CN102097847A - 并联型蓄电池大电流恒流放电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联型蓄电池大电流恒流放电装置，其特征在于：包括相互并联连接的一台或多台恒流放电模块，每个放电模块之间通过通讯线连接，每个放电模块与蓄电池连接。放电模块通过控制投切开关的投入数量和调节送到直流变换器的电流给定值实现放电电流的粗调和微调。本装置放电电流控制调节精度高、结构简单、可实现不同容量放电模块并联、并联时具有自动和手动等不同电流分配模式。

Description

并联型蓄电池大电流恒流放电装置

技术领域

    本发明涉及一种并联型蓄电池大电流恒流放电装置，属于工业检测领域。

背景技术

目前，以铅酸电池为主的蓄电池被广泛应用在电力、铁路、银行、电信等重要部门，为保护、控制、通信、计算机等设备提供不间断直流电源或通过UPS提供交流不间断电源。上述不间断电源***的使用周期主要取决于蓄电池的使用寿命，而对蓄电池进行定期的充电和放电维护对有效提高蓄电池的使用寿命具有重要意义。

另外，随着传统石油化石能源的日益紧缺和发展低碳经济的需要，国内正在大力发展电池集中充电站等各种形式的电动汽车充电设施，以促进电动汽车产业的发展。在集中充电站中，每天有大量的动力电池循环充放电，电池的使用频率非常高。这就需要利用放电装置定期对电池容量进行检测和标定，以保证电池的质量和使用寿命，确保电动汽车正常运行。

传统的蓄电池放电装置主要有以下几种：（1）用阻性原件作为放电负载。随着放电过程的进行，蓄电池的电压逐渐下降，放电电流下降，此时必须通过手动调节放电电阻，以维持放电电流的恒定。（2）用串联稳压等线性电路实现。这种方式体积笨重，功耗大，不适合制作大电流负载。（3）热电偶外加可变电阻方式。（4）利用相控式充电机工作在逆变状态，将电能回馈到电网。上述几种放电装置的主要问题是放电电流精度不高，不易实现大电流放电，且操作复杂，在实际使用过程中不是很方便。

发明内容

本发明针对上述传统的蓄电池放电装置存在的问题，提供了一种放电电流更加精确、放电过程更加可靠、方便扩容的并联型蓄电池大电流恒流放电装置。

为了实现上述功能，本发明提供以下技术方案：

一种并联型蓄电池大电流恒流放电装置，其特征在于：包括相互并联连接的一台或多台恒流放电模块，每个放电模块之间通过通讯线连接，每个放电模块与蓄电池连接。

前述的并联型蓄电池大电流恒流放电装置，其特征在于：所述放电模块包括输入开关，输入开关与放电蓄电池相连，放电电压和放电电流检测电路与处理器相连，多个投切开关分别与输入开关、微处理器相连，每个投切开关与一个PTC热敏电阻条相连，直流变换器分别与微处理器、每个PTC热敏电阻条相连，直流变换器同时与一附加PTC热敏电阻条相连。

前述的并联型蓄电池大电流恒流放电装置，其特征在于：所述微处理器同时与人机操作显示界面相连。

前述的并联型蓄电池大电流恒流放电装置，其特征在于：所述投切开关包括相互并联的直流继电器RL1和IGBT功率开关管Q1及相应的驱动电路，直流继电器RL1与微处理处理器相连，IGBT功率开关管Q1的集电极与输入开关相连。

前述的并联型蓄电池大电流恒流放电装置，其特征在于：所述驱动电路包括三极管Q2，三极管Q2的基极通过稳压管DZ1与电阻R1相连，三极管Q2的集电极与通过电阻R4与IGBT功率开关管Q1的基极相连，三极管Q2的集电极同时通过电阻R3与直流继电器RL1相连，电阻R5与电容C2并联，两端分别与三极管Q2的发射极、电阻R4与IGBT功率开关管Q1的基极之间的节点相连，电阻R2与二极管D1串联连接后与电阻R1并联，稳压管DZ1与电阻R1之间的节点通过铝电解电容器C1与三极管Q2的发射极相连。

前述的并联型蓄电池大电流恒流放电装置，其特征在于：所述直流变换器包括脉冲宽度调制芯片3525及其***控制电路，功率开关管Q11通过驱动电路二与脉冲宽度调制芯片3525相连，续流二极管D11、滤波电容Cf和附加PTC热敏电阻条依次并联连接，滤波电感Lf串联连接于续流二极管D11和滤波电容Cf之间，续流二极管D11与滤波电感Lf之间的节点通过功率开关管Q11接入输入开关，续流二极管D11的另一端也接入输入开关并接地。

本发明所达到的有益效果：

1)通过控制多路投切开关的投入数量和调节直流变换器的放电电流给定实现放电电流的粗调和微调，调节精度高，调节速度快；

2)投切开关通过普通继电器和IGBT并联实现。其中，IGBT只在继电器关断后短时间内流过电流，有效避免继电器拉弧，避免了常规功率管开关需要散热器、通风等必需的散热措施，简化了装置结构，提高了可靠性；

3)微处理器直接给出放电电流给定信号到直流变换器，变换器通过改变输出电压实现放电电流微调，调节精度高；

4)放电装置可由多个放电模块并联组成，可选择自动电流分配模式和手动电流分配模式，实现不同容量放电装置的并联，使用灵活；

5)微处理器可自动统计放电容量和放电曲线等数据并进行分析，可保证蓄电池放电过程的安全可靠。

附图说明

图1 为本发明放电装置原理框图；

图2 单个放电模块原理框图；

图3 投切开关原理框图；

图4 BUCK型直流变换器原理框图。

具体实施方式

本发明根据蓄电池的容量和放电电流要求，由一台或多台恒流放电模块并联组成，每个放电模块之间通过通讯线连接，其原理框图如图1所示。蓄电池连接到每个放电模块的输入开关，每个放电模块根据主放电模块发送的数据和指令，控制自身电阻条投切开关的投入数量并调节送到直流变换器的电流给送调节蓄电池放电电流，进行放电操作。

图2给出了单个放电模块的原理框图。每个放电模块主要由输入开关、放电电压和放电电流检测电路、微处理器、多个投切开关、一个直流变换器、多个PTC热敏电阻条及多个风扇组成。PTC热敏电阻条采用低热高效新型PTC电热元件，体积小，使用方便，可长时间稳定运行，无红热危险，对人体及其周围设备无任何干扰和噪音污染，比较适合用于蓄电池的放电负载。

放电时，微处理器通过人机操作与显示界面或者通信方式接收到放电电流指令后，比较拟放电电流值与1～10号PTC热敏电阻条和直流变换器的额定放电电流大小，通过运算或者查表的方式确定投入的投切开关的数量和位置，并将相应的电流给定信号送到直流变换器。放电装置在工作过程中，通过控制投切开关的导通和关断数量实现对放电电流的粗调，通过调节直流变换器放电电流给定实现对放电电流的微调。其中，直流变换器的放电电流给定可以直接利用微处理器的D/A输出实现，也可利用微处理器和外接D/A转换器结合实现。

图3给出了投切开关及其驱动电路的原理框图。该电路主要由直流继电器RL1、IGBT功率开关管Q1、电阻R1～R5、普通二极管D1、稳压二极管DZ1、三极管Q2、铝电解电容器C1、CBB电容C2、+12V工作电源组成。控制信号S1为低电平时，分析可知Q1和RL1均处于导通状态。由于继电器的内阻几乎为零，因此正常导通工作过程中IGBT处于被短路状态，流过的电流为零。投切开关需要断开时，控制信号S1瞬间变成高电平，RL1在经过10ms（此时间与继电器的特性有关）左右的延迟后迅速关断，放电电流转移到IGBT。同时，控制信号S1变成高电平后，通过电阻R1给电解电容C1充电，直到电解电容C1的端电压超过稳压二极管的稳定电压与三极管Q2的基极驱动电压之和后（这段时间可通过调节R1和C1的数值实现，一般可控制在100ms以内），三极管Q2导通，并联的IGBT由于驱动信号变成低电平而关断。投切开关关断过程中，由于继电器首先断开，IGBT流过放电电流，通过驱动电路延时使得IGBT在继电器完全断开后再关断，避免继电器拉弧损坏。整个过程中，IGBT的发热几乎可忽略不计，避免了常规只用MOSFET/IGBT作为投切开关时必须的散热器和通风措施。如果接下来要开通投切开关，则控制信号S1重新变成低电平，继电器RL1迅速开通，C1通过D1和R2快速放电，Q2截止，IGBT也迅速导通，从而完成导通控制过程。由于继电器内阻几乎为零，IGBT被继电器短路，不流过电流。

图4以BUCK型直流变换器为例说明直流变换器的电流调节原理。该变换器主要由脉冲宽度调制芯片3525及其***控制电路、功率开关管Q11、续流二极管D1、滤波电感Lf和滤波电容Cf组成。调节过程中，微处理器将所需的放电电流转换成电压量送到3525***控制电路，控制电路将该电压量通过一系列运算和调节后，输出占空比可调的PWM脉冲给功率管Q11，通过调节BUCK变换器的输出电压实现放电电流微调。直流变换器除了上述的BUCK电路外，也可以是BUCK/BOOST等其它不同类型。

工作过程中，微处理器将所需的放电电流转换成电压量送到直流变换器后，直流变换器通过改变输出电压以便对放电电流进行微调。为了减小电流调节过程对蓄电池的冲击，微处理器的放电电流给定从小到大逐渐变化，这样直流变换器对应的输出电压和放电电流也逐渐从小变大，并很快稳定在一个相对恒定的数值。

放电装置需要多个放电模块并联工作时，首先通过每个放电装置对应的拨码开关设定模块地址。地址为1的放电模块为主放电模块，对整个放电过程进行控制和管理；地址为2、3…的放电模块为从模块，接受主机的数据和控制指令。并联时有两种放电电流分配模式：

1）自动电流分配模式。主放电模块根据自身额定放电电流和通过通信方式获取的其它并联放电模块的额定放电电流值，以及人工设置的蓄电池放电电流数值，按比例设置所有放电模块的放电电流大小，并通过通讯方式将放电电流、放电时间和放电截止电压等相关数据和指令传送给从放电模块。

2）手动电流分配模式。通过主放电模块直接设置所有放电模块的放电电流值，并通过通信方式将相关数据和指令传送给从放电模块。

下面以甲、乙两个110V/100A放电模块并联、以手动和自动两种放电电流分配方式为蓄电池提供150A放电电流为例进行说明。设每个放电模块的每个PTC热敏电阻条的额定参数是110V/1100W，即单个电阻条的额定放电电流为10A。将两个放电模块通过RS485通信线连接起来，利用拨码开关设置甲模块为主模块，乙模块为从模块。同时，通过键盘等手段在主模块输入放电截止电压、并联模块数等相关信息。甲模块在检测到自身地址为1即主模块后，根据并联模块的数量通过RS485用广播应答方式向乙模块发送放电指令和查询信息。乙模块在检测到自身地址为2即从模块后，RS485总线除回复主模块信息外一直处于接收信息状态。一旦接收信息对应的地址与自身地址相符，则将自身相关数据发送到主模块：

（1）手动电流分配模式：通过主模块设置并联模块数为2个，放电截止电压为90V，主模块放电电流为85A，从模块放电电流为65A。主模块接收到相关指令后，通过微处理器控制1～8号PTC热敏电阻条对应投切开关导通，同时给出5A对应的电压模拟信号（2V）到BUCK变换器，该变换器输出约55V电压对应5A放电电流。同理，从模块控制1～6号PTC热敏电阻条对应投切开关导通，并给出5A对应的电压模拟信号（2V）到BUCK变换器以输出5A电流。放电过程中，由主模块对整个放电过程进行管理，一旦检测到蓄电池电压低于放电截止电压90V后，给所有模块发出停止放电指令，所有导通的电阻条投切开关依次断开，以减少对蓄电池的冲击。这种方式适合不同容量的放电模块并联。

（2）自动电流分配模式：主模块检测到两个放电模块的放电容量均为110V/100A后、总放电电流为150A、放电模式为自动模式后，自动将75A的放电电流指令发送到所有模块。主从模块在接到指令后，控制1～7号PTC热敏电阻条对应投切开关导通，并给出5A对应的电压模拟信号（2V）到BUCK变换器以输出5A电流。蓄电池电压到达放电截止电压后，处理方法与手动电流分配方式相同。这种方式适合相同容量的放电模块并联。

以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种并联型蓄电池大电流恒流放电装置，其特征在于：包括相互并联连接的一台或多台恒流放电模块，每个放电模块之间通过通讯线连接，每个放电模块与蓄电池连接。

2.根据权利要求1所述的并联型蓄电池大电流恒流放电装置，其特征在于：所述放电模块包括输入开关，输入开关与放电蓄电池相连，放电电压和放电电流检测电路与处理器相连，多个投切开关分别与输入开关、微处理器相连，每个投切开关与一个PTC热敏电阻条相连，直流变换器分别与微处理器、每个PTC热敏电阻条相连，直流变换器同时与一附加PTC热敏电阻条相连。

3.根据权利要求2所述的并联型蓄电池大电流恒流放电装置，其特征在于：所述微处理器同时与人机操作显示界面相连。

4.根据权利要求2或3所述的并联型蓄电池大电流恒流放电装置，其特征在于：所述投切开关包括相互并联的直流继电器RL1和IGBT功率开关管Q1及相应的驱动电路，直流继电器RL1与微处理处理器相连，IGBT功率开关管Q1的集电极与输入开关相连。

5.根据权利要求4所述的并联型蓄电池大电流恒流放电装置，其特征在于：所述驱动电路包括三极管Q2，三极管Q2的基极通过稳压管DZ1与电阻R1相连，三极管Q2的集电极与通过电阻R4与IGBT功率开关管Q1的基极相连，三极管Q2的集电极同时通过电阻R3与直流继电器RL1相连，电阻R5与电容C2并联，两端分别与三极管Q2的发射极、电阻R4与IGBT功率开关管Q1的基极之间的节点相连，电阻R2与二极管D1串联连接后与电阻R1并联，稳压管DZ1与电阻R1之间的节点通过铝电解电容器C1与三极管Q2的发射极相连。

6.根据权利要求2所述的并联型蓄电池大电流恒流放电装置，其特征在于：所述直流变换器包括脉冲宽度调制芯片3525及其***控制电路，功率开关管Q11通过驱动电路二与脉冲宽度调制芯片3525相连，续流二极管D11、滤波电容Cf和附加PTC热敏电阻条依次并联连接，滤波电感Lf串联连接于续流二极管D11和滤波电容Cf之间，续流二极管D11与滤波电感Lf之间的节点通过功率开关管Q11接入输入开关，续流二极管D11的另一端也接入输入开关并接地。

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