CN101969269B - 一种模拟蓄电池直流电源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟蓄电池直流电源，它包括电源变换器、主回路电流检测装置、馈电负载控制器和馈电负载，馈电负载控制器根据反馈电压大小来调节馈电负载的大小；馈电负载控制器包括依次连接的信号放大电路、信号处理电路和信号输出驱动电路；信号放大电路用于将主回路电流检测装置输出信号整形放大；信号处理电路由若干个光柱驱动器串联而成，每一个光柱驱动器的输出端口通过信号输出驱动电路与馈电负载连接。本模拟蓄电池改进的硬件驱动电子负载系统，利用硬件进行控制，具有比软件控制更快的反应速度，有效地改善了软件控制中由反馈造成的时间上的滞后，因此提高了电子负载的响应速度，降低了对IGBT等开关器件工作能力的要求，延长了设备使用寿命。

Description

一种模拟蓄电池直流电源

技术领域

本发明涉及一种模拟蓄电池直流电源，特别涉及一种电动汽车、混合动力汽车电机试验用及其电机控制器用的大功率直流电源。

背景技术

为了实现对电动汽车、混合动力汽车性能的全方位把握，往往需要对这类汽车电机空载转矩和电流、堵转转矩和堵转电流、电机控制器的过压欠压情况下的工作能力、电机转速-转矩特性曲线、最高工作转速、电压波动、短时过电压、过载能力和峰值功率、再生能量回馈以及耐久性进行测试，通过对以上项目的测试来获得对汽车性能产生影响的主要参数，以及影响系统控制方面的主要因素。

为了完成上述项目的测试，需要开发电动汽车、混合动力汽车电机及其控制器使用的直流电源系统，来模拟大功率蓄电池。模拟蓄电池的直流电源系统主要分为电源和馈电负载两大部分。电源部分采用动力电经隔离变压器，再通过高压整流电路得到。馈电负载部分根据反馈过来的主回路上电流的大小而适时调节主回路上的馈电负载的大小，使输出电压稳定。

在模拟蓄电池的直流电源中，馈电负载部分的工作能力是一个重要指标。一般直接影响到这种直流电源的寿命，尤其是在大功率电源中馈电负载的工作能力更能突显这种工作性能。

目前，国内外模拟蓄电池的直流电源大部分采用PWM脉宽调制的控制方式来实现馈电控制。就是将回路中的电流信号输入到MCU（微控制单元），通过软件进行精密计算，然后MCU（微控制单元）输出PWM来驱动负载的IGBT（绝缘栅双极型晶体管），由IGBT来改变负载的大小，这样就形成一个闭环控制，能准确的模拟蓄电池的整个过程。然而这种方式存在一些不足：比如一些需长期频繁开关的器件（IGBT），要求其开关次数相当多，在这种情况下不但大大缩短了器件的使用寿命，而且由于器件要求过高而造成设备成本增加，特别要模拟大功率蓄电池更是非常困难。另外，现有技术对馈电负载部分的设计主要是通过单片机进行控制，具体就是通过AD芯片进行采样，然后通过I/O口将数据输送到单片机用程序控制。这种方法虽然能实现对馈电负载进行自动处理的功能，但其干扰较大，反馈时间较长。因为软件控制需要一定的通信时间，传到单片机进行处理需要的时间较长，导致系统响应速度受到影响。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种能够快速调节反馈负载、对开关器件要求低、能有效延长电源设备使用寿命的模拟蓄电池直流电源。

本发明的技术方案是这样实现的：一种模拟蓄电池直流电源，包括电源变换器、主回路电流检测装置、馈电负载控制器和馈电负载，所述电源变换器将交流电整形之后输出直流电，主回路电流检测装置设置在主回路上用于测量主回路电流大小并将得到的电压信号输入馈电负载控制器，馈电负载并联在主回路上，馈电负载控制器根据反馈电压大小来调节馈电负载的大小；其特征在于：所述馈电负载控制器包括依次连接的信号放大电路、信号处理电路和信号输出驱动电路；所述信号放大电路为差分双模放大电路，用于将主回路电流检测装置输出信号整形放大；所述信号处理电路由若干个光柱驱动器串联而成，每一个光柱驱动器的输出端口通过信号输出驱动电路与馈电负载连接。

进一步，所述馈电负载包括IGBT驱动电路和电子负载，IGBT驱动电路与信号输出驱动电路连接。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

本发明通过检测主回路的电流值来响应馈电负载的通断，当回路电流变大，系统自动加载；当回路电流变小，系统自动卸载。并利用电子负载模拟蓄电池吸收能量，整流电路模拟蓄电池释放能量，从而模拟出蓄电池直流电源。本模拟蓄电池改进的硬件驱动电子负载系统，利用硬件进行控制，具有比软件控制更快的反应速度，有效地改善了软件控制中由反馈造成的时间上的滞后，因此提高了电子负载的响应速度，降低了对IGBT等开关器件工作能力的要求，延长了设备使用寿命，在成本和效率方面较现有技术都有较高成就。而本发明选用LM3914光柱驱动芯片以及IGBT能够对电压自动进行分流处理，解决了硬件控制难题。

附图说明

图1为本发明的原理方框图。

图2是主回路电流检测装置、馈电负载控制器和馈电负载的连接关系图。

图3为本发明一种馈电负载控制器的整形电路和输出电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供一种试验用模拟蓄电池直流电源，主要用于对电动汽车、混合动力汽车电机的各项性能实验以及电机馈电部分的实验，它通过整流电路模拟蓄电池放电、电子负载耗能模拟蓄电池充电从而模拟蓄电池装置。

如图1所示，本发明模拟蓄电池直流电源，包括电源变换器1、主回路电流检测装置2、馈电负载控制器3和馈电负载4。所述电源变换器1将交流电整形之后输出直流电，主回路电流检测装置2设置在主回路上用于测量主回路电流大小并将得到的电压信号输入馈电负载控制器3。馈电负载4并联在主回路上，馈电负载控制器3根据反馈电压大小来调节馈电负载4的大小。各部分的具体作用介绍如下：

电源变换器1用于将动力交流电整形之后输出直流电并在主回路形成电流。所述电源变换器1包括有相位传感器电路、整流控制电路和整流电路。具体实施中，输入交流三相电源，输出直流电源，电源的最大功率为375KW。三相交流电压经过一个三相桥式全控整流电路输入到升压斩波电路中，因此在输出端可得到一个高电压的直流电源。

所述整流控制电路包括PWM整流输出、缺相报警、过流报警和过压报警电路。

所述主回路电流检测装置2为电流传感器，它设置在主回路上用于测量主回路电流大小、将电流信号变换为电压信号并将其输入到馈电负载控制器。所述主回路电流检测装置2安装于模拟蓄电池主回路所有负载的后端，感知整个回路的实时电流。实施例中主回路电流检测装置2选用霍尔电流传感器，它对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长，其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。

馈电负载控制器3的作用是根据反馈电压大小来调节馈电负载的大小。所述馈电负载控制器3包括依次连接的信号放大电路、信号处理电路和驱动信号输出电路；信号放大电路为差分双模放大电路（差分信号放大芯片），作为一个实施例选用AD623，信号放大电路用于将主回路电流检测装置2输出信号整形放大。信号处理电路由若干个光柱驱动芯片串联而成，进行负载自动调节，每一个光柱驱动芯片的输出端口通过驱动信号输出电路（驱动信号输出电路为开漏输出）与馈电负载4连接。作为一个实施例，本发明的信号处理电路为五片光柱驱动芯片，光柱驱动芯片的型号为LM3914，这五片光柱驱动芯片通过级联的方式可达到100点以上的输出点，每一点驱动一个IGBT，输出分辨率为0.125V。

馈电负载4并联在主回路上用于分担主回路的电流和增大功率，保证电压恒定。馈电负载4包括多个IGBT驱动电路和对应的电子负载，驱动信号输出电路与IGBT驱动电路连接。所述IGBT驱动电路响应时间小于10ms。馈电负载4能够对电机控制器产生的各种形式的电能（脉冲、恒压等）进行消耗，在设定馈电电压下能自动调整馈电负载使控制器输出复杂的环境中连续电压稳定在设定的馈电电压上。

当主回路上的电压一定的情况下回流电流逐渐变大时，馈电负载控制器3的驱动信号输出电路就会根据信号的大小输出若干个IGBT驱动信号。在馈电负载控制器3中，驱动信号输出电路每输出一个IGBT驱动信号，需要整形后的信号变化大于0.125V（大于最小分辨率），整形后的电压信号与主回路电流检测装置2的输出信号有着确定的比例关系。当馈电负载控制器装置3于主回路电流变大而输出一个IGBT驱动信号后，馈电负载4就导通一个IGBT，导通的IGBT通过发光二极管进行指示，这样就会有一个额定功率的负载加载到主回路中分流主回路电流，这样虽然主回路中电流变大，但是电压还是保持一致。随着信号的增加逐次快速地导通以下的IGBT。反之，当主回路电流减小的时候，馈电负载控制器3将关断一个输出，使馈电负载4自动卸载，这样虽然主回路电流减小，但是回路的电压还是保持不变。

图2是主回路电流检测装置2、馈电负载控制器3和馈电负载4的连接关系图，并且进一步细化地表述了馈电负载控制器的内部结构。

图3为馈电负载控制器3的整形电路和输出电路一个实施例。

本发明的创新点可以集中归纳为：

1、本设计在精度控制上主要是配置好恒压控制时运放的PID控制器件参数，能够很快并稳定到所需的控制电压，不至于使输出电压振荡或调节的时间过长。在电压控制精度上根据设计所选用的元器件在四个方面得到控制：

源效应：≤0.3%额定值（由于输入源电压变化-10%到+10%时引起的输出电压变化率）；

负载效应≤1%额定值（其空载与满载时输出电压的变化量）。

源效应和负载效应是通过闭环反馈进行调节，当其电压有微小的变化时，都可以通过传感器采集信号反馈到输入电压进行再调节。

时漂：≤1%额定值（由于电源连续工作时间大于8小时引起的输出电压变化率）；

温漂：≤0.04%额定值/℃（在电源使用环境温度范围内，由环境温度变化引起的输出电压变化率）；

本设计在时漂上采用恒压控制板进行控制，由于连续工作输出电压会引起变化，若用恒压控制板则能有效减小输出电压变化率，从而控制其输出电压，而设计中选用的导线较粗，变压器的功率较大以及风机抽风散热则有效抑制了机柜内温度的升高从而控制温漂现象。

纹波电压≤0.5%额定值（输出直流电压中含有的工频交流成分）。

对于纹波电压的控制本设计采用三相全波整流电路；加大滤波电路中电容容量；使用了效果好的稳定电路；进行合理布线这四个方法。

2、电源部分及负载部分都进行了抗干扰能力的设计，保证了电源输出电压不受干扰的影响稳定输出，负载部分能在干扰复杂的环境中（电磁干扰、振动干扰等）连续稳定运行。设计中信号导线采用屏蔽及屏蔽双绞导线，衰减外围电磁波干扰，而各屏蔽层按照电气原理及规范合理接地也有效的减少了外界对设计的干扰。

3、负载处理部分本设计选用硬件进行控制，相较于之前用单片机程序进行控制速度更快。在之前用软件进行控制中，需要通过传感器采集信号到上位机进行通信，将采集到的信号传入AD芯片中进行转换，然后再传入单片机中进行处理。本设计选用LM3914光柱驱动芯片及IGBT进行控制，从电源出来模拟信号 从LM3914的第5脚（输入端）进入，经输入缓冲器放大后，送至10级电压比较器的反相输出端，当电压信号大于LM3914的最小分辨率时，导通第一个IGBT，随着信号的增加逐次快速的导通以下的IGBT，导通的IGBT通过发光二极管进行指示，导通的IGBT相当于自动加上负载起到分流的作用；若发光二极管熄灭则表示IGBT关断。用软件进行控制会造成时间上的滞后，而如果改用硬件进行控制，IGBT自动进行切换就大大减少滞后时间，因而使得负载处理的速度较快。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种模拟蓄电池直流电源，包括电源变换器（1）、主回路电流检测装置（2）、馈电负载控制器（3）和馈电负载（4），所述电源变换器（1）将交流电整形之后输出直流电，主回路电流检测装置（2）设置在主回路上用于测量主回路电流大小并将得到的电压信号输入馈电负载控制器（3），馈电负载（4）并联在主回路上，馈电负载控制器（3）根据反馈电压大小来调节馈电负载（4）的大小；其特征在于：所述馈电负载控制器（3）包括依次连接的信号放大电路、信号处理电路和信号输出驱动电路；所述信号放大电路为差分双模放大电路，用于将主回路电流检测装置（2）输出信号整形放大；所述信号处理电路由若干个发光二极管驱动芯片串联而成，每一个发光二极管驱动芯片的输出端口通过信号输出驱动电路与馈电负载（4）连接。

2.根据权利要求1所述的模拟蓄电池直流电源，其特征在于：所述馈电负载（4）包括IGBT驱动电路和电子负载，IGBT驱动电路与信号输出驱动电路连接。

3.根据权利要求2所述的模拟蓄电池直流电源，其特征在于：所述IGBT驱动电路响应时间小于10ms。

4.根据权利要求3所述的模拟蓄电池直流电源，其特征在于：所述主回路电流检测装置（2）安装于模拟蓄电池主回路馈电负载（4）的后端。

5.根据权利要求4所述的模拟蓄电池直流电源，其特征在于：所述主回路电流检测装置（2）采用霍尔电流传感器。

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