CN107493092B - 大脉冲电流发生装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大脉冲电流发生装置及其控制方法，包括主电源交流接触器、调压器、升压变压器、整流桥、滤波电容、交流接触器、电压表、储能电容、自动控制器、电子开关、采样电阻；主电源交流接触器输入端与电网连接获得电能。本发明为电流互感器标定提供标准脉冲源，对提高电池管理系统剩余容量的精确计量具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车电池管理系统领域，具体涉及一种大脉冲电流发生装置及其控制方法。
背景技术
电池管理系统通过检测电池的电压、充放电电流和电池组温度来估测电池的剩余容量(SOC)，控制电池充放电均衡，并对电池组进行热控制管理和与车载监控系统、充电机进行CAN通讯，实现协调控制和优化充电，保障电池安全和延长电池寿命。在电池管理系统众多功能中，以剩余容量估计、均衡控制和热控制管理最为核心。电池剩余容量是判断电池“过充”和“过放”等一系列故障的基础，它的确定是电池管理系统的重点，同时由于混合动力在电池使用过程中存在双向电流流向，整流逆变电路会产生丰富的谐波电流，即在电池使用过程中存在往复充放电，且存在窄脉冲电流，这样给传统的SOC计量带来困难，要求电流互感器必须可以测量窄脉冲电流，为了实现精确剩余容量SOC的估算必须要解决混合动力电池电流往复波动和窄脉冲电流的准确计量问题，而目前市场上提供的电流互感器是否满足可以测量高速脉冲电流，由于缺少标准脉冲电流源无法对电流互感器进行标定和检验，若电流互感器不能对脉冲电流进行快速捕捉和检测，在进行电池剩余容量估算时势必会造成脉冲电流的测漏，使电池剩余容量估算产生很大的误差，原因是目前剩余容量的估算基本都是采用电流积分法进行估算的，若电流测量不准确，则积分出的剩余容量也不准确，为了提高电动汽车剩余容量的估算精度，电动汽车生产厂家选用的电流互感器必须满足电流快速响应的测量要求，而目前市场上的电流发生装置不具备产生可变的快速脉冲电流的功能，基本局限于固定电流的产生，无法作为快速响应的电流互感器校准时使用的标准脉冲源，为此本发明提出一种大脉冲电流发生装置及其控制方法，利用储能电容、低阻回路连接导线和电子开关瞬间放电产生大电流，为电流互感器标定提供标准脉冲源，对提高电池管理系统剩余容量的精确计量具有重要意义。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种大脉冲电流发生装置及其控制方法，解决了电流互感器对快速脉冲电流测量精度的标定问题，从而提高电池管理系统电池剩余容量的估算精度。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种大脉冲电流发生装置，其特征在于，包括主电源交流接触器、调压器、升压变压器、整流桥、滤波电容、交流接触器、电压表、储能电容、自动控制器、电子开关、采样电阻；主电源交流接触器输入端与电网连接获得电能；主电源交流接触器的输出端与调压器输入端连接；调压器输出端与升压变压器的输入端连接；升压变压器的输出端与整流桥的输入端连接；整流桥的输出端并联在滤波电容两端后与交流接触器输入端两个触点连接；交流接触器的输出端两个触点与储能电容两端连接，电压表并联在储能电容两端，用于测量储能电容两端电压，电子开关、采样电阻采用回路连接导线串联连接在一起，然后并联在储能电容两端；自动控制器输出端分别与主电源交流接触器、调压器、交流接触器和电子开关的控制端连接；电压表信号输出端与自动控制器电压采集端连接。
前述的一种大脉冲电流发生装置，其特征是：所述自动控制器包括电压采集电路、调压器控制电路、交流接触器控制电路、通信接口、微处理器、触摸屏、电子开关驱动电路、电源；
所述电压采集电路输入端连接电压表信号输出端，电压采集接口输出端与微处理器的A/D口连接；所述通信接口与微处理器的通信接口连接；所述电源与微处理器的电源端连接；
调压器控制电路、交流接触器控制电路和电子开关驱动电路的输入端分别与微处理器的I/O口连接；调压器控制电路输出端与调压器的控制端连接；交流接触器控制电路的输出端与交流接触器线圈连接；电子开关驱动电路的输出端与电子开关的触发端连接；
前述的一种大脉冲电流发生装置，其特征是：所述微处理器可以用STM32单片机。
前述的一种大脉冲电流发生装置，其特征是：所述调压器控制电路为5-10组12V中间继电器，用于控制所述调压器输入端抽头；所述交流接触器控制电路为1组12V中间继电器，用于控制所述交流接触器的开、断；所述电子开关驱动电路采用高速光耦6N137，用于控制电子开关通断。
前述的一种大脉冲电流发生装置，其特征是：所述交流接触器用于控制储能电容与前端滤波电容之间的回路，充电时交流接触器闭合给储能电容充电，放电时将储能电容与前端滤波电容之间的回路断开。
前述的一种大脉冲电流发生装置，其特征是：所述储能电容用于放电脉冲电源，电容大小为0.1-1000μF。
前述的一种大脉冲电流发生装置，其特征是：所述调压器为输入端带有5-10个抽头的自耦变压器，通过自动控制器控制输入抽头连接位置调节调压器输出电压，由调压器控制升压变压器电压的输出，升压变压器限制最高输出电压300V。
前述的一种大脉冲电流发生装置，其特征是：所述滤波电容为容量10-470μF，耐压300V的电容。
前述的一种大脉冲电流发生装置，其特征是：所述回路连接导线采用多芯导线或母排，回路连接导线电阻范围为0.1-1Ω；电子开关采用响应速度高于1μS的绝缘栅双极型晶体管IGBT或场效应管，额定电流大于300A，耐压为30-300V；采样电阻为高精密电阻，阻值40μΩ。
一种大脉冲电流发生装置控制方法，其特征是：包括步骤：
1)使用时，将被测电流互感器串接到采样电阻和电子开关回路中；
2)工作时自动控制器启动主电源交流接触器接通电网，同时交流接触器也接通，给调压器提供输入电压，通过触摸屏设定升压变压器输出电压，自动控制器控制调压器抽头调节输出电压，调压器不同的抽头位置产生不同的输出电压给升压变压器，当升压变压器输出电压达到设定值后即可断开交流接触器；
3)在触摸屏上点击测试按钮，储能电容与滤波电容之间断开，微处理器发出脉宽1-5μS脉冲给电子开关驱动电路，电子开关驱动电路控制电子开关瞬间通断，在回路连接导线回路中产生大于或等于100A/1μS的单个脉冲电流或多个脉冲电流群，为被测电流互感器提供快速响应测试提供标准脉冲测试源。
本发明所达到的有益效果：
(1)本发明利用储能电容、低阻回路连接导线和电子开关瞬间放电产生大电流，为电流互感器标定提供标准脉冲源，对提高电池管理系统剩余容量的精确计量具有重要意义；
(2)自动控制器发出脉宽1-5μS脉冲给电子开关驱动电路控制电子开关瞬间闭合，脉宽宽度1-5μS可以设定，在回路连接导线回路中就可产生≥100A/1μS单个脉冲电流或多个脉冲电流群，为被测电流互感器提供快速响应测试提供标准脉冲测试源；
(4)脉冲电流大小和脉冲周期可以需要任意设定，尤其是可以产生任意大小和任意周期高速脉冲电流及脉冲电流群，满足任何场合下对高精密电流互感器、短路故障指示器等响应时间和响应电流大小标定试验时的需要。
附图说明
图1为大脉冲电流发生装置原理结构示意图；
图2为自动控制器原理结构图；
图3是单个脉冲电流-时间图；
图4是多个脉冲电流群电流-时间图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如附图1所示，一种大脉冲电流发生装置，包括主电源交流接触器、调压器、升压变压器、整流桥、滤波电容、交流接触器、电压表、储能电容、自动控制器、电子开关、采样电阻；主电源交流接触器输入端与电网连接获得电能；主电源交流接触器的输出端与调压器输入端连接；调压器输出端与升压变压器的输入端连接；升压变压器的输出端与整流桥的输入端连接；整流桥的输出端并联在滤波电容两端后与交流接触器输入端两个触点连接；交流接触器的输出端两个触点与储能电容两端连接，电压表并联在储能电容两端，用于测量储能电容两端电压，电子开关、采样电阻采用回路连接导线串联连接在一起，然后并联在储能电容两端，储能电容相当于电源；自动控制器三个输出端分别与主电源交流接触器、调压器、交流接触器和电子开关的控制端连接；电压表信号输出端与自动控制器电压采集端连接。
主电源交流接触器用于控制总工作电源；
交流接触器用于控制储能电容与前端滤波电容之间的回路，充电时交流接触器闭合给储能电容充电，放电时将储能电容与前端滤波电容之间的回路断开；电压表用于测量储能电容两端的电压；储能电容用于放电脉冲电源，电容大小为0.1-1000μF，根据实际情况调整，若需要充电速度快些储能电容选取小些，若需要充电速度慢些储能电容选取大些。
调压器为输入端带有5-10个抽头的自耦变压器，通过自动控制器控制输入抽头连接位置调节调压器输出电压，由调压器控制升压变压器电压的输出，升压变压器限制最高输出电压300V。
滤波电容为容量10-470μF，耐压300V的电容。
回路连接导线采用多芯导线或母排，回路连接导线电阻范围在0.1-1Ω，根据实际储能电容电压和放电电流大小情况调整。
电子开关采用响应速度高于1μS的绝缘栅双极型晶体管IGBT或场效应管，额定电流大于300A，耐压为30-300V。
采样电阻为高精密电阻，阻值40μΩ。
如附图2所示，自动控制器包括电压采集电路、调压器控制电路、交流接触器控制电路、通信接口、微处理器、触摸屏、电子开关驱动电路、电源；电压采集电路输入端连接电压表信号输出端，电压采集接口输出端与微处理器的A/D口连接；
通信接口与微处理器的通信接口连接；
电源与微处理器的电源端连接，为微处理器提供电源；微处理器可以用STM32单片机。
调压器控制电路、交流接触器控制电路和电子开关驱动电路的输入端分别与微处理器的I/O口连接；调压器控制电路输出端与调压器的控制端连接；交流接触器控制电路的输出端与交流接触器线圈连接；电子开关驱动电路的输出端与电子开关的触发端连接；
调压器控制电路为5-10组12V中间继电器，控制调压器输入端抽头；
交流接触器控制电路为1组12V中间继电器，用于控制交流接触器的开、断。
本发明电子开关采用响应速度高于1μS，耐流值大于300A的绝缘栅双极型晶体管IGBT，因此对于晶体管IGBT驱动电路的设计要求较为严格，否则对系统的稳定性影响较大。电子开关驱动电路首先利用与非门芯片SN74HC00D进行信号隔离，再采用高压高速的半桥激励器IR2184S，其响应速度50ns，最后通过MOS管组成的半桥电路，来驱动晶体管IGBT。
电子开关驱动电路用于控制电子开关通断，利用电容电压不能突变，而电容电流可以突变的特性，使储能电容瞬间导通放电产生较大的突变的放电电流，放电电流大小取决于储能电容电压和回路导线电阻。
使用时，将被测电流互感器串接到采样电阻和电子开关回路中，工作时自动控制器启动主电源交流接触器接通电网，同时交流接触器也接通，给调压器提供输入电压，通过触摸屏设定升压变压器输出电压，自动控制器控制调压器抽头调节输出电压，调压器不同的抽头位置产生不同的输出电压给升压变压器，当升压变压器输出电压达到设定值后即可断开交流接触器，在触摸屏上点击测试按钮，储能电容与滤波电容之间断开，主要是为了防止储能电容瞬间放电时对滤波电容、整流桥产生冲击。微处理器发出脉宽1-5μS脉冲给电子开关驱动电路，电子开关驱动电路控制电子开关瞬间通断，在回路连接导线回路中产生大于或等于100A/1μS的单个脉冲电流或多个脉冲电流群，为被测电流互感器提供快速响应测试提供标准脉冲测试源。
测试时可以选择产生单个脉冲电流，也可以产生多个脉冲电流群，若是产生单个脉冲，储能电容和回路连接导线电阻可分别选择4.7μF和0.1Ω，储能电容电压调整到30V，电子开关控制脉宽宽度5μS，储能电容放电时间常数为0.47μS，这样在回路连接导线内就会产生1个300A脉冲电流，脉冲电流宽度为2.35μS，即产生127.6A/1μS的脉冲电流，具体过程是：首先在触摸屏上选择产生单个脉冲，微处理器给电子开关驱动电路发出一个脉冲信号给电子开关，脉冲宽度为5μS，这样IGBT瞬间导通，储能电容向串有采样电阻和电流互感器的回路放电，产生的放电电流脉冲波形如图3所示。
若是产生多个脉冲电流群，储能电容和回路连接导线电阻可分别选择1000μF和1Ω，储能电容电压调整到300V，自动控制器发出频率信号，频率可以任意设定，例如设定为0.25MHz，储能电容放电时间常数为1000μS，这样在回路连接导线内就会产生多个连续最大300A脉冲电流，脉冲电流宽度为2μS，即产生150A/1μS的脉冲电流，具体过程是：首先在触摸屏上选择产生多个脉冲群，微处理器给电子开关驱动电路发出一个周期脉冲信号给电子开关，脉冲周期为4μS，这样IGBT会出现连续瞬间周期性地导通，储能电容就会周期性地向串有采样电阻和电流互感器的回路放电，产生的放电电流脉冲群波形如图4所示。
因此，在回路连接导线回路中就可产生≥100A/1μS脉冲电流，为被测电流互感器提供快速响应测试提供标准脉冲测试源。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种大脉冲电流发生装置，其特征在于，包括主电源交流接触器、调压器、升压变压器、整流桥、滤波电容、交流接触器、电压表、储能电容、自动控制器、电子开关、采样电阻；主电源交流接触器输入端与电网连接获得电能；主电源交流接触器的输出端与调压器输入端连接；调压器输出端与升压变压器的输入端连接；升压变压器的输出端与整流桥的输入端连接；整流桥的输出端并联在滤波电容两端后与交流接触器输入端两个触点连接；交流接触器的输出端两个触点与储能电容两端连接，电压表并联在储能电容两端，用于测量储能电容两端电压，电子开关、采样电阻采用回路连接导线串联连接在一起，然后并联在储能电容两端；自动控制器输出端分别与主电源交流接触器、调压器、交流接触器和电子开关的控制端连接；电压表信号输出端与自动控制器电压采集端连接。
2.根据权利要求1所述的一种大脉冲电流发生装置，其特征是：所述自动控制器包括电压采集电路、调压器控制电路、交流接触器控制电路、通信接口、微处理器、触摸屏、电子开关驱动电路和电源；
所述电压采集电路输入端连接电压表信号输出端，电压采集接口输出端与微处理器的A/D口连接；所述通信接口与微处理器的通信接口连接；所述电源与微处理器的电源端连接；
调压器控制电路、交流接触器控制电路和电子开关驱动电路的输入端分别与微处理器的I/O口连接；调压器控制电路输出端与调压器的控制端连接；交流接触器控制电路的输出端与交流接触器线圈连接；电子开关驱动电路的输出端与电子开关的触发端连接。
3.根据权利要求2所述的一种大脉冲电流发生装置，其特征是：所述微处理器为STM32单片机。
4.根据权利要求2所述的一种大脉冲电流发生装置，其特征是：所述调压器控制电路为5-10组12V中间继电器，用于控制所述调压器输入端抽头；所述交流接触器控制电路为1组12V中间继电器，用于控制所述交流接触器的开、断；所述电子开关驱动电路采用高速光耦6N137，用于控制电子开关通断。
5.根据权利要求1所述的一种大脉冲电流发生装置，其特征是：所述交流接触器用于控制储能电容与前端滤波电容之间的回路，充电时交流接触器闭合给储能电容充电，放电时将储能电容与前端滤波电容之间的回路断开。
6.根据权利要求1所述的一种大脉冲电流发生装置，其特征是：所述储能电容用于放电脉冲电源，电容大小为0.1-1000μF。
7.根据权利要求1所述的一种大脉冲电流发生装置，其特征是：所述调压器为输入端带有5-10个抽头的自耦变压器，通过自动控制器控制输入抽头连接位置调节调压器输出电压，由调压器控制升压变压器电压的输出，升压变压器限制最高输出电压300V。
8.根据权利要求1所述的一种大脉冲电流发生装置，其特征是：所述滤波电容为容量10-470μF，耐压300V的电容。
9.根据权利要求1所述的一种大脉冲电流发生装置，其特征是：所述回路连接导线采用多芯导线或母排，回路连接导线电阻范围为0.1-1Ω；电子开关采用响应速度高于1μS的绝缘栅双极型晶体管IGBT或场效应管，额定电流大于300A，耐压为30-300V；采样电阻为高精密电阻，阻值40μΩ。
10.一种大脉冲电流发生装置控制方法，其特征是：包括步骤：
1）使用时，将被测电流互感器串接到采样电阻和电子开关回路中；
2）工作时自动控制器启动主电源交流接触器接通电网，同时交流接触器也接通，给调压器提供输入电压，通过触摸屏设定升压变压器输出电压，自动控制器控制调压器抽头调节输出电压，调压器不同的抽头位置产生不同的输出电压给升压变压器，当升压变压器输出电压达到设定值后即可断开交流接触器；
3）在触摸屏上点击测试按钮，储能电容与滤波电容之间断开，微处理器发出脉宽1-5μS脉冲给电子开关驱动电路，电子开关驱动电路控制电子开关瞬间通断，在回路连接导线回路中产生大于或等于100A/1μS的单个脉冲电流或多个脉冲电流群，为被测电流互感器提供快速响应测试提供标准脉冲测试源。
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| 一种新型高压输电线路电压谐波检测方法的研究与设计;张金波 等;《高压电器》;20121216;第48卷(第12期);92-97 * |
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