CN104600808B - 一种锂电池充电装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到一种锂电池的充电装置及其方法，其包括输入电路组件、与输入电路组件相连的BOOST升压电路和充电控制***，与BOOST升压电路连接的电池组和自激振荡反激电路、与自激振荡反激电路相连的负载电路，其中，所述充电控制***与负载电路相连，并控制负载电路。技术效果是，采用BOOST升压电路和充电控制***，实现充电装置的大功率充电和恒压充电两种模式，使电压较低的光伏组件充电进入锂电池，而采用自激谐振反激电路输出和反激电路的RCC准谐振软开关技术，实现功率开关软化，提高了转换效率和降低了电磁干扰，而且反激电路可方便实现多组电压输出，扩大了锂电池的使用范围。
Description
技术领域
本发明涉及到一种电池的充电方法，尤其涉及到一种光伏组件充电进入锂电池的充电装置及其方法。
背景技术
锂电池作为新一代的储能介质，具有可快速大电流充电和大电流过放电的优点，目前的锂电池的充电输入一般都采用单路USB电源输入，那么在无法取得输入电源的地方则无法实现锂电池的应用，而太阳能作为广泛而普遍的新能源，可以在任意地方获取。将太阳能组件输入作为锂电池一种充电方式将大大的提高锂电池的利用空间。目前作为蓄电池组能量转换***的控制方式一般采用模拟控制实现， 采用模拟控制无法实现能效的精确控制和保护，一般的铅酸电池采用光伏组件输入可以不考虑其输出的效率，但是作为锂电池具有大电流充电的能力，那么光伏组件最大功率捕获的要求将显得非常重要。而对于一般的蓄电池输出电路一般会采用BUCK电路输出，那么BUCK电路不具有隔离功能，而且不方便实现多路输出，而采用一般的反激电路，其开关为硬开关模式等缺点。
发明内容
针对现有技术中光伏组件电流太小，无法充入锂电池中的现象，本发明开发了一种锂电池充电装置及其方法。
为了实现上述的技术目的，本发明采用的技术方案是提供带有BOOST升压电路的一种锂电池充电装置及其方法，该充电装置包括输入电路组件、与输入电路组件相连的BOOST升压电路、控制BOOST升压电路的充电控制***，与BOOST升压电路连接的电池组，与电池组相连的自激振荡反激电路、与自激振荡反激电路相连的负载电路，其中，所述充电控制***与负载电路相连，并控制负载电路，并监控负载电路（106）运行的状况，实现负载电路(106)过流，短路，过压保护。
本发明优选的实施方案是，其中，负载电路为RCC反激电路。
本发明优选的实施方案是，所述BOOST升压电路在充电过程中升高输入电路组件输出的电压，实现输入电路组件向锂电池充电。
本发明优选的实施方案是，通过所述充电控制***控制BOOST升压电路实现锂电池充电装置数字化精确控制，通过充电控制***内置的数字化检测输入电路组件上的电流ipv和电压Vpv，然后计算判断，实现充电控制***控制BOOST升压电路主开关的通/断，通过自激振荡反激电路确定输出负载电路上的电压，再反馈到自激振荡反激电路的初级控制确定主开关的通断，实现对负载电路电压需求的精确控制。
本发明优选的实施方案是，其中，所述输入电路组件包括光伏组件和USB接口组件。
本发明优选的实施方案是，其中，所述光伏组件包括至少一个，所述BOOST升压电路包含至少一个，所述光伏组件与BOOST升压电路一一对应关系。
本发明优选的实施方案是，其中，所述电池组为磷酸铁锂蓄电池组。
本发明优选的实施方案是，其中，所述自激振荡反激电路包括与电池组（103）的启动电阻Rg，二极管ZD1，通过启动电阻Rg，二极管ZD1建立功率开关管V2的开关驱动电压，功率开关管V2导通形成反激变压器，线圈L1的电压与辅助线圈L2的电压形成正比例电压关系，辅助线圈L2输出的电压通过第一电容C1，第二电阻R2驱动功率开关管V2，同时，当辅助线圈L2输出电压通过正向二极管VD3对第二电容C2充电，第二电容C2的电压达到晶体管VT1的导通电压，则晶体管VT1导通，功率开关管V2的门极驱动拉低，功率开关管V2关断，当线圈L3有电压输出后，第二电容C2开始放电，第二电容C2电压降低导致晶体管VT1断开；当第二电容C2通过反向二极管VD3放电时，第三电阻R3对第一电容C1充电，第一电容C1电压升高，又驱动功率开关管V2导通，通过第二电容C2的周而复始的充电，放电形成振荡，达到对主开关管V1的导通，关断。
一种锂电池的充电方法，其中，充电方法包括以下步骤：
a)、快速充电阶段，当所述充电控制***检测到锂电池的端电压Uout，根据Uout的检测值判断电池组是否需要快充，当确定锂电池需要快充时，则对BOOST升压电路进行功率控制，充电控制***通过检测充电***参数计算出开关管的开关频率与开关占空比，并调节开关频率中的Po，实现输入电路组件（101）最大功率输入到锂电池组；
b)、恒压充电阶段，所述充电控制***检测到锂电池的端电压Uout，根据Uout的检测值判断电池组是否进入恒压充电，当确定锂电池需要进入恒压充电时，BOOST升压电路进入定频的恒压控制模式，主开关的开关固定频率100KHz。其中，L为BOOST电感感量、P0为BOOST输出功率，Upv为输入光伏组件的电压。
本发明优选的实施方案是，当所述快速充电阶段中的BOOST升压电路处于最大功率运行模式时，有：电感的励磁电压为，电感的去磁电压为；
BOOST升压电路工作于电流临界连续模式，则根据电感的伏秒平衡关系有，
； （1）
推导得到开关占空比,
; （2）
； （3）
其中d为BOOST升压电路主控开关的导通占空比，Ts为开关周期，为输入光伏组件的电压，为锂电池的充电电压。
（2）、每个开关周期内电感的存储能量E为：
（4）
每个开关周期内输出到电池的能量E2为：
（5）
根据能量守恒的原则，有E=E2。
（6）
根据法拉第定律，BOOST电感的电压有：
（7）
对上式两边取积分，可得电感电流有：
（8）
将（8）式带入式6，则有BOOST升压电路的开关周期为：
（9）
本发明优选的实施方案是，其中，当所述锂电池进入快速充电阶段时，可根据数字离散化检测***的输入光伏组件电压，锂电池的端电压，根据式3计算出BOOST升压电路控制功率开关管的开通占空比，通过式9计算出BOOST升压电路控制开关管的导通周期，通过导通周期的计算式子中有控制输出的功率,根据与实现最大功率的捕获算法。
本发明优选的实施方案是，其中，当所述锂电池处于恒压充电阶段时，BOOST升压电路采用固定频率模式，则有：
取固定频率为100KHz,即开关周期为：
其占空比的计算公式则根据数字检测到的输入电压和输出电压的控制关系，具体为：
。
本发明的技术效果是，充电装置前端采用BOOST升压电路，通过充电控制***的检测和判断用于区分锂电池的充电阶段，在大电流充电阶段采用功率控制，而在小电流充电的恒电压充电阶段采用定开关频率的恒压控制模式，将光伏组件的功率电压特性与锂电池的功能需求完美结合起来，而磷酸铁锂电池充电装置的后端采用自激谐振反激电路输出，自激谐振反激电路具有电路简单，反激电路的RCC准谐振软开关技术，可实现功率开关的软化，提高了转换效率，降低了***的电磁干扰，而且反激电路可方便实现多组电压输出，扩大了锂电池的使用范围。
附图说明
图1为一种具有光伏组件输入的锂电池能量转换***的结构示意图。
图2为BOOST升压电路控制流程示意图。
图3为光伏组件的P-V曲线示意图。
图4为自激振荡反激电路示意图。
具体实施方式
为了更清楚的叙述本发明的技术方案，下面结合附图对本发明做进一步的说明。
实施例一
如图1所示，锂电池充电装置包括输入电路组件101、与输入电路组件101相连的BOOST升压电路102、控制BOOST升压电路102的充电控制***105，与BOOST升压电路102连接的电池组103，与电池组103相连的自激振荡反激电路104、与自激振荡反激电路104相连的负载电路106，其中，所述充电控制***105与负载电路106相连，并控制负载电路106，其中，负载电路106为RCC反激电路。
其中，至少一个BOOST升压电路102设置在锂电池充电装置的前端，锂电池充电装置的后端设有至少一个RCC反激电路。
输入电路组件101包括至少一个光伏组件，以及一个USB接口组件。其中，光伏组件与BOOST升压电路一一对应关系。
本发明优选的实施方案是，其中，所述电池组103为磷酸铁锂蓄电池组。
当输入电路组件101为光伏组件时，锂电池充电装置的主回路前端采用BOOST升压电路102，光伏能量通过BOOST升压电路输入到锂电池103，锂电池中的能量通过自激振荡反激电路104输出到负载电路106中。充电控制***105通过检测光伏组件的电压Upv,光伏组件的电流ipv和锂电池组103的电压Uout,通过检测参数来判断BOOST升压电路的工作状态为功率输出模式还是恒压输出模式，根据BOOST升压电路的工作状态计算得到输出的控制信号PWM1驱动控制主开关管V1，通过检测负载的电流io,判断锂电池充电装置的负载状况，锂电池充电装置负载过重则通过PWM2来控制开关管V3。
如图2所示，充电控制***105检测锂电池的端电压Uout,根据端电压Uout的检测值确定是否需要快充？如果是处于快充需求，则对BOOST升压电路102进行功率控制，充电控制***105通过检测的***参数计算出开关管的开关频率与开关占空比，在功率控制阶段，调节开关频率中的Po，从而实现光伏组件最大功率输出到锂电池。当锂电池检测到需要恒压充电时，锂电池处于小电流充电阶段， BOOST升压电路102进入定频恒压控制模式，主开关的开关采用固定频率100KHz,达到恒压控制要求。
图3所示，光伏组件输出的功率-电压曲线，横坐标为光伏组件的电压，纵坐标为光伏组件的功率。BOOST升压电路102控制光伏组件从右侧开始向上爬坡，锂电池处于大电流充电需求，那么光伏组件的输出将运行在功率-电压曲线的最大功率区，如果锂电池处于恒压小电流充电需求，那么***将更根据电压需求光伏组件可运行在左侧或者右侧。
如图4所示，自谐振反激电路包括与电池组103的接地电阻Rg，二极管ZD1，通过接地电阻Rg，二极管ZD1建立功率开关管V2的开关驱动电压，功率开关管V2导通形成反激变压器，线圈L1的电压与辅助线圈L2形成比例线圈正电压建立，辅助线圈L2输出的电压通过第一电容C1，第二电阻R2驱动功率开关管V2，同时，辅助线圈L2输出电压通过正向二极管VD3对第二电容C2充电，第二电容C2的电压达到晶体管VT1的导通电压，则晶体管VT1导通，功率开关管V2的门极驱动拉低，功率开关管V2关断，当线圈L3有电压输出后，第二电容C2开始放电，第二电容C2电压降低导致晶体管VT1断开，第二电容C2放电时通过反向二极管VD3，第三电阻R3对第一电容C1充电，第一电容C1电压升高，又驱动功率开关管V2导通，通过第二电容C2的周而复始的充电，放电形成振荡，达到对主开关管V1的导通，关断，实现了自激振荡反激电路的输出。
在锂电池的充电过程中，其包括以下步骤：
a)、快速充电阶段，当所述充电控制***105检测到锂电池的端电压Uout，根据Uout的检测值判断电池组103是否需要快充，当确定锂电池需要快充时，则对BOOST升压电路102进行功率控制，充电控制***105通过检测充电***参数计算出开关管的开关频率与开关占空比，并调节开关频率中的Po，实现输入电路组件101最大功率输入到锂电池组103；
b)、恒压充电阶段，所述充电控制***105检测到锂电池的端电压Uout，根据Uout的检测值判断电池组103是否进入恒压充电，当确定锂电池需要进入恒压充电时，BOOST升压电路102进入定频的恒压控制模式，主开关的开关固定频率100KHz。其中，L为BOOST电感感量、P0为BOOST输出功率，Upv为输入光伏组件的电压。
当所述快速充电阶段中的BOOST升压电路102处于最大功率运行模式时，有：电感的励磁电压为，电感的去磁电压为；
BOOST升压电路102工作于电流临界连续模式，则根据电感的伏秒平衡关系有，
； （1）
推导得到开关占空比,
; （2）
； （3）
其中d为BOOST升压电路102主控开关的导通占空比，Ts为开关周期，为输入光伏组件101的电压，为锂电池的充电电压。
（2）、每个开关周期内电感的存储能量E1为：
（4）
每个开关周期内输出到电池的能量E2为：
（5）
根据能量守恒的原则，有E1=E2。
（6）
根据法拉第定律，BOOST电感的电压有：
（7）
对上式两边取积分，可得电感电流有：
（8）
将（8）式带入式6，则有BOOST升压电路的开关周期为：
（9）。
在锂电池进入快速充电阶段时，可根据数字离散化检测***的输入光伏组件101电压，锂电池的端电压，根据式3计算出BOOST升压电路控制功率开关管的开通占空比，通过式9计算出BOOST升压电路102控制开关管的导通周期，通过导通周期的计算式子中有控制输出的功率Po,根据Po与实现最大功率的捕获算法。
在锂电池处于恒压充电阶段时，BOOST升压电路采用固定频率模式，则有：
取固定频率为100KHz,即开关周期为：
其占空比的计算公式则根据数字检测到的输入电压和输出电压的控制关系，具体为：
。
在充电过程中， BOOST升压电路102通过升高输入电路组件101输出的电压，实现输入电路组件101向锂电池充电。通过充电控制***105控制BOOST升压电路102实现锂电池充电装置数字化精确控制，通过充电控制***105内置的数字化检测输入电路组件101上的电流ipv和电压Vpv，然后计算判断，实现充电控制***105控制BOOST升压电路主开关的通/断，通过自激谐振反激电路104确定输出负载电路106上的电压，再反馈到自激振荡反激电路104的初级控制确定主开关的通断，实现对负载电路106电压需求的精确控制。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为详细，只要本领域的技术人员在查看到本发明的实施例后，不脱离本发明构思的前提下，所做的改变都属于本发明的保护范围。但本文所述的实施例不能理解为对本发明的保护范围限制。
Claims (11)
1.一种锂电池充电装置，其特征在于，所述锂电池充电装置包括输入电路组件（101）、与输入电路组件（101）相连的BOOST升压电路（102），与BOOST升压电路（102）连接的电池组（103），与电池组（103）相连的自激振荡反激电路（104），与自激振荡反激电路（104）相连的负载电路（106），其中，充电控制***（105）与BOOST升压电路（102）和负载电路（106）相连，并监控负载电路（106）运行状况，实现负载电路(106)过流，短路，过压保护，所述自激振荡反激电路（104）包括与电池组（103）相连的接地电阻Rg，二极管ZD1，通过接地电阻Rg，二极管ZD1建立功率开关管V2的开关驱动电压，功率开关管V2导通形成反激变压器，线圈L1的电压与辅助线圈L2的电压形成正比例电压关系，辅助线圈L2输出的电压通过第一电容C1，第二电阻R2驱动功率开关管V2，同时，辅助线圈L2输出电压通过正向二极管VD3对第二电容C2充电，第二电容C2的电压达到晶体管VT1的导通电压，则晶体管VT1导通，功率开关管V2的门极驱动拉低，功率开关管V2关断，当线圈L3有电压输出后，第二电容C2开始放电，第二电容C2电压降低导致晶体管VT1断开，第二电容C2放电时通过反向二极管VD3，第三电阻R3对第一电容C1充电，第一电容C1电压升高，又驱动功率开关管V2导通，通过第二电容C2的周而复始的充电，放电形成振荡，达到对功率开关管V2的导通，关断。
2.根据权利要求1所述的锂电池充电装置，其特征在于，所述BOOST升压电路（102）在充电过程中升高输入电路组件（101）输出的电压，实现输入电路组件（101）向锂电池充电。
3.根据权利要求1所述的锂电池充电装置，其特征在于，通过所述充电控制***（105）控制BOOST升压电路（102）实现锂电池充电装置数字化精确控制，通过充电控制***（105）内置的数字化检测输入电路组件（101）上的电流ipv和电压Vpv，然后计算判断，实现充电控制***（105）控制BOOST升压电路主开关的通/断，通过自激振荡反激电路（104）确定输出负载电路（106）上的电压，再反馈到自激振荡反激电路（104）的初级控制确定主开关的通断，实现对负载电路（106）电压需求的精确控制。
4.根据权利要求1所述的锂电池充电装置，其特征在于，所述负载电路（106）为RCC反激电路。
5.根据权利要求1所述的锂电池充电装置，其特征在于，所述输入电路组件（101）包括光伏组件和USB接口组件。
6.根据权利要求5所述的锂电池充电装置，其特征在于，所述光伏组件包括至少一个，所述BOOST升压电路（102）包含至少一个，所述光伏组件与BOOST升压电路（102）一一对应关系。
7.根据权利要求1所述的锂电池充电装置，其特征在于，所述自激振荡反激电路（104）包括与电池组（103）连接的启动电阻R1，二极管ZD1，通过启动电阻R1，二极管ZD1建立功率开关管V2的开关驱动电压，功率开关管V2导通形成反激变压器，线圈L1的电压与辅助线圈L2的电压形成正比例电压关系，辅助线圈L2输出的电压通过第一电容C1，第二电阻R2驱动功率开关管V2，同时，当辅助线圈L2输出电压通过正向二极管VD3对第二电容C2充电，第二电容C2的电压达到晶体管VT1的导通电压，则晶体管VT1导通，功率开关管V2的门极驱动拉低，功率开关管V2关断，当线圈L3有电压输出后，第二电容C2开始放电，第二电容C2电压降低导致晶体管VT1断开；当第二电容C2通过反向二极管VD3放电时，第三电阻R3对第一电容C1充电，第一电容C1电压升高，又驱动功率开关管V2导通，通过第二电容C2的周而复始的充电，放电形成振荡，达到对主开关管V1的导通，关断。
8.一种包含权利要求1~7中任一所述锂电池充电装置的充电方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)、快速充电阶段，当充电控制***（105）检测到锂电池的端电压Uout，根据Uout的检测值判断电池组（103）是否需要快充，当确定锂电池需要快充时，则对BOOST升压电路（102）进行功率控制，充电控制***（105）通过检测充电***参数计算出开关管的开关频率与开关占空比，并调节开关频率中的Po，实现输入电路组件（101）最大功率输入到锂电池组（103）；
b)、恒压充电阶段，所述充电控制***（105）检测到锂电池的端电压Uout，根据Uout的检测值判断电池组（103）是否进入恒压充电，当确定锂电池需要进入恒压充电时，BOOST升压电路（102）切入定频的恒压控制模式，其中，BOOST升压电路（102）中主开关的开关固定频率为100KHz；
其中，L为BOOST电感感量，Po为BOOST输出功率，Upv为输入光伏组件的电压。
9.根据权利要求8所述的锂电池的充电方法，其特征在于，当所述快速充电阶段中的BOOST升压电路处于最大功率运行模式时，有：电感的励磁电压为，电感的去磁电压为；
BOOST升压电路工作于电流临界连续模式，则根据电感的伏秒平衡关系有，
，其中，T为***开关周期（1）
推导得到开关占空比,
; （2）
； （3）
其中d为BOOST升压电路主开关的导通占空比，Ts为开关周期，为输入光伏组件的电压，为锂电池的充电电压，
（2）、每个开关周期内电感的存储能量E为：
（4）
每个开关周期内输出到电池的能量E2为：
（5）
根据能量守恒的原则，有E=E2，
（6）
根据法拉第定律，BOOST电感的电压有：
（7）
对上式两边取积分，可得电感电流有：
（8）
将（8）式带入式6，则有BOOST升压电路的开关周期为：
（9）。
10.根据权利要求8所述锂电池的充电方法，其特征在于：当所述锂电池进入快速充电阶段时，可根据数字离散化检测***的输入光伏组件电压，锂电池的端电压，根据式(3)计算出BOOST升压电路控制功率开关管的开通占空比，通过式(9)计算出BOOST升压电路控制开关管的导通周期，通过导通周期的计算式子中有控制输出的功率,根据与实现最大功率的捕获算法。
11.根据权利要求8所述的锂电池的充电方法，其特征在于：当所述锂电池处于恒压充电阶段时，BOOST升压电路采用固定频率模式，则有：
取固定频率为100KHz,即开关周期为：
，其中，fs为***开关频率，
其占空比的计算公式则根据数字检测到的输入电压和输出电压的控制关系，具体为：
。
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