行充电，这时，最高充电电压也不超过400 V，因此采用Buck拓扑电路，如图3所示。

改变电压反馈比可以采用改变电压采样电阻的分压比来实现，如图4所示。

当R2变化时，即可以得到变化的输出电压反馈比，因此通过控制R2的大小就能得到所需的输出电压反馈比。

改变电流反馈比方式与改变电压反馈比方式类似，本文不再赘述。

图3 充电器主电路

图4 改变输出电压反馈比原理电路

充电器实际使用的电路与反馈比的实现如图5所示，其中变阻器用R1与R2由数字电位器来实现。通过上层BSM控制器控制数字电位器来改变其电阻值以达到改变反馈比的目的。

图5 变反馈比式电压/电流控制示意图

使用数字电位器替代R1与R2，它具有与机械电位器与可变电阻器相同的功能，并具有100个抽头，其结构如图6所示[15]，通过给其2脚以脉冲信号可以控制它的阻值。

图6 D S1804结构图

下级控制芯片UC3843完成控制算法，芯片内部实现电流控制的内部参考电压为1 V，而控制电压的内部参考电压为固定值2.5 V，将电压反馈端接入UC3843的电压反馈端，电流反馈接入电流反馈端。

如需调节输出电压时，用电压传感器检测输出电压，输出电压值加载在数字电位器的高低两端，数字电位器的输出与UC3843的内部参考电压进行比较，UC3843通过电压误差信号调节占空比，得到需要的电压。UC3843的参考电压为定值，通过单片机通讯发令改变数字电位器的输出阻值来改变反馈比，即输入UC3843电压检测脚的输入电压将受单片机所控制。当需要输出某一电压时，即对应数字电位器某一电阻值，而此阻值可以通过查找事先离线制得的表格得到，控制算法由UC3843来完成而不占用BMS控制芯片的计算开销。

如需改变充电电流，其工作原理与改变充电电压类似。在经过电流采样之后得到的电压加载在数字电位器的高低端，数字电位器输出电压与UC3843内部电流比较器进行比较，当电压大于内部参考电压时，UC3843关断输出以稳定电流。当需要改变充电电流大小时，将电流采样后端的数字电位器的输出阻值改变到所需电流对应的阻值即可，同样采用查找离线表格的形式能通讯完成对阻值的修改。

2 实验与小结

用BMS通讯发令改变数字电位器的阻值来改变充电器的输出电压与充电电流的实验结果如图7所示，为了直观地看到输出电压变化，实验中充电器所带负载实为功率电阻。图中上线为数字电位器的控制脉冲，下线为充电器输出电压，图中可以看出电压与随着电位器的控制信号平稳变化。脉冲信号发生变化即数字电位器的阻值发生变化，也即电压反馈比也发生变化，并最终改变了充电器的输出电压。

图7 充电电压随数字电位器变化的变化

一般的蓄电池充电器是通过调节设定值来改变充电输出电压、电流，而本文采用的是数字电位器结合单片机的控制方法，通过调节采样电压、电流的反馈比调节反馈给PWM控制器的信号，进而对充电电流及电压进行控制。

最后通过实验证明此方案的正确性。该方案采用数模混合控制，BSM系统通过通讯方式改变采样系统中的数字电位器大小，以达到改变反馈比进而完成改变控制目标，达到调节输出的目的。

此方案不增加上层控制系统的计算开销，具有控制简单易行的特点。同时此方案也可用于模拟电源升级为数字控制的应用中。另外如使用能以CAN通讯方式控制的数字电位器可以使控制更便利、灵活。

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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

刘珺（1975—），江西省人，博士，讲师，主要研究方向为电力电子技术。