專利名稱：一種模擬電池直流電源負(fù)載的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模擬直流電源負(fù)載，特別涉及各種電機(jī)控制器及蓄電池產(chǎn)生的各種形式的電能(脈沖、恒壓等)進(jìn)行消耗用的大功率直流電源負(fù)載。
背景技術(shù)：
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車性能的全方位把握，往往需要對(duì)這類汽車電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩和空載時(shí)的電流、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)時(shí)的電流、電機(jī)控制器的過(guò)壓欠壓情況下的工作能力、電機(jī)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線、最高工作轉(zhuǎn)速、電壓波動(dòng)、短時(shí)過(guò)電壓、過(guò)載能力和峰值功率、再生能量回饋以及耐久性進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)以上項(xiàng)目的測(cè)試來(lái)獲得對(duì)電動(dòng)車性能產(chǎn)生影響的主要參數(shù)，以及影響系統(tǒng)控制方面的主要因素。饋電負(fù)載能夠?qū)﹄姍C(jī)控制器產(chǎn)生的各種形式的電能(脈沖、恒壓等)進(jìn)行消耗，饋電負(fù)載在設(shè)定的饋電電壓下能自動(dòng)調(diào)整饋電負(fù)載電磁干擾、 振動(dòng)干擾等，使控制器連續(xù)輸出設(shè)定的饋電電壓。本設(shè)計(jì)對(duì)饋電部分進(jìn)行了抗干擾設(shè)計(jì)使其能在強(qiáng)干擾環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，在裝置前安裝了風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速，變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使吹向裝置的風(fēng)量隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而變化，從而仿真電動(dòng)車路試工的工作狀況。為了完成上述項(xiàng)目的測(cè)試，需要開發(fā)電動(dòng)車電機(jī)及其控制器使用的直流電源負(fù)載，來(lái)對(duì)蓄電池加載。模擬蓄電池負(fù)載主要分為負(fù)載控制器和饋電負(fù)載兩大部分。饋電負(fù)載部分根據(jù)反饋過(guò)來(lái)的主回路上電流的大小而適時(shí)調(diào)節(jié)主回路上的饋電負(fù)載的大小，使輸出電壓穩(wěn)定。在模擬蓄電池的直流電源負(fù)載中，饋電負(fù)載部分的工作能力是一個(gè)重要指標(biāo)。一般直接影響到這種直流電源的壽命，尤其是在大功率電源中饋電負(fù)載的工作能力更能突顯這種工作性能。目前，國(guó)內(nèi)外模擬蓄電池的直流電源大部分采用PWM脈寬調(diào)制的控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)饋電控制。就是將回路中的電流信號(hào)輸入到MCU (微控制單元)，通過(guò)軟件進(jìn)行精密計(jì)算，然后MCU (微控制單元)輸出PWM來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)，由IGBT的通斷比例來(lái)改變負(fù)載的大小，這樣就形成一個(gè)閉環(huán)控制，能準(zhǔn)確的模擬蓄電池的整個(gè)過(guò)程。然而這種方式存在一些不足=IGBT的開關(guān)損耗包括器件的通態(tài)正常(導(dǎo)通)損耗和從通態(tài)向斷態(tài) (從斷態(tài)向通態(tài))轉(zhuǎn)換的開關(guān)損耗，這些損耗最終以器件溫升方式體現(xiàn)出來(lái)，縮短了器件的使用壽命，而且由于器件要求過(guò)高而造成設(shè)備成本增加，特別要模擬大功率蓄電池更是非常困難。另外，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)饋電負(fù)載部分的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行控制，具體就是通過(guò)傳感器采集信號(hào)一電流或電壓，信號(hào)放大處理，再經(jīng)AD芯片一8位/12位/16位等，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)供MCU—微處理器進(jìn)行數(shù)字計(jì)算和處理，微處理器將處理結(jié)果通過(guò)隔離控制執(zhí)行器。這種方法雖然能實(shí)現(xiàn)對(duì)饋電負(fù)載進(jìn)行自動(dòng)處理的功能，但其干擾較大，反饋時(shí)間較長(zhǎng)。因?yàn)檐浖刂菩枰欢ǖ耐ㄐ艜r(shí)間，傳到單片機(jī)進(jìn)行處理需要的時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度受到影響。
發(fā)明內(nèi)容[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種能夠快速調(diào)節(jié)反饋負(fù)載、能有效對(duì)電源設(shè)備進(jìn)行加載的饋電負(fù)載。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種模擬蓄電池直流電源，包括電源變換器、主回路電流檢測(cè)裝置、饋電負(fù)載控制器和饋電負(fù)載，所述電源變換器將交流電整形之后輸出直流電，主回路電流檢測(cè)裝置設(shè)置在主回路上用于測(cè)量主回路電流大小并將得到的電壓信號(hào)輸入饋電負(fù)載控制器，饋電負(fù)載并聯(lián)在主回路上，饋電負(fù)載控制器根據(jù)反饋電壓大小來(lái)調(diào)節(jié)饋電負(fù)載的大??；所述饋電負(fù)載控制器包括依次連接的信號(hào)放大電路、信號(hào)處理電路和信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)電路；所述信號(hào)放大電路為差分雙模放大電路，用于將主回路電流檢測(cè)裝置輸出信號(hào)整形放大；所述信號(hào)處理電路由若干個(gè)光柱驅(qū)動(dòng)器串聯(lián)而成，每一個(gè)光柱驅(qū)動(dòng)器的輸出端口通過(guò)信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)電路與饋電負(fù)載連接。進(jìn)一步，所述饋電負(fù)載包括IGBT驅(qū)動(dòng)電路和電子負(fù)載，IGBT驅(qū)動(dòng)電路與信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)電路連接。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明通過(guò)檢測(cè)主回路的電流值來(lái)響應(yīng)饋電負(fù)載的通斷，當(dāng)回路電流變大，系統(tǒng)自動(dòng)加大負(fù)載；當(dāng)回路電流變小，系統(tǒng)自動(dòng)減小負(fù)載。并利用電子負(fù)載模擬蓄電池吸收能量，整流電路模擬蓄電池釋放能量，從而模擬出蓄電池直流電源。本模擬蓄電池改進(jìn)的硬件驅(qū)動(dòng)電子負(fù)載系統(tǒng)，利用硬件進(jìn)行控制，具有比軟件控制更快的反應(yīng)速度，有效地改善了軟件控制中由反饋造成的時(shí)間上的滯后，因此提高了電子負(fù)載的響應(yīng)速度，降低了對(duì)IGBT等開關(guān)器件工作能力的要求，延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命，在成本和效率方面較現(xiàn)有技術(shù)都有較高成就。而本發(fā)明選用LM3914光柱驅(qū)動(dòng)芯片以及IGBT能夠?qū)﹄妷鹤詣?dòng)進(jìn)行分流處理，解決了硬件控制難題。

圖1為本發(fā)明的原理方框圖。圖2是主回路電流檢測(cè)裝置、饋電負(fù)載控制器和饋電負(fù)載的連接關(guān)系圖。圖3為本發(fā)明一種饋電負(fù)載控制器的整形電路和輸出電路圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明提供一種試驗(yàn)用模擬蓄電池直流電源，主要用于對(duì)電動(dòng)車電機(jī)的各項(xiàng)性能實(shí)驗(yàn)以及電機(jī)饋電部分的實(shí)驗(yàn)，它通過(guò)整流電路模擬蓄電池放電、電子負(fù)載耗能模擬蓄電池充電從而模擬蓄電池裝置。如圖1所示，本發(fā)明模擬蓄電池直流電源，包括電源變換器1、主回路電流檢測(cè)裝置2、饋電負(fù)載控制器3和饋電負(fù)載4。所述電源變換器1將交流電整形之后輸出直流電， 主回路電流檢測(cè)裝置2設(shè)置在主回路上用于測(cè)量主回路電流大小并將得到的電壓信號(hào)輸入饋電負(fù)載控制器3。饋電負(fù)載4并聯(lián)在主回路上，饋電負(fù)載控制器3根據(jù)反饋電壓大小來(lái)調(diào)節(jié)饋電負(fù)載4的大小。各部分的具體作用介紹如下電源變換器1用于將動(dòng)力交流電整形之后輸出直流電并在主回路形成電流。所述電源變換器1包括有相位傳感器電路、整流控制電路和整流電路。具體實(shí)施中，輸入交流三相電源，輸出直流電源，電源的最大功率為375KW。三相交流電壓經(jīng)過(guò)一個(gè)三相橋式全控整流電路輸入到升壓斬波電路中，因此在輸出端可得到一個(gè)高電壓的直流電源。所述整流控制電路包括PWM整流輸出、缺相報(bào)警、過(guò)流報(bào)警和過(guò)壓報(bào)警電路。所述主回路電流檢測(cè)裝置2為電流傳感器，它設(shè)置在主回路上用于測(cè)量主回路電流大小、將電流信號(hào)變換為電壓信號(hào)并將其輸入到饋電負(fù)載控制器。所述主回路電流檢測(cè)裝置2安裝于模擬蓄電池主回路所有負(fù)載的后端，感知整個(gè)回路的實(shí)時(shí)電流。實(shí)施例中主回路電流檢測(cè)裝置2選用霍爾電流傳感器，它對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、 輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)，其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路，不消耗被測(cè)電源的功率，特別適合于大電流傳感。饋電負(fù)載控制器3的作用是根據(jù)反饋電壓大小來(lái)調(diào)節(jié)饋電負(fù)載的大小。所述饋電負(fù)載控制器3包括依次連接的信號(hào)放大電路、信號(hào)處理電路和驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出電路；信號(hào)放大電路為差分雙模放大電路(差分信號(hào)放大芯片)，作為一個(gè)實(shí)施例選用AD623(單電源、軌對(duì)軌、低成本儀用放大芯片)，信號(hào)放大電路用于將主回路電流檢測(cè)裝置2輸出信號(hào)整形放大。信號(hào)處理電路由若干個(gè)光柱驅(qū)動(dòng)芯片串聯(lián)而成，進(jìn)行負(fù)載自動(dòng)調(diào)節(jié)，每一個(gè)光柱驅(qū)動(dòng)芯片的輸出端口通過(guò)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出電路(驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出電路為開漏輸出)與饋電負(fù)載4連接。作為一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明的信號(hào)處理電路為五片光柱驅(qū)動(dòng)芯片，光柱驅(qū)動(dòng)芯片的型號(hào)為 LM3914，這五片光柱驅(qū)動(dòng)芯片通過(guò)級(jí)聯(lián)的方式可達(dá)到100點(diǎn)以上的輸出點(diǎn)，每一點(diǎn)驅(qū)動(dòng)一個(gè)IGBT，輸出分辨率為0. 125V。饋電負(fù)載4并聯(lián)在主回路上用于分擔(dān)主回路的電流和增大功率，保證電壓恒定。 饋電負(fù)載4包括多個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)電路和對(duì)應(yīng)的電子負(fù)載，驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出電路與IGBT驅(qū)動(dòng)電路連接。所述IGBT驅(qū)動(dòng)電路響應(yīng)時(shí)間小于10ms。饋電負(fù)載4能夠?qū)﹄姍C(jī)控制器產(chǎn)生的各種形式的電能(脈沖、恒壓等)進(jìn)行消耗，在設(shè)定饋電電壓下能自動(dòng)調(diào)整饋電負(fù)載使控制器輸出復(fù)雜的環(huán)境中連續(xù)電壓穩(wěn)定在設(shè)定的饋電電壓上。當(dāng)主回路上電壓一定的情況下回流電流逐漸變大時(shí)，饋電負(fù)載控制器3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出電路就會(huì)根據(jù)信號(hào)的大小輸出若干個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在饋電負(fù)載控制器3中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出電路每輸出一個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)，需要整形后的信號(hào)變化大于0. 125V(大于最小分辨率)，整形后的電壓信號(hào)與主回路電流檢測(cè)裝置2的輸出信號(hào)有著確定的比例關(guān)系。當(dāng)饋電負(fù)載控制器裝置3于主回路電流變大而輸出一個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，饋電負(fù)載4就導(dǎo)通一個(gè)IGBT，導(dǎo)通的IGBT通過(guò)發(fā)光二極管進(jìn)行指示，這樣就會(huì)有一個(gè)額定功率的負(fù)載加載到主回路中分流主回路電流，這樣雖然主回路中電流變大，但是電壓還是保持一致。隨著信號(hào)的增加逐次快速地導(dǎo)通以下的IGBT。反之，當(dāng)主回路電流減小的時(shí)候，饋電負(fù)載控制器3將關(guān)斷一個(gè)輸出，使饋電負(fù)載4自動(dòng)卸載，這樣雖然主回路電流減小，但是回路的電壓還是保持不變。圖2是主回路電流檢測(cè)裝置2、饋電負(fù)載控制器3和饋電負(fù)載4的連接關(guān)系圖，并且進(jìn)一步細(xì)化地表述了饋電負(fù)載控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖3為饋電負(fù)載控制器3的整形電路和輸出電路一個(gè)實(shí)施例。本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)可以集中歸納為1、本設(shè)計(jì)在精度控制上主要是配置好恒壓控制時(shí)運(yùn)放的PID控制器件參數(shù)，能夠很快并穩(wěn)定到所需的控制電壓，不至于使輸出電壓振蕩或調(diào)節(jié)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。在電壓控制精度上根據(jù)設(shè)計(jì)所選用的元器件在四個(gè)方面得到控制源效應(yīng)0. 3%額定值(由于輸入源電壓變化-10%到+10%時(shí)引起的輸出電壓變化率)；負(fù)載效應(yīng)< 1%額定值(其空載與滿載時(shí)輸出電壓的變化量)。源效應(yīng)和負(fù)載效應(yīng)是通過(guò)閉環(huán)反饋進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)其電壓有微小的變化時(shí)，都可以通過(guò)傳感器采集信號(hào)反饋到輸入電壓進(jìn)行再調(diào)節(jié)。時(shí)漂1%額定值(由于電源連續(xù)工作時(shí)間大于8小時(shí)引起的輸出電壓變化率)；溫漂0. 04%額定值/°C (在電源使用環(huán)境溫度范圍內(nèi)，由環(huán)境溫度變化引起的輸出電壓變化率)；本設(shè)計(jì)在時(shí)漂上采用恒壓控制板進(jìn)行控制，由于連續(xù)工作輸出電壓會(huì)引起變化， 若用恒壓控制板則能有效減小輸出電壓變化率，從而控制其輸出電壓，而設(shè)計(jì)中選用的導(dǎo)線較粗，變壓器的功率較大以及風(fēng)機(jī)抽風(fēng)散熱則有效抑制了機(jī)柜內(nèi)溫度的升高從而控制溫漂現(xiàn)象。紋波電壓< 0. 5%額定值(輸出直流電壓中含有的工頻交流成分)。對(duì)于紋波電壓的控制本設(shè)計(jì)采用三相全波整流電路；加大濾波電路中電容容量； 使用了效果好的穩(wěn)定電路；進(jìn)行合理布線這四個(gè)方法。2、電源部分及負(fù)載部分都進(jìn)行了抗干擾能力的設(shè)計(jì)，保證了電源輸出電壓不受干擾的影響穩(wěn)定輸出，負(fù)載部分能在干擾復(fù)雜的環(huán)境中(電磁干擾、振動(dòng)干擾等)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)計(jì)中信號(hào)導(dǎo)線采用屏蔽及屏蔽雙絞導(dǎo)線，衰減外圍電磁波干擾，而各屏蔽層按照電氣原理及規(guī)范合理接地也有效的減少了外界對(duì)設(shè)計(jì)的干擾。3、負(fù)載處理部分本設(shè)計(jì)選用硬件進(jìn)行控制，相較于之前用單片機(jī)程序進(jìn)行控制速度更快。在之前用軟件進(jìn)行控制中，需要通過(guò)傳感器采集信號(hào)到上位機(jī)進(jìn)行通信，將采集到的信號(hào)傳入AD芯片中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后再傳入單片機(jī)中進(jìn)行處理。本設(shè)計(jì)選用LM3914光柱驅(qū)動(dòng)芯片及IGBT進(jìn)行控制，從電源出來(lái)模擬信號(hào)從LM3914的第5腳(輸入端)進(jìn)入，經(jīng)輸入緩沖器放大后，送至10級(jí)電壓比較器的反相輸出端，當(dāng)電壓信號(hào)大于LM3914的最小分辨率時(shí)，導(dǎo)通第一個(gè)IGBT，隨著信號(hào)的增加逐次快速的導(dǎo)通以下的IGBT，導(dǎo)通的IGBT通過(guò)發(fā)光二極管進(jìn)行指示，導(dǎo)通的IGBT相當(dāng)于自動(dòng)加上負(fù)載起到分流的作用；若發(fā)光二極管熄滅則表示IGBT關(guān)斷。用軟件進(jìn)行控制會(huì)造成時(shí)間上的滯后，而如果改用硬件進(jìn)行控制，IGBT 自動(dòng)進(jìn)行切換就大大減少滯后時(shí)間，因而使得負(fù)載處理的速度較快。最后需要說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制技術(shù)方案，盡管申請(qǐng)人參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，那些對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍， 均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.一種模擬蓄電池直流電源，其特征在于，包括電源變換器(1)、主回路電流檢測(cè)裝置 (2)、饋電負(fù)載控制器(3)和饋電負(fù)載(4);所述電源變換器(1)將交流電整形之后輸出直流電，主回路電流檢測(cè)裝置(2)設(shè)置在主回路上用于測(cè)量主回路電流大小并將得到的電壓信號(hào)輸入饋電負(fù)載控制器(3)；饋電負(fù)載(4)并聯(lián)在主回路上，饋電負(fù)載控制器(3)根據(jù)反饋電壓大小來(lái)調(diào)節(jié)饋電負(fù)載(4)的大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬蓄電池直流電源負(fù)載，其特征在于，所述饋電負(fù)載控制器(3)包括依次連接的信號(hào)放大電路、信號(hào)處理電路和信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)電路；所述信號(hào)放大電路為差分儀用放大電路，用于將主回路電流檢測(cè)裝置(2)輸出信號(hào)整形放大；所述信號(hào)處理電路由若干個(gè)光柱驅(qū)動(dòng)器串聯(lián)而成，每一個(gè)光柱驅(qū)動(dòng)器的輸出端口通過(guò)信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)電路與饋電負(fù)載(4)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬蓄電池直流電源負(fù)載，其特征在于所述饋電負(fù)載(4)包括IGBT驅(qū)動(dòng)電路和電阻負(fù)載，IGBT驅(qū)動(dòng)電路與信號(hào)輸出驅(qū)動(dòng)電路連接。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種模擬電池直流電源負(fù)載，電源變換器將交流電整形之后輸出直流電，主回路電流檢測(cè)裝置設(shè)置在主回路上用于測(cè)量主回路電流大小并將得到的電壓信號(hào)輸入饋電負(fù)載控制器，饋電負(fù)載并聯(lián)在主回路上，饋電負(fù)載控制器根據(jù)反饋電壓大小來(lái)調(diào)節(jié)饋電負(fù)載的大小；本直流電源饋電負(fù)載利用硬件進(jìn)行控制，具有比軟件控制更快的反應(yīng)速度，有效地改善了軟件控制中由反饋造成的時(shí)間上的滯后，提高了電子負(fù)載的響應(yīng)速度，使用IGBT(絕緣柵雙極晶體管)開關(guān)器件，切換時(shí)間很短。
文檔編號(hào)H02M7/04GK202172364SQ201120318760
公開日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月29日
發(fā)明者王盛學(xué) 申請(qǐng)人:王盛學(xué)