CN101135721A

CN101135721A - 一种适用于蓄电池组综合性能测试的拓扑电路

Info

Publication number: CN101135721A
Application number: CNA200710062507XA
Authority: CN
Inventors: 颜湘武; 曲伟; 韩志军; 谷建成; 董清; 张丽霞; 康伟; 张波; 谷晓斌; 王金省; 李和明
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2007-08-03
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2008-03-05

Abstract

一种适用于蓄电池组综合性能测试的拓扑电路，属测试技术领域，用于解决蓄电池组的综合测试问题。其技术方案是：它由线性调节电流源电路、双向变流电压源电路、蓄电池组极性切换电路以及控制电路组成，上述电路与被测蓄电池组串联构成充放电回路；所述线性调节器由场效应管Q并联构成，它串联于充放电回路中，其栅极接其控制电路；所述蓄电池组极性切换电路由四个晶闸管组成桥式电路，桥臂c、d端接被测蓄电池组，a、b端串接于充放电回路中，四个晶闸管的触发极接其控制电路。本发明不仅使测试***体积小、功耗低、波纹小、具有高电压、大电流、大功率输出的能力，而且在放电过程中蓄电池组的储能能够回馈电网，节约了能源。

Description

一种适用于蓄电池组综合性能测试的拓扑电路

技术领域

本发明涉及一种改进的蓄电池组综合性能测试电路，适用于对高电压、大电流、大功率的蓄电池组进行综合性能测试，属测试技术领域。

背景技术

蓄电池组综合性能测试***是大容量高能量密度蓄电池组和超级电容器组(例如：电动汽车用动力蓄电池组、分布式能源***中的储能电容器以及其它行业中用蓄电池组和超级电容器组)的容量、荷电保持能力、能量密度、功率密度、循环寿命等静态性能，以及瞬时极限功率、内阻、单体电压一致性等动态性能的重要测试工具，也是研究不同充放电形式对蓄电池组和超级电容器组影响的重要设备。

传统的蓄电池综合性能测试仪，是利用晶体管工作在线性放大区时的电流源特性，以工作在线性放大区的晶体管作为充放电电流的调整元件，由计算机在线编程控制充、放电试验以及在线检测来完成性能测试。这种蓄电池综合性能测试仪的优点是充、放电电流几乎无波纹，缺点主要有两个，一是在充电和放电状态，晶体管工作在线性放大区，管压降大，功耗高，因而只适合用来检测单只蓄电池；二是放电测试时，蓄电池放出的电能耗散在晶体管上，蓄电池的储能无法回馈电网。如果采用这种类型的蓄电池综合性能测试仪，对蓄电池组(例如电动汽车用动力蓄电池组)进行测试，则设备体积会非常庞大，成本也非常高，且能量转换效率低，能源浪费大，造成测试环境温度升高，给测试人员带来不便。

采用PWM整流器变流技术或晶闸管全控整流器变流技术对充放电电流进行调整，能使蓄电池组综合性能测试装置获得理想的AC/DC变换特性和DC/AC变换特性(有源逆变)以及高电压、大电流、大功率(如500V/500A，225kW)输出能力，不仅可实现全范围可调，而且切换蓄电池组极性后具有双向变流能力。但是，由于蓄电池组的内阻极小，无论是采用PWM整流器变流技术还是传统的晶闸管全控整流器变流技术，即使充分考虑滤波器的滤波作用，直流侧的波纹系数仍会很大，而且滤波器还会降低***的响应速度。因此，直接采用PWM整流器变流技术或晶闸管全控整流器变流技术都难以满足蓄电池组综合性能测试时对充、放电电流波纹小的要求，这将大大影响瞬时极限功率等动态性能指标的测试结果，降低测试结果的公信度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低功耗、波纹小、蓄电池组的储能回馈电网的适用于蓄电池组综合性能测试的拓扑电路。

本发明所称问题是以下述技术方案实现的：

一种适用于蓄电池组综合性能测试的拓扑电路，它由线性调节电流源电路、双向变流电压源电路、蓄电池组极性切换电路以及控制电路组成，所述线性调节电流源电路、双向变流电压源电路、蓄电池组极性切换电路与被测蓄电池组串联构成充放电回路，线性调节电流源、双向变流电压源电路、蓄电池组极性切换电路的控制端接其控制电路；所述线性调节电流源由场效应管Q构成，它串联于充放电回路中，其栅极接控制电路；所述蓄电池组极性切换电路由四个晶闸管组成桥式电路，桥臂c、d端接被测蓄电池组，a、b端串接于充放电回路中，四个晶闸管的触发极接其控制电路。

上述适用于蓄电池组综合性能测试的拓扑电路，所述双向变流电压源电路由整流变压器T和六个晶闸管组成，六个晶闸管接成三相全控桥式整流电路，六个晶闸管的触发极接其控制电路。

上述适用于蓄电池组综合性能测试的拓扑电路，所述双向变流电压源电路由整流变压器T和PWM整流桥构成，PWM整流桥的控制端接其控制电路。

上述适用于蓄电池组综合性能测试的拓扑电路，在充放电回路增设极性切换时限制瞬间冲击电流的线性电抗器L2。

上述适用于蓄电池组综合性能测试的拓扑电路，所述控制电路包括电压闭环控制电路、电流闭环控制电路和蓄电池组的极性控制电路，所述电压闭环控制电路由PID电路和功放电路组成，PID电路设置三个反馈信号输入，一个输入取自蓄电池组端电压，一个输入取自双向变流电压源滤波后的输出电压，一个输入取自给定的定值参考电压，PID电路的输出经移相功放电路后控制三相全控桥晶闸管的触发极或PWM整流桥的控制端；所述电流闭环控制电路由PID电路和功放电路组成，PID电路设置两路反馈信号输入，一个输入接给定电流信号，一个输入取自蓄电池组的充放电电流，PID电路的输出信号经功放电路放大后控制场效应管Q的栅极。

本发明利用蓄电池组极性切换电路改变蓄电池组的接入极性，实现充电与放电之间的切换；用具有电流源特性的线性调节器控制测试过程中蓄电池组充放电电流的大小，可显著减小波纹；利用双向变流电压源电路提供与蓄电池组相当的电压，利用闭环反馈PID(比例—积分—微分)调节双向变流电压源电压，维持电压源电压与蓄电池组电压差约为10V左右的动态状态，保证线性调节电流源的最佳工作条件，最大限度地减小场效应管Q上的耗散功率，降低线性调节器的功耗，提高整个测试***的能量转换效率，同时有利于减小整个装置的体积。本发明具有高电压、大电流(如500V/500A，225kW)输出能力，同时在蓄电池组的放电过程中，还可以将蓄电池组的能量转换为交流电回馈电网，减少了能源的浪费。控制电路按设定程序控制整个电路完成充、放电试验以及蓄电池组的在线性能测试。总之，本发明可以有效保障线性调节器的低电压降，即低功耗；测试***可以体积小、功耗低、波纹小、具有高电压、大电流、大功率的输出能力，而且在放电过程中蓄电池组的储能能回馈电网，节约了能源。

附图说明

图1是本发明电原理框图；

图2、图3分别是充电过程和放电过程的等效电路图；

图4是双向变流电压源采用晶闸管全控整流器时的电原理图；

图5是双向变流电压源采用PWM整流桥时的电原理图；

图6、图7分别是充电阶段和放电阶段的简化示意图。

图中各标号为：U_K、双向变流电压源电路的等效电压源，I₀、线性调节器的等效电流源，I_G、给定指令电流，U、线性调节器的压降，U_BT、蓄电池组电压，BT、蓄电池组，K、空气开关，T、整流变压器，SCR1～SCR10、晶闸管，C1～C4、电容器，Q、场效应管，PWM、PWM整流桥，L1～L5、电感(电抗器)，QKQ、晶闸管全控桥。

具体实施方式

本发明的基本思想是以一个电压源和一个电流源串联与待测蓄电池组构成一个充放电回路，在充、放电运行时，电压源提供与蓄电池组相当的电压，保证电流源正常工作在最小电压降，一般在10V左右，最大限度地降低电流源的功耗，提高整个测试***的能量转换效率。使本发明具有如下特征：①高电压、大电流(例如500V/500A，225kW)输出能力；②电压、电流均全范围可调；③响应速度快(如瞬时极限功率测试时要求电流在40ms内调节稳定到给定值)；④直流电流波纹小于0.2％，而非通常的电流平均值或有效值恒定；⑤具有双向变流能力，能量可以回馈电网；⑥采用新型的PWM整流器变流技术时，还能够实现网侧功率因数高，低谐波；⑦节省有色金属，整机能量转换效率高。

图2是充电过程的等效电路图，约U＝10V，图中有U_K＝U_BT+10。图3是放电过程的等效电路图，约U＝10V，放电过程中，U_K＝U_BT-10。

图4、图5中，大功率晶体管Q(MOS管)作为充放电电流调整的电子载体，它工作在线性放大状态。工作在线性放大区的场效应管的输出电阻往往较普通晶体管高得多，可达兆欧左右，恒流源正是利用场效应管输出阻抗高和相对恒定的电流特性构成。

普通电路常用达林顿结构的晶体三极管作为调整管，由于它需要有近十伏的管压降才能工作在线性状态，所以驱动电路管耗大、效率低、电路复杂。而现在一些功率MOS管的沟道电阻已降到10^-2的量级，用它作为调整管管压降可以做得很低，效率也可大幅度提高，而且由于功率MOS管可以等效成电压控制电流源型器件，控制功率很小，所以电路也可大为简化。

采用晶闸管全控整流器变流技术或PWM整流器变流技术，可以获得可控的AC/DC变换特性(整流)和DC/AC变换特性(有源逆变)，容易实现高电压、大电流、大功率(例如500V/500A，225kW)输出能力，以及全范围可调，切换蓄电池组极性后具有双向变流功能。

本发明主要工作在三种典型状态：充电、转换、放电，以晶闸管全控桥变流电流为例，各典型状态的工作原理如下：

①充电阶段(如图4)。三相交流电经整流变压器、工作在整流状态的三相全控桥，LC滤波电路、场效应管Q，SCR1，SCR4给动力蓄电池组充电，此过程采用晶闸管全控桥跟踪蓄电池组电压的电压闭环调节方式，控制电路通过检测蓄电池组的电压来改变晶闸管全控桥的导通角，使晶闸管全控桥经过LC滤波电路后的输出电压高于动力蓄电池组的电压10V左右，从而保证线性调节器两端压降限制在10V左右，来自双向变流电压源输出端的电压信号为反馈信号；条件满足后，蓄电池组综合性能测试电路按测试工艺要求开始工作。一个测试阶段完成后，全控桥回到初始工作状态(充电方式触发角后移到最大，放电方式导通角减少到最小)，由于电容C4两端电压比蓄电池组电压高，电容器还要继续对蓄电池组进行短暂的充电，此时线性调节器两端压降很低，其工作在全导通状态，直至电容两端电压和动力蓄电池组两端电压相等时，电路电流为零，晶闸管自然关断，充电过程结束。

②充放电转换阶段。充电阶段结束后，电容C4电压极性是上正(+)、下负(-)，而放电开始时，直流侧单桥(SCR2，SCR3)开通，蓄电池组电压极性应为下正(+)、上负(-)，将首先对电容器反向充电，此时，线性调节器两端电压约是蓄电池组电压的两倍，电路中将有很大的瞬时冲击电流流过线性调节器，因此，需要在电路中加入限流电抗器L2，起到限制瞬态电流和分压的作用，从而保护线性调节器。当电容C4电压极性为下正(+)上负(-)，幅值接近蓄电池组电压时，充放电转换过程结束。

③放电阶段。蓄电池组经直流侧单桥(SCR2，SCR3)，工作在有源逆变状态的三相全控桥，LC滤波电路，场效应管Q形成回路，通过整流变压器向三相交流电网放电，此阶段与充电阶段所不同的是控制电路通过检测蓄电池组的电压来改变晶闸管全控桥的逆变角，使动力蓄电池组的电压高于电容器两端电压10V左右，从而保证线性调节器电压极性始终是左正(+)右负(-)，且电压限制在10V以内。条件满足后，蓄电池组综合性能测试电路按测试工艺要求开始工作。在充放电过程中，以放电电流为调节对象，闭环控制线性调节器的栅极电压，使输出电流稳定在指令值上。

利用线性调节器的电流源特性，可以满足输出电流低波纹的要求；电压闭环控制和电流闭环控制可以采用软件编程实现，也可以硬件电路实现，均可保证电路的电压、电流精度，响应时间。

Claims

1.一种适用于蓄电池组综合性能测试的拓扑电路，其特征在于，它由线性调节器、双向变流电压源电路、蓄电池组极性切换电路以及控制电路组成，所述线性调节电流源电路、双向变流电压源电路、蓄电池组极性切换电路与被测蓄电池组串联构成充放电回路，线性调节电流源电路、双向变流电压源电路、蓄电池组极性切换电路的控制端接其控制电路；所述线性调节器由场效应管Q构成，它串联于充放电回路中，其栅极接控制电路；所述蓄电池组极性切换电路由四个晶闸管组成桥式电路，桥臂c、d端接被测蓄电池组，a、b端串接于充放电回路中，四个晶闸管的触发极接其控制电路。

2.根据权利要求1所述适用于蓄电池组综合性能测试的拓扑电路，其特征是，所述双向变流电压源电路由整流变压器T和六个晶闸管及L₁、C₄滤波电路组成，六个晶闸管接成三相全控桥式整流电路，六个晶闸管的触发极接其控制电路。

3.根据权利要求1所述适用于蓄电池组综合性能测试的拓扑电路，其特征是，所述双向变流电压源电路由整流变压器T和PWM整流桥构成，PWM整流桥的控制端接其控制电路。

4.根据权利要求2或3所述的适用于蓄电池组综合性能测试的拓扑电路，其特征是，在充放电回路增设极性切换时限制瞬间冲击电流的线性电抗器L₂。

5.根据权利要求4所述的适用于蓄电池组综合性能测试的拓扑电路，其特征是，所述控制电路包括电压闭环控制电路、电流闭环控制电路和蓄电池组的极性控制电路；所述电压闭环控制电路由PID电路和功放电路组成，PID电路设置三个反馈信号输入，一个输入取自蓄电池组端电压，一个输入取自双向变流电压源滤波后的输出电压，一个输入取自给定的定值参考电压，PID电路的输出经移相功放电路后控制三相全控桥晶闸管的触发极或PWM整流桥的控制端；所述电流闭环控制电路由PID电路和功放电路组成，PID电路设置两路反馈信号输入，一个输入接给定电流信号，一个输入取自蓄电池组的充放电电流，PID电路的输出信号经功放电路放大后控制场效应管Q的栅极。