CN102386668A - 蓄电池模拟供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄电池模拟供电装置，包括高频开关整流器和中央控制器；中央控制器包括整流模块均压/均流控制电路、输出电压/电流闭环控制电路、模拟信号转换电路、RS232/485通信转换电路、CAN总线通信转换电路、微处理器信号调理电路、信号模拟运算电路和显示电路；高频开关整流器与整流模块均压/均流控制电路连接，整流模块均压/均流控制电路与输出电压/电流闭环控制电路连接，输出电压/电流闭环控制电路与信号模拟运算电路连接；信号模拟运算电路分别与模拟信号转换电路、微处理器信号调理电路和显示电路连接；微处理器信号调理电路分别与RS232/485通信转换电路和CAN总线通信转换电路连接。本发明使用方便，测试数据一致性和重复性好。

Description

蓄电池模拟供电装置

[技术领域]

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种用于车用电器测试用的蓄电池模拟供电装置。

[背景技术]

作为机动运输车辆，涉及驾驶者、乘员、道路车辆和行人的安全，内燃汽车、新能源汽车(混合动力和纯电动)、电动搬运车辆等的运行安全和可靠性极为重要，这需要对车载零部件，包括车载电机、电磁开关、驱动电控、电池组、电池管理系统BMS等汽车电器，进行严格的生产质量监测和控制，需要对电器零部件做全面、深入和系统的电气指标性能的测试、试验和老化。

作为一种电化学电源，铅酸电池、锂电池、镍镉电池、镍氢电池、超级电容等车载电池组，由于固有的电化学特性，其新旧程度、电压和容量大小、制造厂家、充放电深度、环境温度等因素影响，电池组呈现的端电压、供电电流、实际内阻、持续供电能力等参数离散性较大。直接用电池用于测试，即使辅助计算机做测试数据记录，由于供电条件的时变性，测试数据重复性差、前后数据无法比对。测试工作量大、效率低。

目前已有采用直流电源做模拟测试，当前电池模拟技术状况是：

1)采用可控硅工频整流电源，系统响应速度慢，不能很好适应高速运转的汽车电机测试需要，数据采集和运算失真度大；

2)借助计算机系统做模拟测试的，未能实现手动和通信两种方式的兼容设定和显示，尤其是未能实现内阻模式、恒功率模式的全硬件化直接设定和数字化显示，测试不方便、显示不直观，在恒内阻、恒功率模拟运转时，均基于软件方式做数据采集和运算，时滞性较大、抗干扰性差、运算误差比较大；

3)采用计算机通信方式、辅助电池模拟测试，现有装置中没有同时采用上位机RS232/485和驱动电控/电池管理系统BMS的CAN总线通信的两种数据设定、采集和传输方式；

4)现有的电池模拟测试装置，仅采用恒压恒流控制方式，技术上均未同时实现恒电压U、恒电流I、恒功率P(P＝U×I)、恒内阻R(U＝U₀-I×R、R＝ΔU/ΔI)和仿真模式等五种输出模式，不能全面满足测试和试验的需要。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种蓄电池模拟供电装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，蓄电池模拟供电装置，包括高频开关整流器和中央控制器；中央控制器包括整流模块均压/均流控制电路、输出电压/电流闭环控制电路、模拟信号转换电路、RS232/485通信转换电路、CAN总线通信转换电路、微处理器信号调理电路、信号模拟运算电路和显示电路；高频开关整流器与整流模块均压/均流控制电路连接，整流模块均压/均流控制电路与输出电压/电流闭环控制电路连接，输出电压/电流闭环控制电路与信号模拟运算电路连接；信号模拟运算电路分别与模拟信号转换电路、微处理器信号调理电路以及显示电路连接；微处理器信号调理电路分别与RS232/485通信转换电路和CAN总线通信转换电路连接。

作为优选，高频开关整流器由1个或复数个并联的高频开关整流模块组成，各个高频开关整流模块分别与整流模块均压/均流控制电路连接。

作为优选，输出电压/电流闭环控制电路和整流模块均压/均流控制电路，将输出电压或电流闭环反馈控制形成的综合信号，通过多路隔离光耦分配成多路的电压/电流给定信号，分别送至各个高频开关整流模块。

作为优选，信号模拟运算电路包括第1模拟乘法器、第2模拟乘法器和第1运算放大器、第2运算放大器、第3运算放大器和第4运算放大器；所述第1模拟乘法器的输出端与第1运算放大器反相输入端连接，第1运算放大器接成反相放大电路，第1运算放大器的输出端通过电阻与第2运算放大器正相输入端连接，第2运算放大器接成同相放大电路，第3运算放大器与第2模拟乘法器构成除法运算电路，第3运算放大器的输出端通过电阻连接到第4运算放大器反相输入端，第4运算放大器接成反相放大电路，第4运算放大器输出端经过二极管负极到正极，再经过开关或继电器无源触点连接到第2运算放大器的输出端。

作为优选，高频开关整流器输入端与交流市电连接；输出端为直流输出。

作为优选，直流输出包括恒电压、恒电流、恒功率、恒内阻和仿真模式输出。

作为优选，模拟信号转换电路的输入端包括两路输入，其中一路与手动设定信号输入端连接；另一路与可编程控制器PLC设定信号的输入端连接。

作为优选，手动设定信号包括恒电压、恒电流、恒功率和恒内阻，其中恒电压、恒电流、恒功率、恒内阻均可单独设定。

作为优选，可编程控制器PLC设定信号包括恒电压、恒电流、恒功率和恒内阻，其中恒电压、恒电流、恒功率、恒内阻均可单独设定。

作为优选，RS232/485通信转换电路用于与上位机连接；所述CAN总线通信转换电路用于与汽车驱动电控或电池管理系统BMS连接。

本发明的五种输出模式的解释如下：

所谓恒压输出模式，即内阻为零，电池模拟电源的输出电压不随输出电流大小而变化，直至输出电流达到上限保护值，输出电压才下降，以保护模拟电源和连接负载。

所谓恒流输出模式，即电池模拟电源的输出电流不随输出电压大小而变化，直至输出电压达到上限保护值，输出电流才下降，以保护模拟电源和连接负载。

所谓恒内阻输出模式，U＝U₀-I×R、R＝ΔU/ΔI，即根据输出电流大小，电池模拟电源不断实时调整输出电压大小，从而实现恒内阻输出，直至输出电流达到上限保护值。

所谓恒功率输出模式，P＝U×I，即电池模拟电源先运行于恒压或恒内阻模式，随着输出电流的增大，输出功率不断增加，当达到设定功率时，依据公式P＝U×I约束关系，根据输出电流大小，不断实时调整输出电压大小，从而实现恒功率输出，直至输出电流达到上限保护值。

所谓仿真输出模式，即模拟负载在不断变化中。本质上是电池模拟电源动态运行于恒内阻输出模式，事先通过计算机连续地设定不同的电压和内阻值，形成一个拟合曲线，将此拟合曲线信号送给电池模拟电源，做仿真输出模式的相应控制。

图2为上述模拟电源的五种输出模式的输出特性图，其中，直线U₃-A-B为恒压模式，直线I₂-F-D-C-B为恒流模式，直线U₃-D为恒内阻模式，曲线A-C为恒功率模式，曲线U₃-E-F为仿真模式。

本发明的有益效果是：

1、采用全硬件模拟电路的信号模拟运算电路仅接收外部设定信号，并进行加、减、乘、除、反向、比例合成运算。较之计算机通过软件方式同时做参数设定和合成运算，系统响应速度快、精度高、抗干扰能力强。

2、恒电压、恒电流、恒功率和恒内阻设定信号，通过手动或通信方式，四个参数均可独立、同时、直接设定，并可数字化直接显示。无需通过运算、或间接设定和显示。

3、可实现恒电压、恒电流、恒功率、恒内阻和仿真模式输出等五种模拟状态输出，以满足测试和试验需要。

4、在接受上位机RS232/485等通信方式设定参数同时，可将运行数据、使能、关键节点状态量通过CAN总线向汽车驱动电控或电池管理系统BMS发送。通过计算机，实现测试过程自动化，测试快速高效、数据传输和存储调用便利。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明蓄电池模拟供电装置实施例的结构示意图。

图2是本发明蓄电池模拟供电装置实施例的模拟电源输出特性图。

图3是本发明蓄电池模拟供电装置实施例的信号模拟运算电路原理图。

图4是本发明蓄电池模拟供电装置实施例的输出电压闭环及整流模块均流控制电路原理图。

图5是本发明蓄电池模拟供电装置实施例的输出电流闭环及整流模块均压控制电路原理图。

[具体实施方式]

实施例1：

本实施例为0-120V/1000A电动车电池模拟供电装置，主要用于电动车辆电机与驱动电控测试。

如图1所示，电池模拟供电装置由高频开关整流器和中央控制器组成，高频开关整流器由4个0-120V/250A高频开关整流模块并联组成，输入电源采用三相四线制380VAC/50HZ供电。

信号设定包括手动方式和自动设定方式。

设定信号为：手动/自动运行切换、恒压/恒流/恒内阻/恒功率转换、输出电压设定信号(0-5V对应输出电压0-120V)、输出电流设定信号(0-5V对应输出电流0-1000A)、模拟内阻设定信号(0-5V对应输出内阻0-150毫欧)、输出功率设定信号(0-5V对应输出功率0-50KW)。为方便计算机做信号调理，所有设定信号均为0-5V对应整流模块输出最大值(电压/电流/内阻/功率)。

手动方式为面板电位器和开关设定，即将一个基准直流电压通过电阻和电位器串联分压形成0-5V范围可变电压，分别对应输出电压0-120V、输出电流0-1000A、输出内阻0-150毫欧、输出功率0-50KW的设定；通过电阻和开关串联分压形成0V/5V切换电平信号，分别对应手动/自动运行切换、恒压、恒流、恒内阻、恒功率转换设定。

微处理器调理电路，一方面将RS232/485通信电路输出的各种设定信号，包括输出电流、电压、功率、内阻设定值、开机/关机控制、手动/自动转换、恒压/恒流/恒功率/恒内阻模式切换信号，经高低电平识别、设定类型识别、设定正确与否判断、数模D/A转换等，处理成0-5V模拟量、0/5V开关量信号，再送至信号模拟运算电路。另一方面将来自信号模拟运算电路的模拟量、开关量信号，包括实际输出电压、电流、功率值、ON/OFF使能信号，经过模数A/D转换、处理后，再送至CAN总线通信电路。

自动设定方式为上位计算机依据RS485通信协议模式设定，设定信号同上，各路通信设定信号通过微处理器调理电路，数/模转换为0-5V模拟信号、0V/5V切换电平信号，分别对应输出电压0-120V、输出电流0-1000A、输出内阻0-150毫欧、输出功率0-50KW的设定；手动/自动运行切换、恒压、恒流、恒内阻、恒功率转换设定。

电池模拟电源实际带载运行中，微处理器调理电路通过CAN总线通信电路连接电动车电机和驱动电控，按照CAN总线通信协议要求，向外传送电压、电流、功率等运行数据信号。

信号模拟运算电路，接收来自模拟信号转换电路和微处理器调理电路的设定/反馈信号、经“加、减、乘、除、反向、比例”电路合成运算，送至输出电压/电流闭环控制电路及整流模块均流/均压控制电路，通过隔离光耦TLP521处理成4路整流模块的ON/OFF使能控制、电压/电流动态给定信号，同时送达4个高频开关整流模块、并联控制输出，满足电动车电机和驱动电控等模拟测试需要。其中微处理器调理电路包括ADUC812单片机。

需要做恒内阻模式(包括恒压模式、内阻为零)输出时，开关或继电器无源触点K1断开，在图3中，信号模拟运算电路主要由乘法器N1、N5、集成运算放大器N2、N3、N4等组成。乘法器N1将内阻设定值Rg、整流器输出电流反馈值If进行乘法运算为Rg×If，经过运算放大器N2反向比例运算为-Rg×If，再送到运算放大器N3，与输出电压初始设定值Ug，做信号合成加减运算，合成给定信号Z＝Ug-If×Rg输出，作为开关整流器输出控制信号Vg，送至输出电压闭环及整流模块均流控制电路。通过动态控制整流模块的逆变开关管IGBT(绝缘栅双极性晶体管)或MOSFET(场效应管)的PWM脉宽调制的工作占空比大小，按照恒内阻约束关系(U＝U₀-I×R、R＝ΔU/ΔI)，在实际输出电流下对应输出电压，从而满足恒内阻模拟特性输出的测试需要。

需要做恒功率模式输出时，受控无源节点K1接通，由乘法器N5、运算放大器N4等组成的除法运算信号，将输出功率设定信号Pg和输出电流反馈信号If运算为对应恒功率输出所需的控制信号Y＝-10×Pg/If，再送到运算放大器N6，做反向比例运算为W＝Pg/If，经二极管D1、受控无源节点K1，再次与运算放大器N3输出信号Z＝Ug-If×Rg合成。

当输出功率(P＝U×I)远小于设定值时，信号值W＝Pg/If较大，输出电压控制信号Vg受控于恒内阻(恒压)运算关系(U＝U₀-I×R、R＝ΔU/ΔI)的输出信号Z＝Ug-If×Rg，模拟电源先运行于恒内阻(恒压)模式；当输出功率(P＝U×I)达到设定值时，输出电压控制信号Vg大小将按照W＝Pg/If约束关系，随着输出电流增大，对应降低输出电压控制信号Vg，送至输出电压闭环及整流模块均流控制电路，从而实现模拟电源运行于恒功率模式，直至输出电流达到最大限定值。

图4是输出电压闭环及整流模块均流控制电路，是基于输出电压的闭环负反馈自动控制原理。其主要工作机理如下：来自面板电位器、PLC的模拟量输出信号、以及计算机通信信号之一者，分别经模拟转换电路和微处理器调理电路，并经过信号模拟运算电路，变换为0-5V输出电压设定信号Vg，送至控制电路的运算放大器N7正端，高频开关整流器实际输出电压Vf经阻容网络分压送至运算放大器N7负端，通过运算放大器N7的PID参数校正输出，送至光耦N8分配成4路均流控制信号Ig1、Ig2、Ig3和Ig4，送达4个整流模块作为输出电流动态给定信号。各整流模块是基于PWM脉宽调制、占空度开关状态工作的高频开关整流电源。各整流模块将均流给定信号与自身输出电流反馈信号进行实时、动态、快速比较，再控制整流模块进行占空度调节，从而达到与其他模块间动态均流，实现整流模块并联、大功率输出。输出电压闭环及整流模块均流控制电路，实际上是多个整流模块的一个外部集中控制器，因此在技术本质上，属于强迫式均流控制方式。

图5是输出电流闭环及整流模块均压控制电路，是基于输出电流的闭环负反馈自动控制原理，其工作机理类同上述的输出电压闭环及整流模块均流控制电路。

当模拟电源运行于恒流输出时，经信号模拟运算电路输出的0-5V输出电流设定信号Ig，送至控制电路的运算放大器N9正端，高频开关整流器实际输出电流If经阻容网络分压送至运算放大器N9负端，通过运算放大器N9的PID参数校正输出，送至光耦N10分配成4路均流控制信号Vg1、Vg2、Vg 3和Vg4，送达4个整流模块作为输出电压动态给定信号。各整流模块是基于PWM脉宽调制、占空度开关状态工作的高频开关整流电源。各整流模块将均压给定信号与自身输出电压反馈信号进行实时、动态、快速比较，再控制整流模块进行占空度调节，从而达到与其他模块间动态均压，实现整流模块并联、大功率输出。输出电流闭环及整流模块均压控制电路，实际上是多个整流模块的一个外部集中控制器，因此在技术本质上，属于强迫式均压控制方式。

实施例2：

本实施例为0-15V/300A内燃汽车电池模拟供电装置，主要用于启动电机和电磁开关等汽车电器零部件测试。

本实施例由高频开关整流器和中央控制器组成，高频开关整流器只使用了1个0-15V/400A高频开关整流模块，输入电源采用单相220VAC/50HZ供电。

信号设定为PLC和通信设定方式，PLC方式为可编程控制器输出0-5V模拟/开关量设定，通信方式为上位计算机依据RS232通信协议模式设定，设定信号为：PLC/通信方式切换、恒压/恒流/恒内阻/恒功率转换、电压设定信号(0-5V对应输出电压0-15V)、电流设定信号(0-5V对应输出电流0-300A)、内阻设定信号(0-5V对应输出内阻0-30毫欧)、功率设定信号(0-5V对应输出功率0-3KW)。

信号模拟运算电路，来自面板电位器、PLC的模拟量输出信号、以及计算机通信设定信号，包括电压U/电流I/功率P/内阻R各设定信号，分别经模拟转换电路和微处理器调理电路，变换为0-5V标准设定信号，经“加、减、乘、除、反向、比例”电路合成运算，送至输出电压/电流闭环控制电路、整流模块均流/均压控制电路，通过隔离光耦TLP521处理成1路ON/OFF使能控制、电压/电流动态给定信号，送达高频开关整流模块控制输出，满足汽车电机等模拟测试需要。

实施例3：

本实施例为0-400V/500A电动汽车电池模拟供电装置，主要用于电动汽车驱动电机与电控、电池管理系统BMS测试。

本实施例由高频开关整流器和中央控制器组成，其中高频开关整流器由10个0-400V/50A高频开关整流模块并联组成，输入电源采用三相四线制380VAC/50HZ供电。

信号设定为手动和自动设定方式，手动方式为面板电位器和开关设定，自动方式为上位计算机依据RS232通信协议模式设定，通过CAN总线连接电池管理系统BMS、驱动电控和电机、传送电压、电流、功率等运行数据信号，设定信号为：手动/自动运行切换、恒压/恒流/恒内阻/恒功率转换、电压设定信号(0-5V对应输出电压0-400V)、电流设定信号(0-5V对应输出电流0-500A)、内阻设定信号(0-5V对应输出内阻0-200毫欧)、功率设定信号(0-5V对应输出功率0-100KW)。

信号模拟运算电路，接收来自模拟信号转换和经ADUC812微处理器调理电路的设定/反馈信号、经“加、减、乘、除、反向、比例”电路合成运算，送至输出电压/电流闭环控制电路、整流模块均流/均压控制电路，通过隔离光耦TLP521处理成10路ON/OFF使能控制、电压/电流动态给定信号，同时送达10个高频开关整流模块、并联控制输出，满足电动汽车驱动电控和电机、电池管理系统BMS等模拟测试需要。

以上内容仅仅是对本发明如何实施所作的举例和说明，而不是限制本发明的保护范围，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.蓄电池模拟供电装置，其特征在于，包括高频开关整流器和中央控制器；所述中央控制器包括整流模块均压/均流控制电路、输出电压/电流闭环控制电路、模拟信号转换电路、RS232/485通信转换电路、CAN总线通信转换电路、微处理器信号调理电路、信号模拟运算电路和显示电路；所述的高频开关整流器与整流模块均压/均流控制电路连接，整流模块均压/均流控制电路与输出电压/电流闭环控制电路连接，输出电压/电流闭环控制电路与信号模拟运算电路连接；信号模拟运算电路分别与模拟信号转换电路、微处理器信号调理电路以及显示电路连接；所述微处理器信号调理电路分别与RS232/485通信转换电路和CAN总线通信转换电路连接。

2.根据权利要求1所述的蓄电池模拟供电装置，其特征在于，所述高频开关整流器由1个或复数个并联的高频开关整流模块组成，各个高频开关整流模块分别与整流模块均压/均流控制电路连接。

3.根据权利要求1所述的蓄电池模拟供电装置，其特征在于，所述的输出电压/电流闭环控制电路和整流模块均压/均流控制电路，将输出电压或电流闭环反馈控制形成的综合信号，通过多路隔离光耦分配成多路的电压/电流给定信号，分别送至各个高频开关整流模块。

4.根据权利要求1所述的蓄电池模拟供电装置，其特征在于，所述的信号模拟运算电路包括第1模拟乘法器、第2模拟乘法器和第1运算放大器、第2运算放大器、第3运算放大器和第4运算放大器；所述第1模拟乘法器的输出端与第1运算放大器反相输入端连接，第1运算放大器接成反相放大电路，第1运算放大器的输出端通过电阻与第2运算放大器正相输入端连接，第2运算放大器接成同相放大电路，第3运算放大器与第2模拟乘法器构成除法运算电路，第3运算放大器的输出端通过电阻连接到第4运算放大器反相输入端，第4运算放大器接成反相放大电路，第4运算放大器输出端经过二极管负极到正极，再经过开关或继电器无源触点连接到第2运算放大器的输出端。

5.根据权利要求1所述的蓄电池模拟供电装置，其特征在于，所述高频开关整流器输入端与交流市电连接；输出端为直流输出。

6.根据权利要求5所述的蓄电池模拟供电装置，其特征在于，所述的直流输出包括恒电压、恒电流、恒功率、恒内阻和仿真模式输出。

7.根据权利要求1所述的蓄电池模拟供电装置，其特征在于，所述模拟信号转换电路的输入端包括两路输入，其中一路与手动设定信号输入端连接；另一路与可编程控制器PLC设定信号的输入端连接。

8.根据权利要求7所述的蓄电池模拟供电装置，其特征在于，所述的手动设定信号包括恒电压、恒电流、恒功率和恒内阻，其中所述的恒电压、恒电流、恒功率、恒内阻均可单独设定。

9.根据权利要求7所述的蓄电池模拟供电装置，其特征在于，所述的可编程控制器PLC设定信号包括恒电压、恒电流、恒功率和恒内阻，其中所述的恒电压、恒电流、恒功率、恒内阻均可单独设定。

10.根据权利要求1所述的蓄电池模拟供电装置，其特征在于，所述的RS232/485通信转换电路用于与上位机连接；所述CAN总线通信转换电路用于与汽车驱动电控或电池管理系统BMS连接。

Images