CN115166571A - 一种基于数字控制的电池充电***的测试方法 - Google Patents

一种基于数字控制的电池充电***的测试方法 Download PDF

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程兆刚
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赵玉龙
俞文文
张飒
齐子元
殷军辉
邓辉咏
薛德庆
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Abstract

本申请提供了一种针对数字控制电池充电***的测试设备、方法及装置，设备包括：可编程交流电源、电子负载设备、示波器、辅助设备和被测实验样机；被测实验样机与可编程交流电源电连接，可编程交流电源为测试设备供电；电子负载设备、示波器和辅助设备均与被测实验样机电连接。本申请为了解决如何对基于数字控制的电池充电***进行测试的问题。

Description

一种基于数字控制的电池充电***的测试方法
技术领域
本申请属于充电***测试技术领域，具体地讲，涉及一种针对数字控制电池充电***的测试设备、方法及装置。
背景技术
在目前的电池充电***领域，从拓扑结构角度来看，被大量使用的电路主要有如下几种类型：相控电源、线性电源和开关电源。上述三种电源均存在比较严重的谐波问题，如果不采取谐波治理措施将会对供电***造成严重的谐波污染，导致损耗增加，功率因数下降。因此，高功率因数已经成为电池充电***质量的一个重要指标。为了解决这些问题，提供了一种基于数字控制的电池充电***，其采用两级充电拓扑结构，包括：前级的APFC电路和后级的DC/DC电路，针对该基于数字控制的电池充电***的测试目前尚属于行业内的空白。
发明内容
本申请提供了一种针对数字控制电池充电***的测试设备及方法，以至少解决如何对基于数字控制的电池充电***进行测试的问题。
根据本申请的第一个方面，提供了一种针对数字控制电池充电***的测试设备，包括：可编程交流电源、电子负载设备、示波器、辅助设备和被测实验样机；
被测实验样机与可编程交流电源电连接，可编程交流电源为测试设备供电；
电子负载设备、示波器和辅助设备均与被测实验样机电连接。
在一实施例中，辅助设备包括高压差分隔离探头、高频电流信号感测器、功率表分析仪和万用表。
在一实施例中，被测实验样机为双级拓扑结构，前级为交错并联APFC 电路，主要实现升压和功率因数校正，后级为隔离型移相全桥DC-DC电路。
在一实施例中，APFC电路与DC/DC电路并联；
APFC电路中包括一APFC变换器和一APFC控制器，APFC控制器用于控制APFC变换器；
DC/DC电路中包括一DC/DC变换器和一DC/DC控制器，DC/DC控制器用于控制DC/DC变换器。
在一实施例中，APFC控制器所采用的控制方式为电感电流连续导通模式下的平均电流控制方式。
在一实施例中，DC/DC电路以移相全桥变换器为基础，在变压器的两边加入了2个钳位二极管和1个谐振电感，变压器与滞后桥臂相连。
根据本申请的另一方面，基于上述测试设备，本申请还提供了一种针对数字控制电池充电***的测试方法，包括：
利用针对数字控制电池充电***的测试设备对被测实验样机的前级 APFC电路在整个负载范围内进行测试获得两单元交错并联APFC电路在满载条件下的输入特性分析结果；
根据输入特性分析结果确定两单元交错并联APFC电路设计是否合理；
通过针对数字控制电池充电***的测试设备对被测实验样机的后级隔离型移相全桥DC-DC电路进行测试获得额定负载条件下实测波形；
通过针对数字控制电池充电***的测试设备对被测实验样机进行效率测试获得效率曲线。
根据本申请的第三个方面，提供了一种针对数字控制电池充电***的测试装置，包括：
前级测试单元，利用针对数字控制电池充电***的测试设备对被测实验样机的前级APFC电路在整个负载范围内进行测试获得两单元交错并联 APFC电路在满载条件下的输入特性分析结果；
设计评估单元，用于根据输入特性分析结果确定两单元交错并联APFC 电路设计是否合理；
后级测试单元，通过针对数字控制电池充电***的测试设备对被测实验样机的后级隔离型移相全桥DC-DC电路进行测试获得额定负载条件下实测波形；
效率测试单元，通过针对数字控制电池充电***的测试设备对被测实验样机进行效率测试获得效率曲线。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为充电***样机实验测试平台实物图。
图2为实验样机实物图。
图3为交错并联有源功率因数校正电路满载条件下的输入特性分析图。
图4为交错并联有源功率因数校正电路电感电流实测波形图。
图5为功率因数PF随输出功率变化曲线图。
图6为总谐波畸变率THD随输出功率变化曲线图。
图7为额定负载条件下实测波形图。
图8为超前桥臂实现软开关效果图。
图9为滞后桥臂实现软开关效果图。
图10为不同输出电流条件下的效率曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本申请提供的电池充电***测试设备如图1所示，具体设备型号为：
可编程交流电源：采用的设备型号为NAPUI公司生产的PA9530，既可以模拟正常的电网供电，又可以模拟交流供电中常见的几种的非正常供电情况，比如输入过压、欠压以及频率变化等。
电子负载：负载采用型号为ITECH公司的IT8816B，既可以设置成恒功率、恒电压、恒电流以及恒电阻四种工作模式，又可以模拟负载突变、短路等特殊工况，同时可以读出输出端的相关数据，设置灵活，测量精度高。
示波器：采用RS公司的RTM3024，该型号可同时测量四路模拟型号，带宽为200MHz，最大采样率5G/S。
其他辅助设备：如调试过程中需要用到高压差分隔离探头，测量各路电压信号，采用知用公司的DP6150A(1500V,100MHz)，高频电流信号采用知用公司的CP8030H(30A,100MHz)，用于测量功率因数和THD的功率分析仪Fluke 43B，万用表采用Fluke287C。
实验样机：图2为本申请的实验样机，采用了双级拓扑结构，前级为交错并联APFC电路，主要实现升压和功率因数校正，后级为隔离型移相全桥DC-DC电路，主要实现宽范围电压电流输出，满足充电需求。
基于上述测试设备，本申请还提供了一基于数字控制的电池充电***测试方法，包括：
前级APFC实验测试与分析
针对充电电源对高功率因数以及网侧电流谐波抑制效果的要求，在整个负载范围内，对两单元交错并联APFC电路进行了相关测试和分析。功率因数和总谐波畸变率由功率因数分析仪Fluke 43B测得，输入功率由可编程交流源测得，输出功率由电子负载测得。两单元交错并联APFC电路在满载条件下的输入特性分析如图3所示。
由图3中a)可以看出，在满载条件下，两单元交错并联APFC电路的位移因数DPF＝1，功率因数PF＝1.0，受Fluke 43B的精度限制，PF值应理解为接近于1，网侧输入电流以接近正弦波的形状并且无相位差地跟踪交流电压，达到了功率因数校正的目标。对网侧输入电流的前21次谐波进行的傅里叶分析结果如图3中b)所示，网侧输入电流的THD，即总谐波畸变率仅为3.9％，其中3次谐波和5次谐波为主要的谐波分量。从以上数据可以看出，本申请设计的两单元交错并联APFC电路能够满足额定充电电源对功率因数和网侧输入电流谐波抑制效果的要求。
在两单元交错并联APFC电路满载条件下测试的电感电流波形如图4所示，每路电感电流及总电流通过检测电流霍尔传感器连接的电阻两端电压，由电压值模拟电感电流。
从图4中a)为两路电感电流以及叠加的总电感电流，可以看出，两个 Boost电路均工作于电感电流连续模式下，且为正弦半波，两路电流大小相等，均流效果好，在额定负载条件下总的电感电流最大平均值约为18A，总的纹波峰峰值最大约为1.6A，电流波动约为8.9％，小于设计允许电流波动率10％，说明电感设计合理。图4中b)，图中4c)和图4中d)均为图4中a)的电流波形放大，可以看出，单路工作频率为70kHz，两路电感电流叠加后，总的电流纹波加倍，为140kHz，总的电流纹波幅值也有所减小。从图4的b)中可以看出，当占空比等于50％时，两路电感电流纹波叠加后完全抵消变为零。从图4的c)和图4的d)中也可以看出在单路占空比为 70％和30％时，总的电流纹波也减小了将近50％，与理论分析一致。以上数据说明两单元交错并联APFC电路设计合理。
由于电池从开始充电到充电结束的每个阶段输出功率不同，而在整个充电过程中都要求前级APFC电路有良好的功率因数校正效果，因此必须保证在整个负载范围内的功率因数和总谐波畸变率均具有较好的特性。所以，在不同的负载条件下，分别测试了该充电***的功率因数PF以及总谐波畸变率THD，并分别绘制了功率因数PF和总谐波畸变率THD随输出功率的变化曲线如图5、图6所示。
从图5中可以看出，在输入功率为500W时，功率因数PF已经达到了 0.98，输入功率在接近900W时，功率因数达到了0.99以上，且功率因数 PF随输出功率的增加而呈现上升趋势，在输出功率为1.7kW时达到了1.0。从图6中可以看出，总谐波畸变率THD随输出功率的增加而呈现下降趋势，输入功率从600W增大到2.4kW时，THD也随之相应地从8％下降到3.7％。其中，在低于600W时，虽然THD较大，但是，在整个充电过程中，低功率时段持续时间短，对电网污染不严重。充电***的主要输出功率区间为 [1.2kW,2.4kW]，这一区间的THD非常小、功率因数校正效果好，因此可以认为本申请设计的电池充电***对电网造成的谐波污染小。
后级DC-DC变换器实验测试与分析
后级隔离型充电变换电路采用加入钳位二极管的移相全桥ZVS PWM 变换器。数字控制芯片通过检测电池电压以及充电电流来判断充电状态，根据三阶段充电曲线在线调节移相全桥ZVS PWM变换电路输出电压与输出电流。满载条件下，变换电路的主要工作波形如图7所示。其中，Q1和Q4分别是全桥电路中超前桥臂上MOS管与滞后桥臂下MOS管的驱动信号，iLr为加入的谐振电感的电流，ip为变压器原边电流；iD7和iD8分别为两个钳位二极管的电流；VD6为副边输出整流二极管两端反向电压；Vrect为副边输出整流电压。
从图7中可以看出，处于对角位置的Q1和Q4移相工作，谐振电感电流iLr与变压器原边电流ip有一时段存在差值，而这差值正好流过钳位二极管D7和D8。在额定负载条件下，钳位二极管D7、D8在导通钳位时，流过的电流峰值小于3A，持续时间很短，且每个二极管在每个周期只导通一次，这有利于减小损耗，提高效率；变压器副边输出整流二极管上反向电压尖峰和震荡得到了有效地抑制，由于电压尖峰低于100V，所以可以选择耐压值较低的二极管。
软开关的实现效果是移相全桥ZVS PWM变换器最为关键的性能指标之一。由该变换器的工作过程可知，四个开关管的关断过程一定是零电压关断，所以只要测试开通过程的波形即可。而移相全桥ZVS PWM变换器前后桥臂实现软开关的条件不同，并且在轻载条件下，实现ZVS困难，所以在分析软开关效果的同时说明了负载条件。
在四分之一额定负载条件下，超前桥臂实现软开关效果如图8所示。可以看出，在驱动信号出现之前，其漏源级之间电压已经下降到零，刚好实现了零电压软开关。滞后桥臂实现软开关较超前桥臂困难。因此，在超前桥臂刚好能够实现零电压软开关的负载条件下，滞后桥臂则无法实现零电压软开关。在二分之一额定负载条件下，滞后桥臂实现软开关效果如图9所示。可以看出，在负载较重时，滞后桥臂实现了零电压软开关，由此可以判断在充电电源的主要功率区间内，前后桥臂均能较好地实现零电压软开关。
充电***整机效率测试与分析
图10为本项目设计的充电电源样机的效率曲线。从图10中可以看出，充电电源在主要负载范围之内的效率均在90％以上，其中效率大于92％的功率区间为[1.2kW,2.4kW]。整机最大效率为95.8％，在满载条件下，整机效率约为94％，可以满足充电电源对效率的要求。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种针对数字控制电池充电***的测试装置，可以用于实现上述实施例中所描述的方法，如下面实施例所述。由于该针对数字控制电池充电***的测试装置解决问题的原理与针对数字控制电池充电***的测试方法相似，因此针对数字控制电池充电***的测试装置的实施可以参见针对数字控制电池充电***的测试方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的***较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
本申请提供的针对数字控制电池充电***的测试装置包括：
前级测试单元，利用针对数字控制电池充电***的测试设备对被测实验样机的前级APFC电路在整个负载范围内进行测试获得两单元交错并联 APFC电路在满载条件下的输入特性分析结果；
设计评估单元，用于根据输入特性分析结果确定两单元交错并联APFC 电路设计是否合理；
后级测试单元，通过针对数字控制电池充电***的测试设备对被测实验样机的后级隔离型移相全桥DC-DC电路进行测试获得额定负载条件下实测波形；
效率测试单元，通过针对数字控制电池充电***的测试设备对被测实验样机进行效率测试获得效率曲线。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和 /或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的方法中全部步骤的一种电子设备的具体实施方式，所述电子设备具体包括如下内容：
处理器(processor)、存储器(memory)、通信接口(Communications Interface)和总线；
其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；
所述处理器用于调用所述存储器中的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例中的方法中的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述步骤：
利用针对数字控制电池充电***的测试设备对被测实验样机的前级 APFC电路在整个负载范围内进行测试获得两单元交错并联APFC电路在满载条件下的输入特性分析结果；
根据输入特性分析结果确定两单元交错并联APFC电路设计是否合理；
通过针对数字控制电池充电***的测试设备对被测实验样机的后级隔离型移相全桥DC-DC电路进行测试获得额定负载条件下实测波形；
通过针对数字控制电池充电***的测试设备对被测实验样机进行效率测试获得效率曲线。
本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的方法中全部步骤的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的方法的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述步骤：
利用针对数字控制电池充电***的测试设备对被测实验样机的前级 APFC电路在整个负载范围内进行测试获得两单元交错并联APFC电路在满载条件下的输入特性分析结果；
根据输入特性分析结果确定两单元交错并联APFC电路设计是否合理；
通过针对数字控制电池充电***的测试设备对被测实验样机的后级隔离型移相全桥DC-DC电路进行测试获得额定负载条件下实测波形；
通过针对数字控制电池充电***的测试设备对被测实验样机进行效率测试获得效率曲线。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于硬件+程序类实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。虽然本说明书实施例提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或终端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本说明书实施例时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，也可以将实现同一功能的模块由多个子模块或子单元的组合实现等。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
本领域技术人员应明白，本说明书的实施例可提供为方法、***或计算机程序产品。因此，本说明书实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本说明书实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种针对数字控制电池充电***的测试设备，其特征在于，包括：可编程交流电源、电子负载设备、示波器、辅助设备和被测实验样机；
所述被测实验样机与所述可编程交流电源电连接，所述可编程交流电源为测试设备供电；
所述电子负载设备、所述示波器和所述辅助设备均与被测实验样机电连接。
2.根据权利要求1所述的针对数字控制电池充电***的测试设备，其特征在于，所述辅助设备包括高压差分隔离探头、高频电流信号感测器、功率表分析仪和万用表。
3.根据权利要求1所述的针对数字控制电池充电***的测试设备，其特征在于，所述被测实验样机为双级拓扑结构，前级为交错并联APFC电路，主要实现升压和功率因数校正，后级为隔离型移相全桥DC-DC电路。
4.根据权利要求3所述的针对数字控制电池充电***的测试设备，其特征在于，所述APFC电路与所述DC/DC电路并联；
所述APFC电路中包括一APFC变换器和一APFC控制器，所述APFC控制器用于控制APFC变换器；
所述DC/DC电路中包括一DC/DC变换器和一DC/DC控制器，所述DC/DC控制器用于控制所述DC/DC变换器。
5.根据权利要求4所述的针对数字控制电池充电***的测试设备，其特征在于，所述APFC控制器所采用的控制方式为电感电流连续导通模式下的平均电流控制方式。
6.根据权利要求5所述的针对数字控制电池充电***的测试设备，其特征在于，所述DC/DC电路以移相全桥变换器为基础，在变压器的两边加入了2个钳位二极管和1个谐振电感，变压器与滞后桥臂相连。
7.一种针对数字控制电池充电***的测试方法，其特征在于，包括：
利用所述针对数字控制电池充电***的测试设备对被测实验样机的前级APFC电路在整个负载范围内进行测试获得两单元交错并联APFC电路在满载条件下的输入特性分析结果；
根据所述输入特性分析结果确定两单元交错并联APFC电路设计是否合理；
通过所述针对数字控制电池充电***的测试设备对被测实验样机的后级隔离型移相全桥DC-DC电路进行测试获得额定负载条件下实测波形；
通过所述针对数字控制电池充电***的测试设备对所述被测实验样机进行效率测试获得效率曲线。
8.一种针对数字控制电池充电***的测试装置，其特征在于，包括：
前级测试单元，利用所述针对数字控制电池充电***的测试设备对被测实验样机的前级APFC电路在整个负载范围内进行测试获得两单元交错并联APFC电路在满载条件下的输入特性分析结果；
设计评估单元，用于根据所述输入特性分析结果确定两单元交错并联APFC电路设计是否合理；
后级测试单元，通过所述针对数字控制电池充电***的测试设备对被测实验样机的后级隔离型移相全桥DC-DC电路进行测试获得额定负载条件下实测波形；
效率测试单元，通过所述针对数字控制电池充电***的测试设备对所述被测实验样机进行效率测试获得效率曲线。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求7所述针对数字控制电池充电***的测试方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求7所述针对数字控制电池充电***的测试方法的步骤。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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