CN218727900U - 一种多功能ac负载 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电子负载技术领域，为了解决现有产品测试参数少不能满足实际所需的技术问题，本实用新型公开了一种多功能AC负载，包括负载板和显示面板，还包括功率计和用于连接外部储能电源的接口测试板，外部储能电源输出的交流电经接口测试板、功率计后至负载板消耗电能，功率计包括用于检测交流电的电压电流检测电路、用于对电压电流进行计量的电参数转换电路、用于处理计量数据并发送到显示面板的第一控制模块。电参数转换电路通过电压电流检测电路采样交电流参数，由第一控制模块发送给控制面板，可显示如输出电压、电流、功率、功率因数和频率等参数，集成负载和功率计的所有功能，通过电参数转换电路还可测试储能电源AC输出波形。

Description

一种多功能AC负载

技术领域

本实用新型涉及电子负载技术领域，尤其涉及一种多功能AC负载。

背景技术

伴随着行业技术进步，储能电池投资成本不断下降，便携式储能市场规模呈现高速增长态势。便携式储能电源，简称“户外电源”，是一种替代传统小型燃油发电机的、内置锂离子电池的小型储能设备，有大容量、大功率、安全便携的特点，可提供稳定交流/直流电压输出的电源系统，电池容量在100Wh-3000Wh，配有AC、DC、Type-C、USB、PD等多种接口，可匹配市场上主流电子设备，适用于户外出游、应急救灾、医疗抢险、户外作业等多个场景。储能电源的生产和销售也相应增加了，市场上对于这类产品的测试需求，也变得更多，给产品的研发和产线测试带来不小的挑战。

储能电源的增长需要与之相配套的测试设备，实时测试储能电源AC输出的相关参数，解决产品研发调试和生产测试遇到的众多问题和不便。

目前市面上遇到的问题如下：

1、较为常用的是使用普通的AC负载，但只能手动调节功率换挡；

2、也有使用万用表和灯泡或电阻搭配使用来测试储能电源的AC输出参数，操作比较繁琐，且不安全，长时间占用另外常用设备不方便；

3、使用白炽灯做负载测试储能电源AC输出，不能看到电压功率等参数；

公开号为CN101453024B的实用新型专利公开了一种燃料电池测试用负载的控制方法，包括CPU、通讯总线接口，还包括若干个负载、电子开关和光电耦合驱动电路，所述的通讯总线接口通过CPU连接各负载，各负载分别连接一光电耦合驱动电路和一电子开关，通过通讯端口设置，CPU控制开启负载的导通数量，调节耗功负载的大小。其总的思路是通过CPU控制电子开关电路，电流流经负载消耗电能，公开了一种电子负载的基本思想。

公开号为CN112986635A的实用新型专利公开了可编程电子负载和电池测试装置，单片机10依次通过第一转换电路、第一运算放大电路30通过开关管40，开关管40下部连接的采样单元50相当于一个负载电阻或者说其内部包括了负载电阻，负载电阻用于消耗电能，从其附图4可以看出具体结构。

市面上基于此方法的AC负载仪器，虽能解决上述1、2和3点的问题，但还存在显示参数少不够丰富，只是简单显示了功率和电压等参数，且精确度不高，无法满足实际所需；只能换挡调节功率参数，不能做到线性调节；无通讯功能，不能连接上位机进行第二次开发。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种多功能AC负载，以解决现有产品测试参数少不能满足实际所需的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型的一种多功能AC负载的具体技术方案如下：

一种多功能AC负载，包括负载板和用于显示及触控的显示面板，还包括功率计和用于连接外部储能电源的接口测试板，外部储能电源输出的交流电经接口测试板、功率计后至负载板消耗电能，所述功率计包括用于检测交流电的电压电流检测电路、用于对电压电流进行计量的电参数转换电路、用于处理计量数据并发送到显示面板的第一控制模块。电参数转换电路通过电压电流检测电路采样交电流参数，由第一控制模块发送给控制面板，可显示如输出电压、电流、功率、功率因数和频率等参数，集成了负载和功率计的所有功能，通过电参数转换电路还可测试储能电源AC输出波形。

进一步的，所述负载板包括用于对交流电整流滤波的输入整流电路、用于消耗电能的负载电阻电路、用于调节负载电阻电路的消耗电能大小的第二控制模块，所述显示面板通过隔离通讯电路与第二控制模块连接。通过人机交互可以在显示面板设置参数，显示面板获取的设置参数信息，通过隔离通讯电路传到第二控制模块，第二控制模块将参数信息转换成控制电压信号，用于控制各负载电阻的开关电路，完成功率或电阻值大小的控制。

进一步的，所述隔离通讯电路包括数字隔离器，还设置有用于为数字隔离器提供隔离电源的隔离电源电路。通过隔离避免显示面板与负载板相互影响，一方面，负载板的常存在较大电流冲击，其中的突波、浪涌或高压脉冲可能会传导至显示面板；另一方面，如人触摸显示屏可能会释放静电，进而对负载板的电路造成影响。

进一步的，所述负载电阻电路包括负载电阻和开关管，所述负载电阻通过开关管接地，所述开关管用于控制负载电阻接入和断开于负载电路，所述第二控制模块通过驱动模块控制所述开关管。通过显示面板的触摸屏操作可方便参数的输入和调节，可进行分档或线性调节，例如预设六组功率档位，进行分档调节；第二控制模块输出PWM信号，负载端可进行精细化线性控制，精细化的调节可获取更多负载功率测试档位，功率调节精度变得更高。

进一步的，还设置有编码器，通过设置编码器可线性调节功率来测试储能电源AC输出带载能力。

进一步的，所述开关管为NMOS管，所述NMOS管的源极接地，所述NMOS管的漏极与负载电阻连接，所述NMOS管的栅极与驱动模块的驱动端连接。

进一步的，所述电压电流检测电路分为电压检测电路和电流检测电路，所述电压检测电路包括运算放大器U6A、连接于交流电两极之间的由多个电阻构成的串联分压电路，运算放大器的U6A的同相输入端通过电阻R13接地，运算放大器的U6A的反相输入端通过电阻R19与串联分电压电路连接形成电压检测结点VP，运算放大器的U6A的输出端与第一控制模块连接。

进一步的，所述电流检测电路包括运算放大器U6B、串联于交流电线路中的检流电阻R42，运算放大器U6B的同相输入端通过电阻R23与检测电阻的第1端连接，运算放大器U6B的反相输入端通过电阻R23与检测电阻的第2端连接，运算放大器U6B的输出端与第一控制模块连接。通过上述运算放大器U6A和U6B可以快速响应显示出电压电流数据，但缺点是精度稍低。

进一步的，电参数转电路设置有电能计量模块，电压检测结点VP与电能计量模块连接，还包括串联于交流电线路中的检流电阻R10，检流电阻R10的第1端与检流电阻R42的第2端连接，检流电阻R42的第1端、检流电阻R10的第2端分别与电能计量模块连接。通过电能计量模块可以高精度检测出电压电流数据，弥补了精度低的缺点，两者结合既保证了速度，又提高了精度。

进一步的，交流电线路中设置有限流电阻和用于输出保护的开关模块，所述开关模块用于旁路限流电阻，所述开关模块包括继电器和MOS管Q41，所述第一控制模块通过控制MOS管Q41的通断，进而控制继电器K1中衔铁的吸合实现开关模块的开关作用。设置用于输出保护的开关模块，可测试储能电源AC输出短路保护，可用于短路测试功能。

进一步的，还设置有与外部设备通讯的通讯电路，用于自动化测试和二次开发。通过通讯电路，可与电脑或上位机连接透传数据，使得使用多功能AC负载进行第二次开发变得更为便捷，与储能电源ATE测试设备搭配，能完成储能电源整套测试任务，实现自动测试，针对储能电源生产测试，可大大节省人力，提高测试效率。

本实用新型提供的一种多功能AC负载具有以下优点：

电参数转换电路通过电压电流检测电路采样交电流参数，由第一控制模块发送给控制面板，可显示如输出电压、电流、功率、功率因数和频率等参数，集成了负载和功率计的所有功能，通过电参数转换电路还可测试储能电源AC输出波形。

附图说明

图1为本实用新型提供的多功能AC负载系统框图；

图2为本实用新型提供的功率计功能框图；

图3为本实用新型提供的负载板功能框图；

图4为本实用新型提供的电源模块功能图；

图5为本实用新型提供的交流输入电路中开关模块和电压电流检测电路的电路结构图；

图6为本实用新型提供的电参数转换电路结构图；

图7为本实用新型提供的输入整流电路结构图；

图8为本实用新型提供的负载电阻电路功能框图；

图9为本实用新型提供的负载电阻电路结构图；

图10为本实用新型提供的隔离电源电路和隔离通讯电路结构图。

图中：10、功率计；11、电源模块；111、第一降压模块；112、第二降压模块；12、电压电流检测电路；13、电参数转换电路；14、第一控制模块；15、输出接口；21、辅助电源；22、通讯电路；23、显示面板；24、接口测试板；30、负载板；31、第一负载电阻电路；32、第二负载电阻电路；33、第三负载电阻电路；34、负载电容电路；35、隔离电源电路；36、隔离通讯电路；37、输入整流电路；38、第二控制模块；41、驱动模块；42、开关管；43、负载电阻；P1、电源隔离模块；U1、数字隔离器；U4、电能计量模块；U5、第三降压模块；K1、继电器。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参阅图1至图3，本实用新型提供了一种多功能AC负载，包括功率计10、负载板30、接口测试板24、显示面板23、通讯电路22和辅助电源21，功率计10分别与负载板30、接口测试板24、显示面板23、通讯电路22和辅助电源21连接。由市电提供电能，辅助电源21用于给通讯电路22、显示面板23、功率计10和负载板30供电，显示面板23与负载板30连接。其中，负载板30包括电阻负载板和电容负载板。

储能电源的输出电压从接口测试板24输入，经过功率计10，然后进入负载板30，由负载板30上的电阻和/或电容来消耗电能，完成负载测试的功能。功率计10检测到的电压电流数据通过数据通讯传递给显示面板23，直观的在面板上显示参数。显示面板23为交互式面板，设置有可以人机交互的触控结构，可以输入功率或电阻参数，参数信息通过显示面板23、通讯电路22将数据传递到负载板30上，由负载板30上的第二控制模块38(MCU)对数据处理，转换成电压信号控制电阻或电容负载的开关，完成负载大小的控制调节。

参阅图2，功率计包括第一控制模块14、电压电流检测电路12、电参数转换电路13、电源模块11和输出接口15，输出接口15与负载板30连接，电源模块11从辅助电源21获取电能，给电压电流检测电路12、电参数转换电路13和第一控制模块14供电。储能电源输出的交流电，经电压电流检测电路12采集后从输出接口15输出至负载板30；电压电流检测电路12的信号发送至电参数转换电路13，参阅图6，电参数转换电路13设置有电能计量模块U4，电能计量模块U4将转换数据发送至第一控制模块，第一控制模块14通过计算后提供至显示面板23显示。

参阅图3，负载板30的功能方框图，包括输入整流电路37、负载电阻电路、第二控制模块38、隔离通讯电路36、隔离电源电路35，负载电阻电路分为第一负载电阻电路31、第二负载电阻电路32和第三负载电阻电路33。输入整流电路37与输出接口15连接，隔离电源电路35与辅助电源21连接。辅助电源21的电能给到隔离电源电路35，给负载板30的功能电路提供电能。由功率计10输出的交流电，接入到输入整流电路37，转换成直流电后，输送到第一负载电阻电路31和/或第二负载电阻电路32和/或第三负载电阻电路33，在此消耗电能。显示面板23获取的设置参数信息，通过隔离通讯电路36传到第二控制模块38，第二控制模块38将参数信息转换成控制电压信号，用于控制各负载电阻的开关电路，完成功率或电阻值大小的控制。

参阅图4，电源模块11包括用于将第一直流电压转换为第二直流电压的第一降压模块111、用于将第二直流电压转换为第三直流电压的第二降压模块112，第三直流电压用于给第一控制模11供电。

在一实施方式中，第一直流电压为12V，第二直流电压为5V，第三直流电压为3.3V。

参阅图5，电压电流检测电路12包括电压检测电路和电流检测电路，电压检测电路包括由多个电阻依次串联构成的分压电路，以及运算放大器U6A，运算放大器U6A与其中两个电阻之间设有电压检测结点VP。

运算放大器U6A的同相输入端通过电阻R13接地，运算放大器U6A的反相输入端通过电阻R19连接至电压检测结点VP，运算放大器U6A的输出端通过电阻R15与第一控制模块14连接，第一控制模块14通过AD采样计算出电压。

电压检测模块包括运算放大器U6B和设置在交流输入电路中的检流电阻R42，运算放大器U6B的同相输入端通过电阻R23与检流电阻R42的一端连接，运算放大器U6B的反相输入端通过电阻R30与检流电阻R42的另一端连接，运算放大器U6B的输出端与第一控制模块14连接，第一控制模块14通过AD采样计算出电流。

在一实施方式中，分压电路包括由电阻R3、电阻R4、电阻R5和电阻R7依次串联构成，电压检测结点VP设置在电阻R5和电阻R7之间。

电参数转换电路13中的电能计理模块U5分别与电压检测结点VP、检流电阻R42的第1端、检流电阻R42的第2端、电阻R10的第2端连接，

电参数转换电路13与第一控制模块14连接，将测得的电流电压参数转换后发送给第一控制模块14。通过电参数转换电路13可测试储能电源AC输出波形。

交流电线电路中设置有多个限流电阻和用于输出保护的开关模块，开关模块包括继电器K1和MOS管Q41，第一控制模块14通制MOS管Q41的通断，进而控制继电器K1中衔铁的吸合实现开关模块的开关作用。第一控制模块14通过从电参数转换电路13获取电流参数，当电流超过预定值时控制继电器K1取消旁路作用，实现大电流保护，可用于短路测试功能，测试储能电源AC输出短路保护功能。

在一实施方式中，限流电阻包括串联的电阻R0、电阻R1和电阻R2，采用阻值为几十K或百K级别的电阻，当继电器K1不工作时，继电器K1将限流电阻旁路掉，电路正常接通；当继电器K1工作时，限流电阻在电路中起作用，极大限制了电流，起到保护作用。

以上在交流电路部分，进行电压电流检测；输入整流电路37对交流电进行整流操作，通过开关加载至负载电阻上。

输入整流电路37包括由二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4构成的全桥整流电路，全桥整流电路后设置有滤波电路，滤波电路包括由电感L1和电容C2构成的第一级滤波电路、由电感L2和电容C1构成的第二级滤波电路，其中，电感L1的第1端连接在全桥整流电路的正极，电感L2的第2端通过电容C2接入地Bus-，电感L2的第1端连接在电感L1的第2端，电感L2的第2端通过电容C1接入地Bus-，电感L2的第2端作为输入整流电路37的输出端Bus+，输出端Bus+与负载电阻的第1端连接。

参阅图8，在负载电阻电路中，包括负载电阻43，负载电阻43通过开关管42接入地Bus-，开关管Q9的受控端通过驱动模块41与第二控制模块38连接，驱动模块41用于放大驱动信号，第二控制模块38通过驱动模块41控制开关管42的通断，当开关管42接通时，负载电阻43有电流流过，消耗电能。

优选的，第二控制模块38产生的控制信号为PWM信号，通过控制产生的PWM频率，可以控制开关管42的导通时隙，实现负载电阻43中不同大小电的调节，根据实际需求设置不同的电流大小。开关管42可以为MOS管或晶体管，优选为NMOS管。

PWM控制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现功率MOS输出的改变。使负载的输出功率在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。本实用新型提供的多功能AC负载，通过在负载板30的控制端采用PWM模式控制，由以往的分段分档控制变为PWM控制后，负载端可进行精细化线性控制，精细化的调节可获取更多负载功率测试档位，功率调节精度变得更高。

参阅图9，在负载电阻电路的具体实施例中，包括有多个负载电阻和开关管，根据大电流负载的需要，一个或一组负载电阻43可对应设置多个开关管用于分流，防止单个开关管因电流过大损坏，例如NMOS管Q1和NMOS管Q2均为开关管，IC1为驱动模块，IC1的OUT端与NMOS管Q1和NMOS管Q2的栅极连接。

负载电阻43可以内置在负载板30上，还可以外置，外置负载电阻43可增大负载能力，适用于大电流应用场景，例如CON1为负载电阻43的插座接口，外置的负载电阻43可通过对插接入形式连接在负载电阻电路中。

第二控制模块38通过隔离通讯电路36与显示面板23连接，显示面板23通过触控面板可以设置负载大小。

参阅图3和图10，隔离通讯电路36包括用于隔离通讯信号的数字隔离器U1，还设置有用于给数字隔离器U1供电的隔离电源电路35，隔离电源电路35包括电源隔离模块P1，隔离电源模块P1通过降压模块U5降压后给数字隔离器U1供电。隔离通讯电路36在实现信号隔离的同时，也实现电源隔离，防止负载板30和显示面板23之间相互影响。

综上所述，本实用新型提供的多功能AC负载，主要功能模块由功率计10和负载板30组成，功率计输出电路能测试储能电源的AC输出参数，电参数转换电路13通过电压电流检测电路12采样交电流参数，由第一控制模块14发送给控制面板，可显示如输出电压、电流、功率、功率因数和频率等参数，集成了负载和功率计的所有功能；还设有用于输出保护的开关模块，可测试储能电源AC输出短路保护；通过显示面板23的触摸屏操作可方便参数的输入和调节，可进行分档或线性调节，例如预设六组功率档位，进行分档调节；通过设置编码器可线性调节功率来测试储能电源AC输出带载能力；通过电参数转换电路13可测试储能电源AC输出波形；通过通讯电路，可与电脑或上位机连接透传数据，使得使用多功能AC负载进行第二次开发变得更为便捷，与储能电源ATE测试设备搭配，能完成储能电源整套测试任务，实现自动测试，针对储能电源生产测试，可大大节省人力，提高测试效率。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能AC负载，包括负载板(30)和用于显示及触控的显示面板(23)，其特征在于，还包括功率计(10)和用于连接外部储能电源的接口测试板(24)，外部储能电源输出的交流电经接口测试板(24)、功率计(10)后至负载板(30)消耗电能，所述功率计(10)包括用于检测交流电的电压电流检测电路(12)、用于对电压电流进行计量的电参数转换电路(13)、用于处理计量数据并发送到显示面板(23)的第一控制模块(14)。

2.根据权利要求1所述的多功能AC负载，其特征在于，所述负载板(30)包括用于对交流电整流滤波的输入整流电路(37)、用于消耗电能的负载电阻电路、用于调节负载电阻电路的消耗电能大小的第二控制模块，所述显示面板(23)通过隔离通讯电路(36)与第二控制模块连接。

3.根据权利要求2所述的多功能AC负载，其特征在于，所述隔离通讯电路(36)包括数字隔离器U1，还设置有用于为数字隔离器U1提供隔离电源的隔离电源电路(35)。

4.根据权利要求3所述的多功能AC负载，其特征在于，所述负载电阻电路包括负载电阻(43)和开关管(42)，所述负载电阻(43)通过开关管(42)接地，所述开关管(42)用于控制负载电阻(43)接入和断开于负载电路，所述第二控制模块(38)通过驱动模块控制所述开关管。

5.根据权利要求4所述的多功能AC负载，其特征在于，所述开关管(42)为NMOS管，所述NMOS管的源极接地，所述NMOS管的漏极与负载电阻(43)连接，所述NMOS管的栅极与驱动模块(41)的驱动端连接。

6.根据权利要求1所述的多功能AC负载，其特征在于，所述电压电流检测电路(12)分为电压检测电路和电流检测电路，所述电压检测电路包括运算放大器U6A、连接于交流电两极之间的由多个电阻构成的串联分压电路，运算放大器的U6A的同相输入端通过电阻R13接地，运算放大器的U6A的反相输入端通过电阻R19与串联分电压电路连接形成电压检测结点VP，运算放大器的U6A的输出端与第一控制模块(14)连接。

7.根据权利要求6所述的多功能AC负载，其特征在于，所述电流检测电路包括运算放大器U6B、串联于交流电线路中的检流电阻R42，运算放大器U6B的同相输入端通过电阻R23与检测电阻的第1端连接，运算放大器U6B的反相输入端通过电阻R23与检测电阻的第2端连接，运算放大器U6B的输出端与第一控制模块(14)连接。

8.根据权利要求7所述的多功能AC负载，其特征在于，电参数转电路设置有电能计量模块U4，电压检测结点VP与电能计量模块U4连接，还包括串联于交流电线路中的检流电阻R10，检流电阻R10的第1端与检流电阻R42的第2端连接，检流电阻R42的第1端、检流电阻R10的第2端分别与电能计量模块U4连接。

9.根据权利要求1至8任一项所述的多功能AC负载，其特征在于，交流电线路中设置有限流电阻和用于输出保护的开关模块，所述开关模块用于旁路限流电阻，所述开关模块包括继电器K1和MOS管Q41，所述第一控制模块(14)通过控制MOS管Q41的通断，进而控制继电器K1中衔铁的吸合实现开关模块的开关作用。

10.根据权利要求9所述的多功能AC负载，其特征在于，还设置有与外部设备通讯的通讯电路(22)，用于自动化测试和二次开发。

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