CN113311351A - 一种充电电源测试负载及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充电电源测试负载及系统，属于电源测试负载技术领域，包括与充电电源输出端并联连接的储能电容，与储能电容并联连接的阻性放电回路和感性放电回路。本发明阻性放电回路与感性放电回路配合能够模拟储能电容放电至零又重新充电的过程，进而准确模拟充电电源的各种负载特性，并通过控制阻性放电回路的工作时间实现储能电容的反压与残压调节，以此真实还原充电电源的各种工况参数。

Description

一种充电电源测试负载及系统

技术领域

本发明涉及电源测试负载技术领域，尤其涉及一种充电电源测试负载及系统。

背景技术

用于脉冲功率系统储能电容充电的脉冲充电电源（以下简称充电电源），一般是以一定的重复频率进行充电工作，在单个工作周期内，充电电源先对储能电容进行充电，然后储能电容会在很短的时间内对负载放电，之后进入下一个工作周期。负载会在很短时释放所有电容的能量，由于负载一般呈电感性，放电完成后会有部分能量返送，实际应用中通过能量回收电路将这部分能量进行回收到储能电容，所以一个周期结束后，在下一个周期开始时，储能电容上是有电压的。作为一选项，能量回收电路包括二极管D2和电感L2，二极管D2与充电电源输出端并联连接，电感L2一端二极管D2阴极连接，另一端与测试负载连接。

基于以上充电电源特性，为了尽可能模拟其在真实环境中的工作，测试系统需要具备以下特点：（1）较高的抗脉冲功率能力；（2）为了模拟返送能量对电容充电，需要测试系统能控制放电后电容上的残压。现有负载测试系统一般通过在放电回路中增加大功率电感模拟能量返送，在充电回路中间增加回收电路实现能量回收到电容，能模拟充电电源放电过程和能量返送过程，然而电感承受的损耗功率很大，降低了充电电源负载特性测试的准确性；进一步地，该负载测试系统无法实现储能电容上反压和残压的精细调节，因此无法真实模拟实际工作过程中充电电源各参数随机变化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术无法实现储能电容上反压和残压的精细调节的问题，提供了一种充电电源测试负载及系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种充电电源测试负载，其包括与充电电源输出端并联连接的储能电容，与储能电容并联连接的阻性放电回路和感性放电回路；所述阻性放电回路包括阻性子负载，所述感性放电回路包括感性子负载；

当所述测试负载应用至具备能量回收电路的充电电源的负载测试时，使阻性放电回路中阻性子负载先对充电电源进行放电处理，当储能电容上剩余电压达到预设电压时，使阻性放电回路停止工作同时使感性放电回路开始工作，储能电容继续放电至零时，感性子负载配合能量回收电路反向对储能电容充电，以此模拟储能电容放电至零又重新充电的过程，进而准确模拟充电电源的各种负载特性；

其中，感性子负载配合能量回收电路反向对储能电容充电得到的电压为储能电容的反压，储能电容的反压大小取决于储能电容上剩余电压的大小。

在一示例中，所述阻性放电回路还包括与阻性子负载串联连接的第一开关。

在一示例中，所述阻性子负载为电阻或电阻网络。

在一示例中，第一开关为可关断门极器件。

在一示例中，所述阻性放电回路还包括与阻性子负载、第一开关串联的单向导通开关。

在一示例中，所述感性放电回路还包括与感性子负载串联连接的第二开关。

在一示例中，所述感性子负载为大功率电感；所述第二开关为大电流可控开关器件。

在一示例中，所述测试负载还包括用于与储能电容并联的电压采集单元。

需要进一步说明的是，上述各示例对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。

本发明还包括一种充电电源测试系统，测试系统包括如上述任一示例所述的测试负载，还包括主控单元，主控单元用于控制阻性放电回路、感性放电回路的启停工作状态。

在一示例中，所述测试系统还包括人工交互单元，所述人工交互单元与主控单元双向连接。

与现有技术相比，本发明有益效果是：

（1）在一示例中，本发明阻性放电回路与感性放电回路配合能够模拟储能电容放电至零又重新充电的过程，进而准确模拟充电电源的各种负载特性，并通过控制阻性放电回路的工作时间实现储能电容的反压与残压调节，以此真实还原充电电源的各种工况参数。

（2）在一示例中，通过控制第一开关的工作状态（闭合或断开）进而调节阻性放电回路中阻性子负载的放电时间，以此实现储能电容的残压调节。

（3）在一示例中，在阻性放电回路中引入单向导通开关，在第一开关关断，且在第二开关开通并关断后，防止电感L1的电流流经此放电回路消耗能量，保证返送能量控制的精确性。

（4）在一示例中，在充电电源配备了能量回收电路情况下，通过第一开关控制阻性放电回路的工作状态进而控制储能电容上的剩余电压，在此基础上，通过第二开关控制感性放电回路的工作状态，以此精准控制返送能量（反压）大小，进而控制返送能量给储能电容充电电压（残压）的大小，以此实现任意场景储能电容的残压调节。

（5）在一示例中，通过电压采集单元实时采集储能电容的电压，以此实现精准的残压控制。

（6）在一示例中，本发明测试系统通过主控单元控制阻性放电回路、感性放电回路的工作状态，以此实现充电电源负载特性的自动化测试，大大节约人力开销。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明一示例中的测试负载示意图；

图2为本发明一示例中的测试负载示意图；

图3为本发明一示例中的测试负载示意图；

图4为本发明一示例中的测试系统示意图；

图5为本发明一示例中的测试系统应用的测试场景示意图；

图6为本发明一示例中的测试系统应用的测试场景示意图；

图7为本发明一示例中的测试系统储能电容的电压仿真波形图；

图8为本发明一示例中的测试系统储能电容的电压仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1所示，在实施例1中，一种充电电源测试负载，具体包括与充电电源输出端并联连接的储能电容，与储能电容并联连接的阻性放电回路，以及与储能电容并联连接的感性放电回路。具体地，阻性放电回路即通过阻性负载对待测试充电电源进行放电，感性放电回路即通过感性负载对待测试充电电源进行放电；本发明能够适用于多种充电电源的负载特性测试场景，包括不具备能量回收电路的充电电源的负载测试场景以及具备能量回收电路的充电电源的负载测试场景。当本发明测试负载应用至不具备能量回收电路的充电电源的负载测试时，控制（手动控制或自动控制）阻性子负载对充电电源进行放电处理，感性放电回路不工作；当本发明应用至具备能量回收电路的充电电源的负载测试时，使阻性放电回路中阻性子负载先对充电电源进行放电处理，控制阻性放电回路工作一段时间即储能电容达到一定剩余电压时，使阻性放电回路停止工作同时感性放电回路开始工作，储能电容继续放电至零时，感性子负载配合能量回收电路反向对储能电容充电，以此模拟储能电容放电至零又重新充电的过程（能量返送过程），进而准确模拟充电电源的各种负载特性，兼容了测试准确性与测试场景的泛用性，应用更加方便，易于推广使用。需要强调的是，在阻性放电回路与感性放电回路相互配合的测试场景（具备能量回收电路的充电电源的负载测试）中，通过控制阻性放电回路的工作时间能够实现储能电容的剩余电压调节，且储能电容的反压大小取决于储能电容上剩余电压的大小，即储能电容的反压大小与储能电容的剩余电压大小呈正相关，在此基础上结合感性放电回路实现精准的反压与残压控制，进而真实还原充电电源的各种工况参数。

在一示例中，所述阻性放电回路还包括与阻性子负载串联连接的第一开关，通过控制第一开关的工作状态（闭合或断开）进而调节阻性放电回路中阻性子负载的放电时间，以此实现储能电容的残压调节。作为一选项，阻性子负载包括但不限于电阻、白炽灯等，作为优选实施例，阻性子负载为功率电阻网络（大功率负载电阻）。作为一选项，第一开关为可关断门极器件，本示例优选为绝缘栅双极型晶体管。

在一示例中，所述阻性放电回路还包括与阻性子负载、第一开关串联的单向导通开关，通过在阻性放电回路中引入单向导通开关，用于防止第二开关关断后的的放电和充电过程中电流流经此阻性放电回路消耗能量，保证返送能量控制的精确性。作为一选项，所述单向导通开关为二极管。

在一示例中，所述感性放电回路还包括与感性子负载串联连接的第二开关。具体地，感性负载为大功率电感，优选空心电感，通过选取不同感值电感，即可实现放电的峰值电流控制，同时电感感值和损耗也较小，方便设计实现。具体地，所述第二开关为大电流可控开关器件，优选为晶闸管。

作为一优选实施例，如图2所示，本发明测试负载包括由功率电阻网络、绝缘栅双极型晶体管、二极管构成的阻性放电回路，还包括由空心电感和晶闸管构成的感性放电回路，该测试负载的主要功率损耗在功率电阻网络上，因此电感上的功率损耗小，以此实现准确的电源负载特性测试。此时本发明测试负载应用至具备能量回收电路的充电电源测试场景时，通过第一开关控制阻性放电回路的导通时间进而控制储能电容上的剩余电压，在此基础上，使第一开关断开即阻性放电回路停止工作，同时使第二开关闭合即使感性放电回路开始工作，储能电容上的剩余电压经感性放电回路放电，此时储能电容与可调电感产生谐振，最终在储能电容上产生反压，（储能电容）再经过能量回收电路与回收电路中的电感产生谐振，以此将储能电容上的反压通过谐振充电形成残压，即通过控制第一开关的导通时间即可控制储能电容上的反压与残压大小，无需调节测试负载中各元器件参数即可实现电容残压的无极调节。需要说明的是，在忽略电感和回路寄生电阻的情况下，储能电容上的剩余电压与放电产生的反压和最终形成的残压相等，但在实际系统中，电感存在直流阻抗，放电回路和能量回收电路都存在寄生电阻，则都会产生损耗，因此最终储能电容上的反压与残压的差值与回路阻抗产生的损耗有关。假设储能电容上的剩余电压为V ₀ ，最终反压为V _E ，电容容量为C，总损耗为E _loss ，根据电容储能公式：

则最终储能电容上产生的残压的计算公式为：

。

在一示例中，如图3所示，所述测试负载还包括用于与储能电容并联的电压采集单元，通过电压采集单元实时采集储能电容的电压，以此控制阻性放电回路中第一开关的导通时间，进而实现储能电容的精准残压控制与调节，满足电源测试要求。作为一优选，电压采集单元包括不限于分压组件、电压表、电压传感器等，本示例优选为具备显示功能的电压表，便于用户准确获知储能电容上的实时电压。

在一示例中，本发明还包括一种充电电源测试系统，该测试系统包括如上述任一示例所述的测试负载，还包括主控单元，如图4所示，主控单元输出端与第一开关控制端（绝缘栅双极型晶体管的栅极）和第二开关控制端（晶闸管的栅极）连接，通过输出高低电平控制第一开关、第二开关的导通或关断，以此控制阻性放电回路、感性放电回路的启停工作状态，进而实现充电电源负载特性的自动化测试，大大节约人力开销。具体地，主控单元包括不限于FPGA、单片机、ARM等控制器，本示例优选单片机，数据处理能力强，且成本开销低。作为一优选项，测试系统中的电压采集单元为电压传感器，电压传感器输出端与主控单元连接，以将储能电容上的实时电压传输至主控单元，实现自动精准的残压控制。

在一示例中，所述系统还包括人工交互单元，所述人工交互单元与主控单元双向连接，通过人机交互单元如HMI实现外部控制，即通过人机交互单元输入外部指令，控制第一开关、第二开关的导通时间进而控制本发明测试系统的工作模式（工作模式一：无能量回收电路的测试场景，仅阻性放电回路工作；工作模式二：具备能量回收电路的测试场景，阻性放电回路、感性放电回路配合工作），并实现储能电容上返送能量大小的精确控制，通过控制返送能量控制储能电容充电电压的大小。

为更好说明本发明构思，先对本发明测试系统的优选实施例的工作方式进行说明：

如图4所示，储能电容为C1，阻性放电回路包括顺次串联连接的功率电阻网络R_L、二极管D1和绝缘栅双极型晶体管K1，感性放电回路包括顺次串联连接电感L1和晶闸管K2，且测试系统还包括主控单元，与主控单元连接的电压传感器和人机交互单元。

工作模式一：如图5所示，当本发明测试系统应用至无能量回收电路的充电电源测试时，充电电源对储能电容C1充电结束后，主控单元根据指令（可以是外部指令，也可以是本地指令）执行放电控制，主控单元发送K1驱动至K1，K1导通，储能电容C1依次经R_L、D1、K1放电，同时主控单元经过电压传感器检测储能电容C1剩余电压，当储能电容C1的剩余电压放电至预设电压时，主控单元关闭K1驱动，K1关断，储能电容C1停止放电，结束放电过程，储能电容C1上残留电压为预设电压，实现了精确的储能电容C1残压控制，该模式通过检测储能电容C1电压，调节K1的导通时间即可实现储能电容C1残压的调节。

工作模式二：如图6所示，当本发明测试系统应用至具备能量回收电路的充电电源测试时，充电电源对储能电容C1充电结束后，主控单元根据指令执行放电控制，主控单元先发送K1驱动至K1，K1导通，储能电容C1依次经R_L、D1、K1放电，同时主控单元经电压传感器检测储能电容C1的剩余电压，当储能电容C1电压放电至预设电压时，主控单元关闭K1驱动，K1关断，同时主控单元发送K2驱动给K2，K2导通，储能电容C1继续通过L1、K2放电，储能电容C1放电至0时，由于回路电感L1的存在，放电电流经过L1，K2反向给C1充电，充电结束后电流为0，K2自然关断，此时储能电容C1上有负电压，储能电容C1通过外部能量回收电路中的D2、L2放电，反向给C1充电，最终使储能电容C1的负压变为正电压，结束放电过程，储能电容C1上残留预设电压，该模式也是通过检测储能电容C1的剩余电压，调节K1的导通时间即可实现储能电容C1的反压和最终C1的残压调节。

为进一步说明本发明测试系统实际的测试效果，现进一步给出上述测试系统优选实施例的具体电路参数以及对应的储能电容C1的电压变化仿真波形图。

具体地，图4中储能电容为C1=2mF，R_L=1Ω，充电电压600V，仿真波形如图7所示，图7为截取的重复工作中的一段波形，横坐标表示时间，纵坐标表示储能电容C1的电压（V）；t0时间内是充电电源给储能电容C1的充电时间，t1时间是K1导通时间，约1ms，储能电容C1放电至V1时停止放电，即放电结束后，电容上的残压为V1。更为具体地，图4中L1=20uH，图6中L2=30uH，充电电压600V，仿真波形如图8所示，图8为截取的重复工作中的一段波形，横坐标表示时间，纵坐标表示储能电容C1的电压（V）；t0时间内是充电电源给储能电容C1充电时间，t1时间是K1导通时间，约0.3ms，放电至V1，关闭K1，t2时间是储能电容C1从电压V1开始经过K2放电，产生反压V2，然后经过回收电路将C1重新充电至V3的过程，电容上的残压为V3。

本发明测试负载（系统）在脉冲充电电源的测试中，能更好的模拟各种负载特性，能同时适用于带回收电路和不带回收电路的充电系统，并且通过简单参数设置（K1、K2导通时间）即可实现精准电容残压控制，回收能量控制，采用本发明测试负载（测试系统）适用性更广，且使用更加方便，易于推广使用。

以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种充电电源测试负载，其特征在于：包括与充电电源输出端并联连接的储能电容，与储能电容并联连接的阻性放电回路和感性放电回路；所述阻性放电回路包括阻性子负载，所述感性放电回路包括感性子负载；

当所述测试负载应用至具备能量回收电路的充电电源的负载测试时，使阻性放电回路中阻性子负载先对充电电源进行放电处理，当储能电容上剩余电压达到预设电压时，使阻性放电回路停止工作同时使感性放电回路开始工作，储能电容继续放电至零时，感性子负载配合能量回收电路反向对储能电容充电，以此模拟储能电容放电至零又重新充电的过程，进而准确模拟充电电源的各种负载特性；

其中，感性子负载配合能量回收电路反向对储能电容充电得到的电压为储能电容的反压，储能电容的反压大小取决于储能电容上剩余电压的大小。

2.根据权利要求1所述充电电源测试负载，其特征在于：所述阻性放电回路还包括与阻性子负载串联连接的第一开关。

3.根据权利要求2所述充电电源测试负载，其特征在于：所述阻性子负载为电阻或电阻网络。

4.根据权利要求2所述充电电源测试负载，其特征在于：所述第一开关为可关断门极器件。

5.根据权利要求2所述充电电源测试负载，其特征在于：所述阻性放电回路还包括与阻性子负载、第一开关串联的单向导通开关。

6.根据权利要求2所述充电电源测试负载，其特征在于：所述感性放电回路还包括与感性子负载串联连接的第二开关。

7.根据权利要求6所述充电电源测试负载，其特征在于：所述感性子负载为大功率电感；所述第二开关为大电流可控开关器件。

8.根据权利要求1所述充电电源测试负载，其特征在于：所述测试负载还包括用于与储能电容并联的电压采集单元。

9.一种充电电源测试系统，其特征在于：包括如权利要求1-8任意一项所述的测试负载，还包括主控单元，主控单元用于控制阻性放电回路、感性放电回路的启停工作状态。

10.根据权利要求9所述充电电源测试系统，其特征在于：所述系统还包括人工交互单元，所述人工交互单元与主控单元双向连接。

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