CN111030229A - 一种充放电控制电路 - Google Patents
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Abstract
一种充放电控制电路，包括：信号采集单元、A/D转换单元、充放电控制单元、充放电管理单元、D/A转换单元和功率输出单元。本发明中的充放电控制电路，基于现场可编程门阵列(FPGA)控制，处理速度和实时响应快，且面积小巧，成本可控，可大规模量产。该方法通过直接输出、比例积分反馈调节、AD/零点校准等方式实现了高精度的恒流、恒压、恒阻、恒功率以及斜率控制等多种充放电控制管理。
Description
技术领域
本发明属于动力电池充放电技术领域，具体涉及一种充放电控制电路。
背景技术
动力电池充放电控制一般硬件电路或者由微控制器(CPU)或数字信号处理器(DSP)等控制器实现。硬件电路方式面积较大，调试难度大，成本高，不利于大规模复制生产；CPU/DSP方式实现较容易，但速度较低，实时性差。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种充放电控制电路，包括：
信号采集单元，用于采集电路中电路信号，并将其发送给A/D转换单元；
A/D转换单元，用于将所述信号采集单元发送的电路信号转换为数字信号，并将其发送给充放电控制单元；所述A/D转换单元与所述信号采集单元连接；
充放电控制单元，用于将所述A/D转换单元发送的数字信号发送给充放电管理单元，以及根据所述充放电管理单元的指令执行预设运行模式并发送模式控制信号给D/A转换单元；所述充放电控制单元与所述A/D转换单元通过SPI总线连接；
充放电管理单元，用于根据所述充放电控制单元发送的数字信号控制所述充放电控制单元执行预设运行模式；所述充放电管理单元与所述充放电控制单元通过隔离SPI总线连接；
D/A转换单元，用于将所述充放电控制单元发送的模式控制信号转换为模拟信号；所述D/A转换单元与所述充放电控制单元通过所述SPI总线连接；
功率输出单元，用于根据所述D/A转换单元发送的模拟信号控制电路的输出；所述功率输出单元与所述D/A转换单元连接。
优选地，所述电路信号包括电压和/或电流。
优选地，所述充放电控制单元包括FPGA，所述充放电管理单元包括MCU。
优选地，所述功率输出单元包括：二极管D1、二极管D2、比较器U1、比较器U2、比较器U3、比较器U4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C1、电容C2、三极管M1和三极管M2，其中，所述二极管D1阳极连接电源而阴极连接所述三极管M1的集电极，所述三极管M1的发射极分别连接所述电阻R2和所述电阻R4的第一端，所述电阻R2的第二端分别连接所述二极管D2的阴极和所述比较器U2的第一输入端，所述二极管D2的阳极连接所述三极管M2的集电极，所述三极管M2的发射极分别连接所述电阻R7第一端、所述电阻R8第一端和所述比较器U4的第一输入端，所述电阻R8第二端和所述比较器U4的第二输入端均接地，所述电阻R7第二端分别连接所述三极管M2的基极和所述电阻R6第一端，所述电阻R6第二端分别连接所述比较器U3的输出端和所述电容C2的第一端，所述电容C2的第二端连接所述电阻R5第一端，所述电阻R5第二端连接所述比较器U3的第一输入端，所述比较器U4的输出端连接所述比较器U3的第二输入端，所述比较器U3的第一输入端连接放电D/A控制端口而第二输入端连接放电反馈信号端口，所述比较器U2的第二输入端连接所述电阻R2的第一端而输出端连接所述比较器U1的第一输入端，所述比较器U1的第二输入端连接所述电阻R1的第一端而输出端分别连接所述电容C1和电阻R3的第一端，所述电容C1的第二端连接所述电阻R1的第二端，所述电阻R3第二端分别连接所述电阻R4第二端和所述三极管M1的基极，所述比较器U1的第一输入端连接充电反馈信号端口而第二输入端连接充电D/A控制端口。
优选地，所述预设运行模式包括恒流充电模式、恒阻模式、恒功率模式、PI模式和斜率模式。
优选地，当处于所述恒流充电模式时，所述充放电控制单元控制所述功率输出单元以恒定电流对所述电路充电。
优选地，当处于所述恒阻模式时，所述信号采集单元采集所述电路当前电压值，所述充放电控制单元根据当前电压值以及预设恒定电阻值，计算出电流控制值，并控制所述所述功率输出单元以电流控制值对所述电路充电。
优选地，当处于所述恒功率模式时，所述信号采集单元采集所述电路当前电压值，所述充放电控制单元根据当前电压值以及预设恒定功率值，计算出电流控制值，并控制所述所述功率输出单元以电流控制值对所述电路充电。
优选地，当处于所述PI模式时，所述信号采集单元采集三次所述电路当前电压值并取中值，所述充放电控制单元设置一初值，并依次计算E(k)、(Kp+Ki)×E(k)、Kp*E(k-1)、U(k-1)+(Kp+Ki)*E(k)和U(k-1)+(Kp+Ki)*E(k)-Kp*E(k-1)从而生成PI增量U(k)，并限制输出范围、输出预处理和设置下次计算初值，从而输出U(k)，所述功率输出单元以U(k)对所述电路充放电；其中，E(k)为当前误差信号，E(k-1)为上一次误差信号，U(k)为当前输出信号，E(k-1)为上一次输出信号，Kp为比例系数，Ki为积分系数。
优选地，当处于所述斜率模式时，所述信号采集单元采集所述电路起始电流，所述充放电控制单元判断是否达到加/减步长操作时间，若是；执行加/减步长操作；若否，返回所述信号采集单元采集所述电路起始电流操作；所述充放电控制单元在加/减步长操作后判断是否超过终止电流，若否，返回所述信号采集单元采集所述电路起始电流操作；若是，所述充放电控制单元执行限幅处理，所述功率输出单元以限幅处理后电流值对所述电路充放电直至时间完成。
本发明中的充放电控制电路，基于现场可编程门阵列(FPGA)控制，处理速度和实时响应快，且面积小巧，成本可控，可大规模量产。该方法通过直接输出、比例积分反馈调节、AD/零点校准等方式实现了高精度的恒流、恒压、恒阻、恒功率以及斜率控制等多种充放电控制管理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种充放电控制电路的连接框图；
图2是本发明提供的一种充放电控制电路的示意图；
图3是本发明提供的一种充放电控制电路的功率输出单元示意图；
图4是本发明提供的一种充放电控制电路的恒流充电模式流程示意图；
图5是本发明提供的一种充放电控制电路的恒阻模式流程示意图；
图6是本发明提供的一种充放电控制电路的恒功率模式流程示意图；
图7是本发明提供的一种充放电控制电路的PI模式流程示意图；
图8是本发明提供的一种充放电控制电路的斜率模式流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1-3，在本申请实施例中，本申请提供了一种充放电控制电路，其特征在于，包括：信号采集单元、A/D转换单元、充放电控制单元、充放电管理单元、D/A转换单元和功率输出单元，下面对各部分进行详细描述。
如图1-3，在本申请实施例中，本申请提供了一种充放电控制电路，其特征在于，包括：
信号采集单元，用于采集电路中电路信号，并将其发送给A/D转换单元；
A/D转换单元，用于将所述信号采集单元发送的电路信号转换为数字信号，并将其发送给充放电控制单元；所述A/D转换单元与所述信号采集单元连接；
充放电控制单元，用于将所述A/D转换单元发送的数字信号发送给充放电管理单元，以及根据所述充放电管理单元的指令执行预设运行模式并发送模式控制信号给D/A转换单元；所述充放电控制单元与所述A/D转换单元通过SPI总线连接；
充放电管理单元，用于根据所述充放电控制单元发送的数字信号控制所述充放电控制单元执行预设运行模式；所述充放电管理单元与所述充放电控制单元通过隔离SPI总线连接；
D/A转换单元，用于将所述充放电控制单元发送的模式控制信号转换为模拟信号；所述D/A转换单元与所述充放电控制单元通过所述SPI总线连接；
功率输出单元，用于根据所述D/A转换单元发送的模拟信号控制电路的输出；所述功率输出单元与所述D/A转换单元连接。
在本申请实施例中，所述电路信号包括电压和/或电流。
在本申请实施例中，所述充放电控制单元包括FPGA，所述充放电管理单元包括MCU。
如图3，在本申请实施例中，所述功率输出单元包括：二极管D1、二极管D2、比较器U1、比较器U2、比较器U3、比较器U4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C1、电容C2、三极管M1和三极管M2，其中，所述二极管D1阳极连接电源而阴极连接所述三极管M1的集电极，所述三极管M1的发射极分别连接所述电阻R2和所述电阻R4的第一端，所述电阻R2的第二端分别连接所述二极管D2的阴极和所述比较器U2的第一输入端，所述二极管D2的阳极连接所述三极管M2的集电极，所述三极管M2的发射极分别连接所述电阻R7第一端、所述电阻R8第一端和所述比较器U4的第一输入端，所述电阻R8第二端和所述比较器U4的第二输入端均接地，所述电阻R7第二端分别连接所述三极管M2的基极和所述电阻R6第一端，所述电阻R6第二端分别连接所述比较器U3的输出端和所述电容C2的第一端，所述电容C2的第二端连接所述电阻R5第一端，所述电阻R5第二端连接所述比较器U3的第一输入端，所述比较器U4的输出端连接所述比较器U3的第二输入端，所述比较器U3的第一输入端连接放电D/A控制端口而第二输入端连接放电反馈信号端口，所述比较器U2的第二输入端连接所述电阻R2的第一端而输出端连接所述比较器U1的第一输入端，所述比较器U1的第二输入端连接所述电阻R1的第一端而输出端分别连接所述电容C1和电阻R3的第一端，所述电容C1的第二端连接所述电阻R1的第二端，所述电阻R3第二端分别连接所述电阻R4第二端和所述三极管M1的基极，所述比较器U1的第一输入端连接充电反馈信号端口而第二输入端连接充电D/A控制端口。
如图4-8，在本申请实施例中，针对动力电池的充放电需求，以及动力电池的充放电特点，设计了基于此充放电控制电路的充放电控制模式，其中，恒流充电模式流程如图4所示，恒阻充电、放电模式流程如图5所示，恒功率充电、放电模式流程如图6所示，恒流恒压充电、恒流放电模式流程如图7所示，斜率充电、放电模式流程如图8所示。
其中恒流恒压充电和恒流放电模式采用比例积分的方式，实现了充放电的快速调节功能，经测试***运行稳定，比例积分的系数整定可通过SPI总线在线调整。
如图4，在本申请实施例中，当处于所述恒流充电模式时，所述充放电控制单元控制所述功率输出单元以恒定电流对所述电路充电。
如图5，在本申请实施例中，当处于所述恒阻模式时，所述信号采集单元采集所述电路当前电压值，所述充放电控制单元根据当前电压值以及预设恒定电阻值，计算出电流控制值，并控制所述所述功率输出单元以电流控制值对所述电路充电。
如图6，在本申请实施例中，当处于所述恒功率模式时，所述信号采集单元采集所述电路当前电压值，所述充放电控制单元根据当前电压值以及预设恒定功率值，计算出电流控制值，并控制所述所述功率输出单元以电流控制值对所述电路充电。
如图7，在本申请实施例中，当处于所述PI模式时，所述信号采集单元采集三次所述电路当前电压值并取中值，所述充放电控制单元设置一初值，并依次计算E(k)、(Kp+Ki)×E(k)、Kp*E(k-1)、U(k-1)+(Kp+Ki)*E(k)和U(k-1)+(Kp+Ki)*E(k)-Kp*E(k-1)从而生成PI增量U(k)，并限制输出范围、输出预处理和设置下次计算初值，从而输出U(k)，所述功率输出单元以U(k)对所述电路充放电；其中，E(k)为当前误差信号，E(k-1)为上一次误差信号，U(k)为当前输出信号，E(k-1)为上一次输出信号，Kp为比例系数，Ki为积分系数。
如图8，在本申请实施例中，当处于所述斜率模式时，所述信号采集单元采集所述电路起始电流，所述充放电控制单元判断是否达到加/减步长操作时间，若是；执行加/减步长操作；若否，返回所述信号采集单元采集所述电路起始电流操作；所述充放电控制单元在加/减步长操作后判断是否超过终止电流，若否，返回所述信号采集单元采集所述电路起始电流操作；若是，所述充放电控制单元执行限幅处理，所述功率输出单元以限幅处理后电流值对所述电路充放电直至时间完成。
本发明中的充放电控制电路，基于现场可编程门阵列(FPGA)控制，处理速度和实时响应快，且面积小巧，成本可控，可大规模量产。该方法通过直接输出、比例积分反馈调节、AD/零点校准等方式实现了高精度的恒流、恒压、恒阻、恒功率以及斜率控制等多种充放电控制管理。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种充放电控制电路，其特征在于，包括：
信号采集单元，用于采集电路中电路信号，并将其发送给A/D转换单元；
A/D转换单元，用于将所述信号采集单元发送的电路信号转换为数字信号，并将其发送给充放电控制单元；所述A/D转换单元与所述信号采集单元连接；
充放电控制单元，用于将所述A/D转换单元发送的数字信号发送给充放电管理单元，以及根据所述充放电管理单元的指令执行预设运行模式并发送模式控制信号给D/A转换单元；所述充放电控制单元与所述A/D转换单元通过SPI总线连接；
充放电管理单元，用于根据所述充放电控制单元发送的数字信号控制所述充放电控制单元执行预设运行模式；所述充放电管理单元与所述充放电控制单元通过隔离SPI总线连接；
D/A转换单元，用于将所述充放电控制单元发送的模式控制信号转换为模拟信号；所述D/A转换单元与所述充放电控制单元通过所述SPI总线连接；
功率输出单元，用于根据所述D/A转换单元发送的模拟信号控制电路的输出；所述功率输出单元与所述D/A转换单元连接。
2.根据权利要求1所述的充放电控制电路，其特征在于，所述电路信号包括电压和/或电流。
3.根据权利要求1所述的充放电控制电路，其特征在于，所述充放电控制单元包括FPGA，所述充放电管理单元包括MCU。
4.根据权利要求1所述的充放电控制电路，其特征在于，所述功率输出单元包括：二极管D1、二极管D2、比较器U1、比较器U2、比较器U3、比较器U4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C1、电容C2、三极管M1和三极管M2，其中，所述二极管D1阳极连接电源而阴极连接所述三极管M1的集电极，所述三极管M1的发射极分别连接所述电阻R2和所述电阻R4的第一端，所述电阻R2的第二端分别连接所述二极管D2的阴极和所述比较器U2的第一输入端，所述二极管D2的阳极连接所述三极管M2的集电极，所述三极管M2的发射极分别连接所述电阻R7第一端、所述电阻R8第一端和所述比较器U4的第一输入端，所述电阻R8第二端和所述比较器U4的第二输入端均接地，所述电阻R7第二端分别连接所述三极管M2的基极和所述电阻R6第一端，所述电阻R6第二端分别连接所述比较器U3的输出端和所述电容C2的第一端，所述电容C2的第二端连接所述电阻R5第一端，所述电阻R5第二端连接所述比较器U3的第一输入端，所述比较器U4的输出端连接所述比较器U3的第二输入端，所述比较器U3的第一输入端连接放电D/A控制端口而第二输入端连接放电反馈信号端口，所述比较器U2的第二输入端连接所述电阻R2的第一端而输出端连接所述比较器U1的第一输入端，所述比较器U1的第二输入端连接所述电阻R1的第一端而输出端分别连接所述电容C1和电阻R3的第一端，所述电容C1的第二端连接所述电阻R1的第二端，所述电阻R3第二端分别连接所述电阻R4第二端和所述三极管M1的基极，所述比较器U1的第一输入端连接充电反馈信号端口而第二输入端连接充电D/A控制端口。
5.根据权利要求1所述的充放电控制电路，其特征在于，所述预设运行模式包括恒流充电模式、恒阻模式、恒功率模式、PI模式和斜率模式。
6.根据权利要求5所述的充放电控制电路，其特征在于，当处于所述恒流充电模式时，所述充放电控制单元控制所述功率输出单元以恒定电流对所述电路充电。
7.根据权利要求5所述的充放电控制电路，其特征在于，当处于所述恒阻模式时，所述信号采集单元采集所述电路当前电压值，所述充放电控制单元根据当前电压值以及预设恒定电阻值，计算出电流控制值，并控制所述所述功率输出单元以电流控制值对所述电路充电。
8.根据权利要求5所述的充放电控制电路，其特征在于，当处于所述恒功率模式时，所述信号采集单元采集所述电路当前电压值，所述充放电控制单元根据当前电压值以及预设恒定功率值，计算出电流控制值，并控制所述所述功率输出单元以电流控制值对所述电路充电。
9.根据权利要求5所述的充放电控制电路，其特征在于，当处于所述PI模式时，所述信号采集单元采集三次所述电路当前电压值并取中值，所述充放电控制单元设置一初值，并依次计算E(k)、(Kp+Ki)×E(k)、Kp*E(k-1)、U(k-1)+(Kp+Ki)*E(k)和U(k-1)+(Kp+Ki)*E(k)-Kp*E(k-1)从而生成PI增量U(k)，并限制输出范围、输出预处理和设置下次计算初值，从而输出U(k)，所述功率输出单元以U(k)对所述电路充放电；其中，E(k)为当前误差信号，E(k-1)为上一次误差信号，U(k)为当前输出信号，E(k-1)为上一次输出信号，Kp为比例系数，Ki为积分系数。
10.根据权利要求5所述的充放电控制电路，其特征在于，当处于所述斜率模式时，所述信号采集单元采集所述电路起始电流，所述充放电控制单元判断是否达到加/减步长操作时间，若是；执行加/减步长操作；若否，返回所述信号采集单元采集所述电路起始电流操作；所述充放电控制单元在加/减步长操作后判断是否超过终止电流，若否，返回所述信号采集单元采集所述电路起始电流操作；若是，所述充放电控制单元执行限幅处理，所述功率输出单元以限幅处理后电流值对所述电路充放电直至时间完成。
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