CN205620523U - 一种高精度电力系统蓄电池组恒流放电负载 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高精度电力系统蓄电池组恒流放电负载，包括DA输出控制电路、电流放大电路、分段负载接入控制电路、电流采集放大电路、电流AD转换电路、电压采集AD转换电路、单片机运算控制电路及人机交互模块，单片机运算控制电路分别与人机交互模块、DA输出控制电路、电流AD转换电路、分段负载接入控制电路及电压采集AD转换电路连接，DA输出控制电路与电流放大电路连接，分段负载接入控制电路分别与电流放大电路及电压采集AD转换电路连接，电流采集放大电路分别与电流放大电路、分段负载接入控制电路及电流AD转换电路连接。本实用新型实现电流恒定，能够迅速、稳定的按设定值对直流电源设备进行高精度的放电。

Description

一种高精度电力系统蓄电池组恒流放电负载

技术领域

本实用新型涉及直流电子负载领域，尤其涉及一种高精度电力系统蓄电池组恒流放电负载。

背景技术

在电力继电保护系统中，通常会用蓄电池组作为电子继电保护系统的后备电源，为了确保电力继电保护系统的可靠运行，蓄电池组必须时刻保持有效状态，而验证蓄电池组是否有效的最直接有效的手段就是对蓄电池组进行核对性放电。核对性放电是根据被测蓄电池组的标称容量，按一恒定的电流持续进行放电(铅酸蓄电池通常为0.1C)，若持续的时间达到标称容量的要求，则说明被测蓄电池组容量满足要求。因此，在此验证过程中需要提供一种给蓄电池组放电的负载设备。由于蓄电池组的容量较大，放电电流也较大，提供放电的负载设备通常需要具有几千瓦甚至上万瓦的功率。

行业内现有对蓄电池组进行核对性放电的大功率直流电子负载主要有四种。

第一种是采用一固定的大功率纯电阻负载(如图1所示)，由于其负载是固定不变，不可调节，因此仅适用某一种固定容量的蓄电池组E，无法适应多种不同容量的蓄电池组E；而且随着蓄电池组E的放电，蓄电池组E的电压随之降低，在负载电阻不变的情况下，放电电流会随之下降，无法恒定，即不能恒流放电。

第二种是采用多个开关(包括继电器或电子开关(MOS管，IGBT管))和电阻丝负载组合导通来实现(如图2所示)，这种负载虽然可以设定接入的负载大小，可以适应多种不同容量的蓄电池组E，应用范围宽了些，但是可设放电的步进电流粗略，根据设定的电流值，选择多少个开关闭合使对应的电阻丝负载切入放电，由于通过开关的闭合来选择多大的电阻负载切入， 因此无法做得连续可调，其步进电流粗糙，与设定电流差值较大；同时，由于放电过程中电阻负载的发热导致电阻变化，使得放电电流也产生变化。

第三种是采用PWM信号控制负载按占空比导通的方式来实现(如图3所示)，该方法并不是真正意义上的恒流放电，只是电流有效值为设定的恒定值，通常采用PWM信号驱动IGBT管控制负载电阻按一定时间比例导通，使其电流有效值恒定。由于现有的数字控制电路能让PWM信号控制精度做得很高，因此该方法的可设范围宽，电流步进精细，但该方法是采用高频的控制负载不断的导通和断开，其产生的电流谐波很大，由于导通电流很大，可能会导致某些被测对象测试过流保护或冲击损坏。

第四种是采用控制大功率PTC电阻负载的温度来实现(如图4所示)，由于PTC电阻负载的温度系数特性，通过控制其温度能控制其阻值变化，同样，若控制其温度保持在恒定值，其阻值也恒定(同等电压下)，因此采用控制PTC电阻负载的温度来实现控制其电阻值，从而控制负载电流，但是控制PTC电阻负载的温度只能通过热量传导的方式，因此控制缓慢，在刚启动或电压变化时，无法立刻控制电流值为设定值；若在放电过程中发生一些参数变化时，调整电流就比较缓慢。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题，在于提供一种高精度电力系统蓄电池组恒流放电负载，采用高速单片机运算电路配合分段负载接入控制电路的方式，通过分段切入纯电阻负载以及控制晶体管的导通电流来实现电流恒定，能够迅速、稳定的按设定值对直流电源设备进行高精度的放电，可设定范围宽，真正恒流放电，无电流谐波。

本实用新型是这样实现的：

一种高精度电力系统蓄电池组恒流放电负载，包括DA输出控制电路、电流放大电路、分段负载接入控制电路、电流采集放大电路、电流AD转换电路、电压采集AD转换电路、单片机运算控制电路以及人机交互模块，所述单片机运算控制电路分别与所述人机交互模块、所述DA输出控制电路、 所述电流AD转换电路、所述分段负载接入控制电路及所述电压采集AD转换电路连接，所述DA输出控制电路与所述电流放大电路连接，所述分段负载接入控制电路分别与所述电流放大电路及所述电压采集AD转换电路连接，所述电流采集放大电路分别与所述电流放大电路、所述分段负载接入控制电路及所述电流AD转换电路连接，蓄电池组电源的输入正端连接在所述电流放大电路与所述分段负载接入控制电路之间，蓄电池电源的输入负端连接至所述电流采集放大电路。

进一步地，所述分段负载接入控制电路包括复数个控制单元，所述控制单元包括一电阻Rn及一晶体管Qn，所述晶体管Qn的栅极与所述单片机运算控制电路连接，所述晶体管Qn的源极分别与所述电流放大电路及所述电流采集放大电路连接，所述晶体管Qn的漏极与所述电阻Rn的一端连接，所述电阻Rn的另一端分别与所述电流放大电路、所述电压采集AD转换电路及蓄电池电源的输入正端连接，每个所述控制单元之间进行并联。

进一步地，所述电流采集放大电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9以及运算放大器M，所述电阻R5的一端分别与所述电流放大电路、所述分段负载接入控制电路及所述电阻R6的一端连接，所述电阻R5的另一端分别与所述电阻R7的一端及蓄电池电源的输入负端连接，所述电阻R6的另一端分别与所述电阻R8的一端及所述运算放大器M的同相输入端连接，所述电阻R7的另一端分别与所述运算放大器M的反相输入端及所述电阻R9的一端连接，所述电阻R8的另一端接地，所述运算放大器M的输出端分别与所述电阻R9的另一端及所述电流AD转换电路连接。

进一步地，所述电流放大电路包括电阻R1、电阻R2以及三极管Q1，所述电阻R1的一端与所述DA输出控制电路连接，所述电阻R1的另一端与所述三极管Q1的基极连接，所述电阻R2的一端与所述三极管Q1的集电极连接，所述电阻R2的另一端分别与所述分段负载接入控制电路及蓄电池电源的输入正端连接，所述三极管Q1的发射极分别与所述分段负载接入控制电路及所述电流采集放大电路连接。

进一步地，所述人机交互模块包括液晶显示屏以及键盘，所述液晶显示 屏与所述键盘均连接至所述单片机运算控制电路。

本实用新型的优点在于：

1、精度高，采用开关导通的方式将恒阻负载直接接入放电，与线性恒流电路配合，能够更精确稳定地对直流电源进行放电，真实反映被测电源的带载能力和蓄电池的真实容量；

2、可调范围宽，采用多段分段式接入测试，根据所设定的放电电流，按指定算法选择若干段负载接入测试，分段越多，可设电流范围越宽；

3、电流谐波小，不损坏被测对象，采用线性恒流电路配合恒阻放电方式，避免PWM方式所产生的电流谐波，同时遏制因PWM控制导通时的大电流导致某些被测对象测试过流保护或冲击损坏；

4、控制迅速、稳定，启动放电时，由高速的单片机运算控制电路来控制接入负载，使负载立即按设定值进行放电。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本实用新型作进一步的说明。

图1为现有技术中第一种恒流放电方式的示意图。

图2为现有技术中第二种恒流放电方式的示意图。

图3为现有技术中第三种恒流放电方式的示意图。

图4为现有技术中第四种恒流放电方式的示意图。

图5为本实用新型一种高精度电力系统蓄电池组恒流放电负载的结构示意图。

图中标号说明：

1-DA输出控制电路、2-电流放大电路、3-分段负载接入控制电路、4-电流采集放大电路、5-电流AD转换电路、6-电压采集AD转换电路、7-单片机运算控制电路、8-人机交互模块、81-液晶显示屏、82-键盘。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作出进一步地详细说明，但是本实用新型的结构并不仅限于以下实施例。

请参阅图5所示，本实用新型的一种高精度电力系统蓄电池组恒流放电负载，包括DA输出控制电路1、电流放大电路2、分段负载接入控制电路3、电流采集放大电路4、电流AD转换电路5、电压采集AD转换电路6、单片机运算控制电路7以及人机交互模块8，所述单片机运算控制电路7分别与所述人机交互模块8、所述DA输出控制电路1、所述电流AD转换电路5、所述分段负载接入控制电路3及所述电压采集AD转换电路6连接，所述DA输出控制电路1与所述电流放大电路2连接，所述分段负载接入控制电路3分别与所述电流放大电路2及所述电压采集AD转换电路6连接，所述电流采集放大电路4分别与所述电流放大电路2、所述分段负载接入控制电路3及所述电流AD转换电路5连接，蓄电池组电源的输入正端连接在所述电流放大电路2与所述分段负载接入控制电路3之间，蓄电池电源的输入负端连接至所述电流采集放大电路4。

具体地，所述电流放大电路2包括电阻R1、电阻R2以及三极管Q1，所述电阻R1的一端与所述DA输出控制电路1连接，所述电阻R1的另一端与所述三极管Q1的基极连接，所述电阻R2的一端与所述三极管Q1的集电极连接，所述电阻R2的另一端分别与所述分段负载接入控制电路3及蓄电池电源的输入正端连接，所述三极管Q1的发射极分别与所述分段负载接入控制电路3及所述电流采集放大电路4连接。

结合所述DA输出控制电路1和所述电流放大电路2，所述DA输出控制电路1和所述电流放大电路2是由所述单片机(MCU)运算控制电路7按设定值运算后控制所述分段负载接入控制电路3按接近设定电流值放电后，剩下细微的误差由所述单片机(MCU)运算控制电路7控制所述DA输出控制电路1输出相应的电压值，再由所述DA输出控制电路1驱动所述电流放大电路2放电完成。

具体地，所述分段负载接入控制电路3包括复数个控制单元，所述控制单元包括一电阻Rn及一晶体管Qn，所述晶体管Qn的栅极与所述单片机运算控制电路连接，所述晶体管Qn的源极分别与所述电流放大电路2及所述电流采集放大电路连接，所述晶体管Qn的漏极与所述电阻Rn的一端连接， 所述电阻Rn的另一端分别与所述电流放大电路2、所述电压采集AD转换电路6及蓄电池电源的输入正端连接，每个所述控制单元之间进行并联，本实施例中，n取2、3……M；所述分段负载接入控制电路3由所述单片机(MCU)运算控制电路7按设定值运算后控制其若干段纯电阻负载接入放电，使放电电流接近设定值，具有可设定范围宽、无谐波电流的优点。

具体地，所述电流采集放大电路4包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9以及运算放大器M，所述电阻R5的一端分别与所述电流放大电路2、所述分段负载接入控制电路3及所述电阻R6的一端连接，所述电阻R5的另一端分别与所述电阻R7的一端及蓄电池电源的输入负端连接，所述电阻R6的另一端分别与所述电阻R8的一端及所述运算放大器M的同相输入端连接，所述电阻R7的另一端分别与所述运算放大器M的反相输入端及所述电阻R9的一端连接，所述电阻R8的另一端接地，所述运算放大器M的输出端分别与所述电阻R9的另一端及所述电流AD转换电路5连接。

具体地，所述人机交互模块8包括液晶显示屏81以及键盘82，所述液晶显示屏81与所述键盘82均连接至所述单片机运算控制电路7。

另外，所述DA输出控制电路1由单片机(MCU)内部具备或由外部的DA芯片、电路实现的数模转换功能，均在本实用新型的保护范围内；所述电流AD转换电路5由单片机(MCU)内部具备或由外部的AD芯片、电路实现的模数转换功能，均在本实用新型的保护范围内。

本实用新型的工作原理如下：

首先，在启动放电前，操作人员需要通过所述人机交互模块8的键盘82输入需要放电的电流值，即设定值。启动放电后，所述单片机(MCU)运算控制电路7根据设定的电流值以及由所述电压采集AD转换电路6获得的电压值，运算后控制所述分段负载接入控制电路3的K1～KN中的几个闭合，其算法如下：

需要接入的负载电阻R＝电压值U/设定电流值I，但所述分段接入负载 控制电路3接入的电阻值无法刚好等于需要接入的电阻值，因此接入的负载电阻个数N＝接入的负载电阻R/一段的电阻值Rn(每段的阻值均相等)，N取整数部分，此时分段负载部产生的放电电流In＝电压值U/(一段的电阻值RN*N)。剩下所述电流放大电路2需要放电的电流I0＝设定值I-分段负载部产生的放电电流In；

通过以上算法得到所述电流放大电路2的电流值后，所述单片机(MCU)运算控制电路7控制所述DA输出控制电路1输出相应的电压值，该电压值通过所述电流放大电路2的输入电阻产生电流值，由晶体管放大后得到需要的放电电流；

所述电流采集放大电路4将总的放电电流放大后经过所述电流AD转换5进行模数转换，所述单片机(MCU)运算控制电路7通过所述电流AD转换电路5获得实时的放电电流值，当放电电流值不等与设定值时(通常随着蓄电池组的放电，其端电压会下降，导致电流减小)。所述单片机(MCU)运算控制电路7立刻控所述制DA输出控制电路1增大或减小输出电压，从而改变所述电流放大电路2的电流值，致使放电电流值始终保持为设定值。

本专利方案可概括为首先通过算法可得出需要几段的固定负载接入，即为粗调，在由算法获得电流放大部分需要放电的电流值，即为细调，当放电过程中，实际放电电流值偏离设定值时，微机控制器立即调整细调电流部分，使其放电电流值始终恒定在设定值。

由于所述分段接入负载控制电路3是通过控制晶体管的导通电流来实现电流恒定，晶体管工作在线性放大区域，其自身消耗较大的能量，受到晶体管自身额定功率较小的限制，晶体管恒流电路的放电功率无法做得较大，同时为保障晶体管不烧坏，必须加散热器和强制风冷。

放电启动时，所述单片机(MCU)运算控制电路7根据设定的电流大小和采集到的电压大小计算出需要接入多少段的电阻，才能使放电电流最接近设定值，剩下的与设定值的差值部分由所述DA输出控制电路1控制晶体管恒流的输出，使其精确的按设定值放电，电流控制精度高，无电流谐波。

综上所述，本实用新型的优点如下：

1、精度高，采用开关导通的方式将恒阻负载直接接入放电，与线性恒流电路配合，能够更精确稳定地对直流电源进行放电，真实反映被测电源的带载能力和蓄电池的真实容量；

2、可调范围宽，采用多段分段式接入测试，根据所设定的放电电流，按指定算法选择若干段负载接入测试，分段越多，可设电流范围越宽；

3、电流谐波小，不损坏被测对象，采用线性恒流电路配合恒阻放电方式，避免PWM方式所产生的电流谐波，同时遏制因PWM控制导通时的大电流导致某些被测对象测试过流保护或冲击损坏；

4、控制迅速、稳定，启动放电时，由高速的单片机运算控制电路来控制接入负载，使负载立即按设定值进行放电。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本实用新型的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本实用新型的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本实用新型的权利要求所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种高精度电力系统蓄电池组恒流放电负载，其特征在于：包括DA输出控制电路、电流放大电路、分段负载接入控制电路、电流采集放大电路、电流AD转换电路、电压采集AD转换电路、单片机运算控制电路以及人机交互模块，所述单片机运算控制电路分别与所述人机交互模块、所述DA输出控制电路、所述电流AD转换电路、所述分段负载接入控制电路及所述电压采集AD转换电路连接，所述DA输出控制电路与所述电流放大电路连接，所述分段负载接入控制电路分别与所述电流放大电路及所述电压采集AD转换电路连接，所述电流采集放大电路分别与所述电流放大电路、所述分段负载接入控制电路及所述电流AD转换电路连接，蓄电池组电源的输入正端连接在所述电流放大电路与所述分段负载接入控制电路之间，蓄电池电源的输入负端连接至所述电流采集放大电路。

2.如权利要求1所述的一种高精度电力系统蓄电池组恒流放电负载，其特征在于：所述分段负载接入控制电路包括复数个控制单元，所述控制单元包括一电阻Rn及一晶体管Qn，所述晶体管Qn的栅极与所述单片机运算控制电路连接，所述晶体管Qn的源极分别与所述电流放大电路及所述电流采集放大电路连接，所述晶体管Qn的漏极与所述电阻Rn的一端连接，所述电阻Rn的另一端分别与所述电流放大电路、所述电压采集AD转换电路及蓄电池电源的输入正端连接，每个所述控制单元之间进行并联。

3.如权利要求1所述的一种高精度电力系统蓄电池组恒流放电负载，其特征在于：所述电流采集放大电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9以及运算放大器M，所述电阻R5的一端分别与所述电流放大电路、所述分段负载接入控制电路及所述电阻R6的一端连接，所述电阻R5的另一端分别与所述电阻R7的一端及蓄电池电源的输入负端连接，所述电阻R6的另一端分别与所述电阻R8的一端及所述运算放大器M的同相输入端连接，所述电阻R7的另一端分别与所述运算放大器M的反相输入端及所述电阻R9的一端连接，所述电阻R8的另一端接地，所述运算放大器M的输出端分别与所述电阻R9的另一端及所述电流AD转换电路连接。

4.如权利要求1所述的一种高精度电力系统蓄电池组恒流放电负载，其特征在于：所述电流放大电路包括电阻R1、电阻R2以及三极管Q1，所述电阻R1的一端与所述DA输出控制电路连接，所述电阻R1的另一端与所述三极管Q1的基极连接，所述电阻R2的一端与所述三极管Q1的集电极连接，所述电阻R2的另一端分别与所述分段负载接入控制电路及蓄电池电源的输入正端连接，所述三极管Q1的发射极分别与所述分段负载接入控制电路及所述电流采集放大电路连接。

5.如权利要求1所述的一种高精度电力系统蓄电池组恒流放电负载，其特征在于：所述人机交互模块包括液晶显示屏以及键盘，所述液晶显示屏与所述键盘均连接至所述单片机运算控制电路。