專(zhuān)利名稱(chēng)：充電/放電裝置的電源裝置以及充電/放電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及充電/放電裝置，并且涉及用于充電/放電裝置等的電
源裝置。具體來(lái)說(shuō)，它涉及電源裝置，其輸出端子與二次(secondary) 電池連接，并且它適合于通過(guò)反復(fù)執(zhí)行對(duì)二次電池的充電和放電來(lái)執(zhí) 行這個(gè)二次電池的電池特性(放電特性和容量等)的測(cè)試。
背景技術(shù)：
在例如鋰離子電池等的二次電池的測(cè)試中，通常通過(guò)將作為測(cè)試 對(duì)象的二次電池與輸出端子連接反復(fù)對(duì)它進(jìn)行充電和放電，來(lái)執(zhí)行測(cè) 試。例如，可執(zhí)行控制，以便當(dāng)二次電池的電池電壓很低時(shí)建立充電 才莫式并iM吏充電電流流入二次電池，以及當(dāng)二次電池的電池電壓充分 高時(shí)建立放電模式并且使放電電流從二次電池流出。
通過(guò)這種類(lèi)型的電源裝置，DC電源單元與輸入側(cè)連接，以及在 充電才莫式期間，充電電流乂人DC電源單元流到二次電池，而在》欠電才莫 式期間，放電電流/人二次電池流到DC電源單元。此外，第一開(kāi)關(guān)元 件和第二開(kāi)關(guān)元件的串if關(guān)電路與DC電源單元并if關(guān)，以及包括電感器 和平滑電容器的串聯(lián)電路的平滑濾波器電路與所述第二開(kāi)關(guān)元件并 聯(lián)。
此外，還提供一種驅(qū)動(dòng)電路，它產(chǎn)生分別使所述第一開(kāi)關(guān)元件和 所述第二開(kāi)關(guān)元件交替接通和斷開(kāi)的第一 PWM脈沖和第二 PWM脈 沖，并且它還在那些PWM脈沖之間產(chǎn)生空載時(shí)間(dead time)(例如 參閱日本公開(kāi)專(zhuān)利發(fā)布2002-10502)。
具有上述結(jié)構(gòu)的電源裝置操作如下。
當(dāng)沒(méi)有充電的二次電池與輸出端子連接時(shí)，第一PWM脈沖的脈寬變得比第二 PWM脈沖的脈寬長(zhǎng)，并且第二開(kāi)關(guān)元件兩端之間的平 均電壓變得比二次電池的電池電壓高。由于這個(gè)平均電壓與二次電池 的電池電壓之間的差，充電電流流入二次電、池。
在這種充電才莫式中，充電電流(即輸出電流)由輸出電流4企測(cè)單元
檢測(cè)，以及控制第一 PWM脈沖和第二 PWM脈沖的占空比(duty ratio ) 使得這個(gè)電流保持為定值。此外，產(chǎn)生空載時(shí)間，使得所述第一開(kāi)關(guān) 元件和所述第二開(kāi)關(guān)元件不同時(shí)4妻通，因此第一 PWM ^c沖和第二 PWM脈沖沒(méi)有一起接通。
當(dāng)二次電池的電壓變得充分高時(shí)，系統(tǒng)改變成充電模式。在這種 放電模式中，第二 PWM脈沖的脈寬變得比第一 PWM脈沖的脈寬長(zhǎng)， 并且第二開(kāi)關(guān)元件兩端之間的平均電壓變得比二次電池的電池電壓 低。由于這個(gè)平均電壓與二次電池的電池電壓之差，充電電流從二次 電池流向DC電源單元。
在這種放電模式中，放電電流由輸出電流檢測(cè)單元檢測(cè)，以及控 制第一 PWM脈沖和第二 PWM脈沖的占空比使得這個(gè)電流保持為定 值。此外，設(shè)置空載時(shí)間使得所述第一開(kāi)關(guān)元件和所述第二開(kāi)關(guān)元件 不同時(shí)接通，因此第一 PWM脈沖和第二 PWM脈沖沒(méi)有 一起接通。
這樣，二次電池的充電和》欠電反復(fù)進(jìn)行，并且可一丸行二次電池的 容量測(cè)試和其它類(lèi)型的測(cè)試。
通過(guò)上述電源裝置，根據(jù)充電或放電的進(jìn)行，第一PWM脈沖和 第二 PWM脈沖的脈寬(即接通寬度)或者這些脈沖的斷開(kāi)寬度逐漸變 窄。例如，在放電模式中，當(dāng)電池的放電進(jìn)行并且電池電壓變低時(shí)， 運(yùn)用控制使得第二PWM脈沖的斷開(kāi)寬度變得更短，以便在更大比例 的時(shí)間使第二開(kāi)關(guān)元件接通。
但是，當(dāng)?shù)谝?PWM脈沖與第二 PWM脈沖之間的空載時(shí)間由包 括能以低成本構(gòu)建的CR時(shí)間常數(shù)電路的電路來(lái)形成時(shí)，出現(xiàn)下列問(wèn) 題。
即，這種CR時(shí)間常數(shù)電路是通過(guò)減弱脈沖波形的邊沿來(lái)創(chuàng)建延遲的電路，但是，由于模擬信號(hào)處理，在其中第二PWM脈沖的斷開(kāi)
寬度變得更短的控制狀態(tài)中，這些第二PWM脈沖的形成變得不可靠， 并且這種控制變得不穩(wěn)定，這是不合乎需要的。備選地，即使空載時(shí) 間通過(guò)以模擬方式執(zhí)行波形處理來(lái)創(chuàng)建，也出現(xiàn)同樣的問(wèn)題。另一方 面，如果為了解決這個(gè)問(wèn)題，第一PWM脈沖完全以數(shù)字方式來(lái)形成， 則用于創(chuàng)建空載時(shí)間的驅(qū)動(dòng)電路成為高價(jià)數(shù)字電路，并且高性能和高 成本的DSP或CPU對(duì)于形成開(kāi)關(guān)脈沖是必要的，使得需要電源裝置 的成本的整體增加。
在充電模式中也以類(lèi)似方式出現(xiàn)上述類(lèi)型的問(wèn)題。此外，即使這 種電源裝置制作成充當(dāng)從連接到其輸出端子的二次電池的角度來(lái)看 可改變負(fù)載大小的電子負(fù)載裝置，也仍然出現(xiàn)如上所述相同類(lèi)型的問(wèn) 題。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于充電/放電裝置等的電源裝 置，它能夠防止控制在其中運(yùn)用控制使得第一 PWM脈沖的脈寬或者 第二PWM脈沖的脈寬變短的狀態(tài)中變得不穩(wěn)定，而甚至無(wú)需對(duì)驅(qū)動(dòng) 電路提供高成本數(shù)字電路等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的電源裝置包括第 一開(kāi)關(guān)元件和第二開(kāi)關(guān)元件的串聯(lián)電 路，與DC電源單元并聯(lián)；以及包括電感器和平滑電容器的串聯(lián)電路 的平滑濾波器電路，與所述第二開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)。此外，本發(fā)明的電源 裝置還包括輸出端子，與所述平滑電容器兩側(cè)連接；控制單元，輸 出開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)并且控制其占空比；以及驅(qū)動(dòng)電路，根據(jù)所述開(kāi)關(guān)脈 沖信號(hào)來(lái)產(chǎn)生用于分別使所述第一開(kāi)關(guān)元件和所述第二開(kāi)關(guān)元件交 替接觸和斷開(kāi)的第一 PWM脈沖和第二 PWM脈沖，并且還在這些 PWM脈沖之間創(chuàng)建空載時(shí)間。
另外，控制單元改變與所述第一 PWM ^K沖或者所述第二 PWM 脈沖的脈寬對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的頻率。應(yīng)當(dāng)理解，在本發(fā)明的這個(gè)描述中，"脈寬"表示脈沖的接通寬度或者脈沖的斷開(kāi)寬度。下文中， 為了便于說(shuō)明，在只使用術(shù)語(yǔ)"脈寬"時(shí)，這可表示脈沖接通寬度或者 脈沖斷開(kāi)寬度。此外，上述接通寬度和斷開(kāi)寬度分別表示脈沖的接通 部分或者其斷開(kāi)部分。
作為本發(fā)明的電源裝置的 一 個(gè)示例，二次電池與輸出端子連接，
以及反復(fù)執(zhí)4于這個(gè)二次電池的充電和;改電，以便測(cè)試該二次電池。換 言之，本發(fā)明的電源裝置例如可用作這種二次電池的測(cè)試裝置。
通過(guò)用作二次電池的測(cè)試裝置的這種電源裝置，第 一開(kāi)關(guān)元件和 第二開(kāi)關(guān)元件分別通過(guò)第一 PWM脈沖和第二 PWM脈沖交替接通和 斷開(kāi)。此外，充電電流經(jīng)由與第二開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)的平滑濾波器電路流 到二次電池，或者放電電流經(jīng)由平滑濾波器電路從二次電池流到DC 電源單元。
當(dāng)?shù)谝?PWM脈沖的脈寬比第二 PWM脈沖的脈寬長(zhǎng)時(shí)，則系統(tǒng) 進(jìn)入充電狀態(tài)，并且充電電流流入二次電池。換言之，當(dāng)?shù)谝籔WM 脈沖的脈寬比第二 PWM脈沖的脈寬長(zhǎng)時(shí)，則由于第二開(kāi)關(guān)元件兩端 之間的平均電壓比二次電池的電池電壓高，所以充電電流流入二次電 池。此外，當(dāng)?shù)谝?PWM脈沖的脈寬比第二 PWM脈沖的脈寬短時(shí)， 則系統(tǒng)進(jìn)入放電狀態(tài)，并且放電電流從二次電池流到DC電源單元。 換言之，當(dāng)?shù)谝籔WM脈沖的脈寬比第二PWM脈沖的脈寬短時(shí)，則 由于第二開(kāi)關(guān)元件兩端之間的平均電壓比二次電池的電池電壓低，所
以放電電流從二次電池流到DC電源單元。這樣，能夠執(zhí)行二次電池 的》文電禾口i文電。
在放電模式中，當(dāng)二次電池的電池電壓降低時(shí)，第二PWM脈沖 的斷開(kāi)寬度與此對(duì)應(yīng)而變得更短。因此，通過(guò)本發(fā)明，創(chuàng)建第一PWM 脈沖和第二 P WM脈沖的開(kāi)關(guān)脈沖的頻率響應(yīng)二次電池的電池電壓的 降低(即，響應(yīng)第二PWM脈沖的斷開(kāi)寬度的縮短)而減小。如果采用 通過(guò)減弱開(kāi)關(guān)脈沖的邊緣來(lái)形成第二 PWM脈沖的CR時(shí)間常數(shù)電 路，則當(dāng)?shù)诙WM脈沖的斷開(kāi)寬度變得小于某個(gè)恒定寬度時(shí)，這些脈沖的形成變得不可靠，并且第二開(kāi)關(guān)元件的控制變得不穩(wěn)定。但是， 通過(guò)本發(fā)明，由于開(kāi)關(guān)脈沖的頻率在這種類(lèi)型的狀態(tài)期間減小，因此 就能夠形成具體優(yōu)良可靠性的第二 PWM脈沖。
此外，同時(shí)還能夠防止如同所謂的"交合線(bearding)"的一直 線(極窄的脈寬)的情況那樣因第一 PWM脈沖變得不穩(wěn)定而發(fā)生的脈 沖丟失。
控制單元可控制開(kāi)關(guān)脈沖的頻率，使得它在第二 PWM脈沖的斷 開(kāi)寬度變得小于某個(gè)恒定脈寬時(shí)變得更低，或者可按照第二PWM脈 沖的斷開(kāi)寬度的縮短連續(xù)控制開(kāi)關(guān)脈沖的頻率。
應(yīng)當(dāng)理解，雖然在充電才莫式中第一 PWM脈沖的斷開(kāi)寬度隨充電 進(jìn)行而變得更短，但在這種模式中，執(zhí)行控制以便當(dāng)?shù)谝籔WM脈沖 的斷開(kāi)寬度變得比固定脈寬短時(shí)降低開(kāi)關(guān)脈沖的頻率也是可接受的， 或者按照二次電池的電壓的增加(即，按照變得更短的第一 PWM脈 沖的斷開(kāi)寬度)連續(xù)降低開(kāi)關(guān)脈沖的頻率也是可接受的。通過(guò)如上所 述在充電模式期間執(zhí)行控制，即使DC電源單元的電源電壓很低，也 能夠執(zhí)行穩(wěn)定的充電控制。


圖1是作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的充電&丈電裝置的框圖2示出充電模式期間的第一 PWM脈沖Pl和第二 PWM脈沖
P2;
圖3示出放電模式期間的第一 PWM脈沖PI和第二 PWM脈沖
P2;
圖4是放電模式期間電池電壓逐漸降低時(shí)的波形圖； 圖5是示出電壓Vo和增益G的變化的圖形； 圖6示出當(dāng)開(kāi)關(guān)脈沖Wl的頻率逐漸降低時(shí)的第一PWM脈沖PI 和第二 PWM爿永沖P2的變化；
圖7示出頻率f固定時(shí)的這些脈沖PI和P2的變化；圖8示出開(kāi)關(guān)頻率f的控制特性；以及
圖9是示出放電模式期間的控制單元11的操作的流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的充電/;&電裝置的框圖。
這個(gè)充電/放電裝置用作測(cè)試裝置，用于通過(guò)對(duì)二次電池反復(fù)充 電和;改電來(lái)測(cè)試該二次電池的特性。
DC電源單元2與輸入端子1連接。只要它的輸出電壓為DC電 壓，則這個(gè)DC電源單元2可包括電池或AC-DC轉(zhuǎn)換器等。
與輸入端子1并聯(lián)的是第一平滑電容器3以及包括第一開(kāi)關(guān)元件 4和第二開(kāi)關(guān)元件5的串耳關(guān)電路。"并聯(lián)"表示輸入端子1之間直接或 間接的電氣并行連接，并且包括沒(méi)有插入任何元件或電路的并聯(lián)，以 及經(jīng)由某種元件或電路的并聯(lián)。
第一開(kāi)關(guān)元件4和第二開(kāi)關(guān)元件5的每個(gè)開(kāi)關(guān)元件可包括MOS 型FET開(kāi)關(guān)晶體管或IGBT(絕緣柵雙極晶體管)。但是，這些開(kāi)關(guān)元 件4和5還可包括雙極晶體管元件或閘流管元件等。
由電感器(L)60和第二平滑電容器61組成的平滑濾波器電路6與 第二開(kāi)關(guān)元件5關(guān)聯(lián)。此外，與電感器60的輸出側(cè)連接的是輸出電 流檢測(cè)單元(SH)62,它包括空心線圈或霍爾元件(Hall element)等并 且沖企測(cè)輸出電流。
電容器8經(jīng)由開(kāi)路/閉路元件(RY)7與平滑電容器61并聯(lián)，以及 輸出端子9也與其連接。作為被測(cè)對(duì)象的二次電池10與輸出端子9 連接。這個(gè)二次電池10可以是例如鋰離子電池，其電池電壓在放電 的閾值狀態(tài)突然下降。
控制單元11產(chǎn)生用于交替開(kāi)關(guān)第一開(kāi)關(guān)元件4和第二開(kāi)關(guān)元件 5的開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl。這個(gè)控制單元11包括DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)， 并且高速產(chǎn)生開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl。
輸出電流檢測(cè)單元62所檢測(cè)的輸出電流Io 、作為平滑電容器61兩端之間的電壓的平滑輸出電壓Vc以及作為輸出端子兩端的電壓的 輸出電壓VO均輸入到控制單元11的輸入側(cè)。此外，控制單元11的
輸入側(cè)配備了用于與高級(jí)控制裝置15進(jìn)行通信的通信端子(SPI)。操 作命令信號(hào)、操作停止信號(hào)和電流命令值從高級(jí)控制裝置15輸入到 這個(gè)通信端子(SPI)，此外，指定這個(gè)充電/放電裝置的狀態(tài)的應(yīng)答信 號(hào)等從這個(gè)通信端子(SPI)輸出到高級(jí)控制裝置15。
從控制單元11的輸出側(cè)，經(jīng)過(guò)PWM控制的開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl 從輸出端子(PWMO)輸出。當(dāng)已經(jīng)從高級(jí)控制裝置15接收到操作命 令信號(hào)之后，這個(gè)開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl經(jīng)過(guò)PWM控制，換言之經(jīng)過(guò)占 空比控制(恒定電流控制)，使得由輸出電流檢測(cè)單元62檢測(cè)的輸出 電流Io達(dá)到電流命令值。此外，下面將會(huì)描述，在充電模式中，響 應(yīng)電池電壓的降低，控制單元11執(zhí)行控制以便降低開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào) Wl的頻率f。
從輸出端子(PWMO)輸出的開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl直接輸入到第一驅(qū) 動(dòng)電路14,并且經(jīng)由信號(hào)逆變電路(逆變器)12輸入到第二驅(qū)動(dòng)電路 13。
第二驅(qū)動(dòng)電路13包括"與"門(mén)13A、信號(hào)逆變電路(逆變器)13B和 13C以及第二 CR時(shí)間常數(shù)電路13D。第二 CR時(shí)間常數(shù)電路13D采 用包括電阻器R和電容器C的信號(hào)延遲電路以模擬方式使"與'，門(mén)13A 的輸出信號(hào)延遲。應(yīng)當(dāng)理解，二極管D與電阻器R以相反方向并聯(lián)， 因而確?？裳杆倥欧烹娙萜鰿中存儲(chǔ)的電荷。這個(gè)第二CR時(shí)間常數(shù) 電路13D的輸出被輸入到信號(hào)逆變電路13B，此外，其輸出被輸入到 信號(hào)逆變電路13C。以及第二驅(qū)動(dòng)電路13的輸出在第二開(kāi)關(guān)元件5 的柵端子作為第二 PWM脈沖輸出。
應(yīng)當(dāng)理解，"與"門(mén)13A和信號(hào)逆變電3各12、 13B、 13C因其石茲滯 特性而產(chǎn)生信號(hào)的小延遲。此外，信號(hào)逆變電路13D作為波形整形 電路進(jìn)行工作，它將已經(jīng)由第二 CR時(shí)間常數(shù)電路13D進(jìn)行鈍化的信 號(hào)整形為脈沖信號(hào)。第 一驅(qū)動(dòng)電路14具有與第二驅(qū)動(dòng)電路13相同的電路結(jié)構(gòu)。但是，
設(shè)置在那個(gè)電路14中的第一 CR時(shí)間常數(shù)電路14D的時(shí)間常數(shù)與設(shè) 置在第二驅(qū)動(dòng)電路13中的第二 CR時(shí)間常數(shù)電路13D的時(shí)間常數(shù)不 同。第一驅(qū)動(dòng)電路14的輸出作為第一 PWM脈沖輸出到第一開(kāi)關(guān)元 件4的柵端子。
通過(guò)以這種方式使分別設(shè)置在第一驅(qū)動(dòng)電路14和第二驅(qū)動(dòng)電3各 13中的CR時(shí)間常數(shù)電路13D、 14D的時(shí)間常數(shù)不同，在第一PWM 脈沖Pl和第二 PWM脈沖P2之間創(chuàng)建空載時(shí)間。
應(yīng)當(dāng)理解，雖然二極管(續(xù)流二極管(free wheel diode))40、 50與 第一開(kāi)關(guān)元件4、第二開(kāi)關(guān)元件5并聯(lián)，但是這些是用于排放當(dāng)開(kāi)關(guān) 元件4或5處于斷開(kāi)時(shí)在電感器60中積聚的能量的元件。換言之， 在充電模式期間，當(dāng)?shù)谝婚_(kāi)關(guān)元件4處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，在電感器60 中積聚的能量通過(guò)二極管50排放(實(shí)際上，在除空載時(shí)間以外的任何 間隔，它通過(guò)第二開(kāi)關(guān)元件5排放，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)元件5處于接通狀態(tài))。 類(lèi)似地，在放電模式期間，當(dāng)?shù)诙_(kāi)關(guān)元件5處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，在電 感器60中積聚的能量通過(guò)二極管40排放(實(shí)際上，在除空載時(shí)間以 外的任何間隔，它通過(guò)第一開(kāi)關(guān)元件4排放，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)元件4處于接 通狀態(tài))。
現(xiàn)在描述執(zhí)行二次電池10的測(cè)試。
首先，沒(méi)有放電的二次電池10與輸出端子9連接，并且充電/放 電裝置被啟動(dòng)。
這時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入充電模式，因?yàn)榈诙_(kāi)關(guān)元件5兩端之間的平均 電壓比二次電池10的電池電壓高。在充電才莫式中，第一PWM^K沖 Pl的脈寬(其接通寬度)變得比第二PWM脈沖P2的脈寬(其接通寬度) 大。
圖2示出充電模式期間的第一 PWM脈沖Pl和第二 PWM脈沖 P2。在脈沖周期T期間，第一 PWM脈沖Pl的"H"時(shí)間TP1(即其接 通寬度)大于或等于50%,而相反，第二 PWM脈沖P2的"H"時(shí)間TP2(即其接通寬度)小于或等于50%。提供空載時(shí)間Tdl和Td2,以 便使第一PWM脈沖Pl和第二PWM脈沖P2沒(méi)有重疊。如上所述， 這些空載時(shí)間Tdl和Td2通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路13中的第二 CR時(shí)間常數(shù)電 路13D和波形整形電路(門(mén)電路等)的組合以及驅(qū)動(dòng)電路14中的第一 CR時(shí)間常數(shù)電路14D和波形整形電路(門(mén)電路等)的組合來(lái)創(chuàng)建。
圖3示出放電模式期間的第一PWM脈沖Pl和第二PWM脈沖 P2。在脈沖周期T期間，第一 PWM脈沖Pl的"H"時(shí)間TP1(即其接 通寬度)小于或等于50%，而相反，第二 PWM脈沖P2的"H"時(shí)間 TP2(即其接通寬度)大于或等于50%。在這種放電模式中，也提供空 載時(shí)間Tdl和Td2，以便使第一 PWM脈沖Pl和第二 PWM脈沖P2 沒(méi)有重疊。
當(dāng)沒(méi)有充電的二次電池10與輸出端子9連接并且充電/放電裝置 被啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)首先進(jìn)入充電模式，并且控制單元11產(chǎn)生開(kāi)關(guān)脈沖 信號(hào)Sl同時(shí)設(shè)置其占空比，使得輸出電流(充電電流)達(dá)到預(yù)定恒定 電流。以及第一驅(qū)動(dòng)電路14和第二驅(qū)動(dòng)電路13分別產(chǎn)生第一PWM 脈沖Pl和第二PWM脈沖P2。在充電模式中，如圖2所示，通過(guò)將 脈寬(接通寬度)TP1控制為更大(更寬)而將脈沖(接通寬度)TP2控制為 更小(更窄)來(lái)保持恒定電流。由于充電的進(jìn)行，電池電壓上升，并且 脈寬(接通寬度)TP1據(jù)此變得更小。當(dāng)輸出端子9上的輸出電壓達(dá)到 預(yù)定電壓時(shí)，這被視作充電過(guò)程的結(jié)束，并且充電模式的操作停止。 應(yīng)當(dāng)理解，在充電模式中，能夠通過(guò)測(cè)量從充電開(kāi)始到其結(jié)束的時(shí)間 ^殳來(lái)測(cè)試二次電池10的容量。充電的結(jié)束通過(guò)^^測(cè)輸出電壓Vo已 經(jīng)達(dá)到預(yù)定電壓來(lái)確定。
當(dāng)在放電模式執(zhí)行測(cè)試時(shí)，控制單元11產(chǎn)生開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl 同時(shí)設(shè)置其占空比，使得在DC電源單元2的方向的輸出電流(即力文 電電流)成為預(yù)定恒定電流。以及第一驅(qū)動(dòng)電路14和第二驅(qū)動(dòng)電路13 從這個(gè)開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Sl分別創(chuàng)建第一PWM脈沖Pl和第二PWM脈 沖P2。在放電模式中，如圖3所示，通過(guò)將脈寬(接通寬度)TP1控制為更小(更窄)而將脈沖(接通寬度)TP2控制為更大(更寬)(在電流的方 向朝向DC電源單元2的情況下)來(lái)保持恒定電流。由于充電的進(jìn)行， 電池電壓下降，并且脈寬(接通寬度)TP1也按照它變得更小。
通過(guò)這個(gè)實(shí)施例的充電/放電裝置，下面將進(jìn)行描述，在》文電片莫 式中，開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl的頻率f響應(yīng)第一PWM脈沖Pl的脈寬TP1 變得更短、換言之響應(yīng)電池的電壓變得更低而逐漸降低。應(yīng)當(dāng)理解， 從在輸出端子9出現(xiàn)的輸出電壓Vo檢測(cè)電池電壓或者作為代替輸出 電壓Vo的電壓來(lái)檢測(cè)作為平滑濾波器電路6的輸出電壓的平滑輸出 電壓Vc也是可接受的。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)考慮因從輸出端子9到 平滑濾波器電路6的阻抗引起的電壓下降。
通過(guò)以這種方式來(lái)執(zhí)行控制，在放電模式中，當(dāng)?shù)谝籔WM脈沖 Pl的脈寬TP1變小時(shí)，防止脈沖形成變得不穩(wěn)定。
下面更詳細(xì)地描述這個(gè)方面。
為了便于理解，首先將參照?qǐng)D4來(lái)說(shuō)明開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的頻率f固 定時(shí)的驅(qū)動(dòng)電路13和14的操作。
圖4是示出在開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的頻率f為固定的狀態(tài)中放電模式的 電池電壓逐漸降低時(shí)的情況的波形圖。實(shí)線示出電池電壓為高電平時(shí) 的狀態(tài)，而虛線示出電池電壓為低電平時(shí)的狀態(tài)。如圖4的箭頭符號(hào) 所示，按照電池電壓的逐漸降低，包括開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl在內(nèi)的脈沖 中的每個(gè)脈沖的脈寬從實(shí)線所示狀態(tài)改變?yōu)樘摼€所示狀態(tài)。
從控制單元ll的端子PWMO輸出的開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl由信號(hào)逆 變電路(即逆變器)12反轉(zhuǎn)，并且輸入到第二驅(qū)動(dòng)電路13。在第二驅(qū) 動(dòng)電路13中，由信號(hào)逆變電路(逆變器)12反轉(zhuǎn)的脈沖經(jīng)過(guò)"與"門(mén) 13A，"與"門(mén)13A執(zhí)行與通常設(shè)置為"H"的輸入信號(hào)的邏輯乘法，并 且輸入到第二CR時(shí)間常數(shù)電路13D。雖然因每個(gè)電路具有磁滯特性 而引起小的信號(hào)延遲，但是這種延遲不太大。相反，如圖4中的脈沖 W4所示，由于在第二CR時(shí)間常數(shù)電路13D中，開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的邊 緣因其中它與閾值Vth+和Vth-進(jìn)行比較的波形整形而以模擬方式被鈍化，因此這個(gè)電路13D中的信號(hào)的延遲比較高(如W4和W5所示)。 作為第二 CR時(shí)間常數(shù)電路13D的輸出的脈沖W4經(jīng)過(guò)信號(hào)逆變電路 13B、 13C，并且作為第二PWM脈沖P2輸入到第二開(kāi)關(guān)元件5的柵 端子。這些第二 PWM脈沖P2被輸入到第二開(kāi)關(guān)元件5的^f冊(cè)端子， 并且將這個(gè)開(kāi)關(guān)元件5驅(qū)動(dòng)為接通和斷開(kāi)。
另一方面，開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl還未經(jīng)任何信號(hào)逆變電路而輸入到 第一驅(qū)動(dòng)電路14,在這個(gè)第一驅(qū)動(dòng)電路14中，第一 PWM脈沖Pl 由第一 C R時(shí)間常數(shù)電路14 D以及執(zhí)行波形整形等的信號(hào)逆變電路來(lái) 創(chuàng)建。這些第一 PWM脈沖Pl被輸入到第一開(kāi)關(guān)元件4的柵端子， 并且將這個(gè)開(kāi)關(guān)元件4驅(qū)動(dòng)為接通和斷開(kāi)。
空載時(shí)間Tdl和Td2由驅(qū)動(dòng)電3各13、 14>^姿照上述#:作來(lái)創(chuàng)建。 此外，在放電模式中，控制電路11減小開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的占空比 (Tl/T)，以便獲得恒定電流。當(dāng)開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl的占空比變小時(shí)， 創(chuàng)建其信號(hào)電平由信號(hào)逆變電路12逆轉(zhuǎn)的脈沖W2和W3，此外，脈 沖W3由第二 CR時(shí)間常數(shù)電路13D反轉(zhuǎn)成其波形經(jīng)過(guò)鈍化(鈍化信 號(hào))的信號(hào)W4。信號(hào)W4由執(zhí)行波形整形的信號(hào)逆變電路13B進(jìn)行波 形整形。
但是，如圖4所示，由于經(jīng)過(guò)鈍化的這個(gè)信號(hào)按照IC的正常閾 值經(jīng)過(guò)波形整形，因此，響應(yīng)開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl的占空比變得更小， 從信號(hào)W4經(jīng)過(guò)波形整形的脈沖W5的脈寬(其接通寬度)突然變得更 小(即變得更窄)。因此，在進(jìn)一步反轉(zhuǎn)之后從脈沖W5產(chǎn)生的第二 PWM脈沖P2的脈寬按照開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl的占空比變得更小而突然 變得更大(更寬)。這時(shí)，第一PWM脈沖Pl的脈寬(其接通寬度)按照 開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl的占空比變得更小而突然變得更小(更窄)。圖4中 表明，出現(xiàn)其中由于第一PWM脈沖Pl(a)的脈寬突然變得更小(更窄) 而不能確保足夠峰值的情況。這種類(lèi)型的第一 PWM脈沖Pl(a)不能 稱(chēng)作正常脈沖，此外不能使第一開(kāi)關(guān)元件4接通。因此，放電電流開(kāi) 始經(jīng)過(guò)二一及管40。另一方面，當(dāng)開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl的占空比變小并且鈍化信號(hào)W4超過(guò)閾值Vth時(shí)，則驅(qū)動(dòng)信號(hào)逆變電路13B和13C變成不可能，并且形成第二 PWM脈沖P2的斷開(kāi)部分變成不可能。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，第二開(kāi)關(guān)元件5連續(xù)保持接通狀態(tài)，因此，存在將出現(xiàn)其中不能控制這個(gè)開(kāi)關(guān)元件5的間隔的可能性。
上述脈寬(接通寬度)突然變得更窄的事實(shí)表示ATx/ATy的變化變得突然。
但是，ATx指定第二PWM脈沖P2的占空比(T2/T)的變化，并且ATy指定開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl的占空比(T1/T)的變化。
此外，當(dāng)按照輸出電壓的變化和增益的變化來(lái)表達(dá)ATx/ATy的變化變得突然的事實(shí)時(shí)，產(chǎn)生以下結(jié)論。
圖5是示出輸出電壓Vo的變化和增益G的變化的圖形，其中輸出電壓Vo沿垂直軸線示出，而開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl的脈寬Tl沿水平4由線示出。
增益G表示為
(輸出電壓變化AV) / (脈寬變化AT) (式1)
以及輸出電壓的變化為
{當(dāng)脈沖Wl的脈寬為T(mén)l(t)時(shí)的輸出電壓Vo(t)} - {對(duì)于脈
沖Wl的脈寬為T(mén)l(t-l)的輸出電壓Vo(t-l)}而脈寬的變化為
(脈寬Tl(t)-脈寬Tl(t-l》
如圖5所示，大家會(huì)理解，當(dāng)輸出電壓Vo變低時(shí)(即，當(dāng)Wl的脈寬變小時(shí))，增益G突然增加。換言之，表明，當(dāng)輸出電壓Vo為低電平時(shí)(即，當(dāng)增益G突然變化時(shí))，則控制單元11的控制變得不穩(wěn)定，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的增益G的變化很大。
如上所述，如果開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl的頻率f固定且開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl的占空比在放電模式中受到控制，則當(dāng)輸出電壓Vo變低時(shí)(即，當(dāng)Wl的脈寬(接通脈寬)變小時(shí))控制變得不穩(wěn)定，并且出現(xiàn)例如沒(méi)有創(chuàng)建第二PWM脈沖P2的斷開(kāi)部分等的不便。
因此，通過(guò)這個(gè)實(shí)施例的充電/放電裝置，在放電模式中，開(kāi)關(guān)
脈沖信號(hào)Wl的頻率f響應(yīng)第二PWM脈沖P2的斷開(kāi)寬度變短(在圖3中TP2變長(zhǎng))、換言之響應(yīng)輸出電壓Vo(平滑輸出電壓Vc)變低而逐漸降低。當(dāng)開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl的頻率降低時(shí)，控制單元11進(jìn)行的控制系統(tǒng)的增益G的變化變得平緩，并且能夠消除控制不穩(wěn)定性。換言之，在式1中，通過(guò)降低頻率f,能夠降低增益G,因?yàn)槟軌蛟诓桓淖冚敵鲭妷旱淖兓疉V的條件下增加脈寬的變化AT。因此，通過(guò)減小增益G,能夠抑制上述突然變化。
圖6示出在放電模式中開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl的頻率由控制單元11降低時(shí)的第一 PWM脈沖Pl和第二 PWM脈沖P2的變化。以及為了進(jìn)行比較，圖7示出使頻率f保持固定時(shí)的這些脈沖Pl和P2的變化。應(yīng)當(dāng)理解，在圖6和圖7中，處于1 V附近的平滑輸出電壓Vc相當(dāng)于突然下降到3 V附近的二次電池IO(鋰離子電池)的電池電壓。以及這些電壓之間2V的差對(duì)應(yīng)于因從平滑濾波器電路6到二次電池10的接線引起的電壓降。
如圖7所示，如果頻率固定，則當(dāng)平滑輸出電壓下降到Vc=0.9V時(shí)，第二PWM脈沖P2的斷開(kāi)部分的寬度變得非常窄，并且變得不可能使第二PWM脈沖P2轉(zhuǎn)為斷開(kāi)，如P2(f3)所示。在這種情況下，可能出現(xiàn)的情況是，脈沖因這個(gè)斷開(kāi)部分消失而丟失，使得斷開(kāi)部分變成作為"直線"的情況，并且沒(méi)有發(fā)生正常操作。同時(shí)，如Pl((3)所示的月永沖丟失也在第一PWM月永沖中出現(xiàn)。此外，存在脈沖丟失等也可在充電模式期間出現(xiàn)的可能性。
相反，如圖6所示，當(dāng)頻率f按照平滑輸出電壓Vc的降低而降低時(shí)，則即使平滑輸出電壓Vc降低至0.9 V也能夠使第二 PWM脈沖P2轉(zhuǎn)到斷開(kāi)，并且能夠采用第二 PWM脈沖P2正確地控制第二開(kāi)關(guān)元件5。對(duì)于第一PWM脈沖Pl,脈沖丟失的事件也消失。此外，例如"直線"脈沖等的不穩(wěn)定性也沒(méi)有出現(xiàn)。圖8示出開(kāi)關(guān)頻率f的控制特性。
如圖8所示，在放電;f莫式中，頻率f設(shè)置為160 kHz,直至Vc下降到2.5 V為止，此后頻率f逐漸降低，直至Vc下降到0.5 V為止。
圖9是示出控制單元11在放電模式期間的操作的流程圖。
在步驟ST1,控制單元11控制開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl的占空比，使得放電電流為恒定，然后在步驟ST2，引用預(yù)先存儲(chǔ)的、指定圖8的特性的函數(shù)，并且按照平滑輸出電壓Vc來(lái)設(shè)置頻率f。在這個(gè)步驟ST2，即使頻率f改變也執(zhí)行恒定電流控制。如果控制單元11包括CPU，則圖8的特性可作為表來(lái)存儲(chǔ)，且頻率f可通過(guò)參照這個(gè)表按照平滑輸出電壓Vc來(lái)設(shè)置。
如上所述，由于通過(guò)按照平滑輸出電壓Vc的降低逐漸降低開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)wi的頻率f,能夠確保創(chuàng)建第二 PWM脈沖P2的斷開(kāi)部分，因此能夠防止第二 PWM脈沖P2的脈沖形成變得不穩(wěn)定。應(yīng)當(dāng)理解，由于通過(guò)逐漸降低開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl的頻率f，第一 PWM脈沖Pl的脈寬TP1也變得更大(更寬)，因此這些脈沖的形成也沒(méi)有變得不穩(wěn)定。
應(yīng)當(dāng)理解，能夠通過(guò)不僅在放電模式期間而且也在充電模式期間執(zhí)行相同類(lèi)型的控制，來(lái)防止第一 PWM脈沖Pl和第二 PWM脈沖P2的脈沖形成變得不穩(wěn)定。換言之，在充電模式期間，當(dāng)二次電池IO的電荷量很低時(shí)，第一PWM脈沖P1的斷開(kāi)寬度很小，但在這時(shí)，如果電壓由于某種原因而降低，則斷開(kāi)寬度變得更短，并且第一脈沖Pl的形成變得不穩(wěn)定。因此，按照第一PWM脈沖Pl的斷開(kāi)寬度變短、換言之當(dāng)平滑輸出電壓Vc變高時(shí)將開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)Wl的頻率f控制為下降。
此外，在上述實(shí)施例中，如圖8所示，雖然開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的頻率f按照平滑濾波器電路6的平滑輸出電壓Vc的數(shù)量連續(xù)改變，但是，當(dāng)平滑輸出電壓Vc降低到恒定電壓值時(shí)將頻率f設(shè)置成改變(在放電模式期間)也是可接受的。換言之，當(dāng)平滑輸出電壓Vc降低到第一PWM脈沖Pl的脈寬突然變得更短的電平時(shí)設(shè)置成降低頻率f(在放電^^式期間)也是可接受的。
此外，雖然在上述實(shí)施例中執(zhí)行恒定電流控制，但是，也能夠執(zhí)行恒定電壓控制，在該控制中平滑輸出電壓Vc保持恒定。
此外，除了如上所述適用于二次電池10的測(cè)試裝置之外，本發(fā)明也可適用于電子負(fù)載裝置。在對(duì)電子負(fù)載裝置的這種應(yīng)用的情況下，能夠輸入和輸出電流的電源單元與輸出端子9連接，并且它充當(dāng)恒定電流從電源單元流入其中或者使恒定電流流到那個(gè)電源單元的電子負(fù)載。
權(quán)利要求
1.一種電源裝置，包括第一開(kāi)關(guān)元件和第二開(kāi)關(guān)元件的串聯(lián)電路，與DC電源單元并聯(lián)；包括電感器和平滑電容器的串聯(lián)電路的平滑濾波器電路，與所述第二開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)；輸出端子，連接到所述平滑電容器兩側(cè)；控制單元，輸出開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)，并控制其占空比；以及驅(qū)動(dòng)電路，根據(jù)所述開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)來(lái)產(chǎn)生用于分別使所述第一開(kāi)關(guān)元件和所述第二開(kāi)關(guān)元件交替接通和斷開(kāi)的第一PWM脈沖和第二PWM脈沖，此外所述驅(qū)動(dòng)電路在這些PWM脈沖之間創(chuàng)建空載時(shí)間；以及其中，所述控制單元對(duì)應(yīng)于所述第一PWM脈沖或者所述第二PWM脈沖的脈寬而改變所述開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的頻率。
2. 如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其中，所述控制單元對(duì)應(yīng)于 所述第一 PWM脈沖或者所述第二 PWM脈沖的脈寬的縮短而降低所 述開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的頻率。
3. 如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其中，當(dāng)所述第一PWM脈沖 或者所述第二PWM脈沖的脈寬變成小于或等于固定脈寬時(shí)，所述控 制單元降低所述開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的頻率。
4. 如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其中，所述驅(qū)動(dòng)電路包括減 弱所述開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的邊緣的CR時(shí)間常數(shù)電路，且所述空載時(shí)間通 過(guò)對(duì)所述CR時(shí)間常數(shù)電路的輸出進(jìn)行波形整形來(lái)創(chuàng)建。
5. 如權(quán)利要求4所述的電源裝置，其中所述驅(qū)動(dòng)電路包括產(chǎn)生所述第一 PWM脈沖的第 一驅(qū)動(dòng)電路以及 產(chǎn)生所述第二 PWM脈沖的第二驅(qū)動(dòng)電路；所述第一驅(qū)動(dòng)電路包括減弱所述開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的邊緣的第一 CR 時(shí)間常數(shù)電路；所述第二驅(qū)動(dòng)電路包括減弱所述開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的邊緣的第二 CR時(shí)間常數(shù)電路；以及所述第一 CR時(shí)間常數(shù)電路和所述第二 CR時(shí)間常數(shù)電路的相應(yīng) 時(shí)間常數(shù)是不同的。
6. 如權(quán)利要求1-5中的任一項(xiàng)所述的電源裝置，還包括檢測(cè)輸 出電流的輸出電流4全測(cè)單元，以及其中，所述控制單元控制所述開(kāi)關(guān) 脈沖信號(hào)的占空比，使得所述輸出電流檢測(cè)單元所檢測(cè)的輸出電流是 恒定的。
7. 如權(quán)利要求6所述的電源裝置，其中 所述輸出端子與二次電池連接；所述控制單元可設(shè)置其中使充電電流流到所述二次電池的充電 模式以及其中使放電電流從所述二次電池流出的放電模式；以及在所述充電模式期間，控制所述開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的占空比使得所述 第一 PWM脈沖的脈寬變得比所述第二 PWM脈沖的脈寬大，以及在 所述放電模式期間，控制所述開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的占空比使得所述第二 PWM脈沖的脈寬比所述第一 PWM脈沖的脈寬大。
8. 如權(quán)利要求7所述的電源裝置，其中，所述控制單元對(duì)應(yīng)于 所述二次電池的電池電壓而控制所述開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的占空比。
全文摘要
這種電源裝置包括第一開(kāi)關(guān)元件和第二開(kāi)關(guān)元件的串聯(lián)電路，與DC電源單元并聯(lián)；以及包括電感器和平滑電容器的串聯(lián)電路的平滑濾波器電路，與第二開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)。電源裝置還包括控制單元和驅(qū)動(dòng)電路，用于通過(guò)分別將第一和第二開(kāi)關(guān)元件驅(qū)動(dòng)為接通和斷開(kāi)，并用于在那些開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)之間創(chuàng)建空載時(shí)間。另外，這個(gè)控制單元按照第一PWM脈沖或者第二PWM脈沖的脈寬來(lái)改變開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的頻率。
文檔編號(hào)H01M10/44GK101540513SQ200910129080
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月19日
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