专利名称：智能电子负载装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种智能电子负载装置，用于燃料电池系统试验中，属于电子控制技术领域。
背景技术：
在燃料电池系统试验中，电子负载作为燃料电池的关键测试设备，主要是将电池发出的电能以热能的方式消耗掉。随着电池系统功率和性能的不断提高，对试验用电子负载的可靠性、先进性等提出了严格的要求。
发明内容本实用新型的目的在于，克服现有技术存在的缺点，提供一种安全可靠，且具有模块化、通用化，整体结构紧凑、通风散热性好、安装简单、便于更换、易于维护的电子负载装置。本实用新型的技术方案是一种智能电子负载装置，它包括上位工控机，PLC控制柜，开关控制柜以及水冷电阻柜；所述PLC控制柜与试验电池连接；该？1(控制柜还与上位工控机连接，用于传送控制指令；PLC控制柜里的DO模块与开关控制柜里的固态开关模块连接，用于控制固态开关模块，实现水冷电阻柜里的水冷电阻大小的切换；PLC控制柜上有一个触摸屏，该触摸屏与PLC控制柜里的PLC控制器连接，还与开关控制柜里的用于补偿因电阻误差和温度系数造 成的电流误差，提高放电电流精度的PWM功率变换器连接。在上述技术方案基础上进一步的技术方案是所述的智能电子负载装置，其PLC控制柜其柜体内还安装有UPS、按钮、指示灯、继电器、断路器、熔断器、CPU模块、模拟量输入模块、数字量输入模块和数字量输出模块；所述CPU模块与触摸屏连接，触摸屏与PWM功率变换器连接。所述的智能电子负载装置，其上位工控机包括PC机和打印机，用于实现数据存储、数据分析、事件管理、报表生成以及关键数据打印。所述的智能电子负载装置，其水冷电阻柜有一个水冷电阻柜体，柜体内包括括水冷电阻、水冷管路、保护系统；所述的水冷电阻一端接到公共端，并且连到试验电池的负极。所述的智能电子负载装置，其开关控制柜有一个开关柜体，该柜体内包括括有I号固态开关模块、2号固态开关模块、PWM功率变换器、电流采集模块、电压传感器，开关控制柜用于包括完成水冷电阻柜电阻的组态，以保证放电所需的总负载电阻值；水冷电阻柜安装在开关控制柜的两侧，用于将水冷电阻柜外部循环水与开关控制柜内部进行热量交换。所述的智能电子负载装置，其I号固态开关模块由I个散热器、11个熔断器、17个固态开关，2个风扇、I个温度开关组成；2号固态开关模块由I个散热器、12个熔断器、12个固态开关，2个风扇、I个温度开关组成；每个熔断器自带一个常开触点，用于固态开关过流时产生报警信号送给PLC控制器；温度开关为常开，当散热器温度过高时温度开关就会闭合，产生报警信号送个PLC控制器。所述的智能电子负载装置，其I号固态开关模块的17个固态开关，由9个30A的固态开关、2个100A的固态开关、6个200A的固态开关组成；2号固态开关模块的12个固态开关均为200A ;所有的固态开关有一端都连接到公共端，公共端引出一根导线穿过电流传感器接到燃料电池的正极，另一端经过熔断器接到水电阻柜上相应的电阻上。所述的智能电子负载装置，其PWM功率变换器包括控制模块、驱动模块、7管的IPM模块、电流传感器、电抗器、散热器、风扇；所述的控制模块米用一块TI公司的DSP控制芯片，该控制模块用同铜螺柱固定在驱动模块之上；IPM模块固定在散热器上，其输出端引出2根导线与水冷电阻的两端连接。所述的智能电子负载装置，其电流采集模块包括电流测量电路和电流传感器，所述电流测量电路用于将电流霍尔传感器输出的电流信号转换为电压信号，供PLC控制器
2.2电流采集模块控制器采集。所述的智能电子负载装置，其水冷电阻由30个阻值不同的功率电阻组成。本实用新型原理是根据上位机或触摸屏给定的放电功率要求，PLC控制器接收给定信号并检测电池电压，算出所需的电阻的阻值，然后通过DO模块控制开关控制柜里的固态开关模块，同时PLC控制器不断的检测电池电压和电池电流完成水冷负载电阻的自动组态，实现试验系统运行数据的显示及保护、报警。当调节到一定的误差之内时，PLC控制器通过触摸屏控制关控制柜里的PWM功率变换器，PWM功率变换器可以平滑的进行调节，实现负载电流微调。PWM功率变换器处理后的电压、电流、功率等作为过程数据上传给触摸屏。硬件故障保护电路对电压、电流信号进行判断、处理，在过压、过流故障发生时给出故障信号及IPM驱动封锁信号，对系统进行保护。本实用新型的突出的特点和显著的技术效果是I、具有实时数据采集和处理、智能化、分布式安装、便于更换维护等优点；2、设备与被试试验电池连接，可以恒流放电、恒功率限流放电及恒阻限流放电；3、根据电池的放电特性与维护要求，能控制放电机的放电过程，实现智能放电；4、能对电池组总电压、放电电流等状态量进行实时采集，数据采集速度快、精度高、抗干扰能力强；5、能够实时记录电流、电压、功率、电阻等参数并可显示特征曲线，打印数据和曲线；6、具有失电、过流、过压及过载保护功能。
图I为电子负载设备组成框图；图2为PLC控制柜结构框图；图3为电阻和PWM功率变换器的电子负载示意图；图4为PWM功率变换器主电路示意图；图中附图标记名称为I—上位工控机，2—PLC控制柜，2. I—DO模块，2. 2—PLC控制器，2. 3—触摸屏，3 —开关控制柜，3. I—固态开关模块，3. I. 1-1号固态开关模块，
3.I. 2—2号固态开关模块，3. 2 — PWM功率变换器，4一水冷电阻柜，100—试验电池。
具体实施方式
结合附图和实施例对本实用新型智能电子负载装置作进一步说明如下如图1、2所示，一种智能电子负载装置，它有一个上位工控机1，PLC控制柜2，开关控制柜3以及水冷电阻柜4 ;所述PLC控制柜2与试验电池100连接；PLC控制柜2还与上位工控机I连接，本实施例通过Ethernet连接,用于传送控制指令；PLC控制柜2里的DO模块2. I与开关控制柜3里的固态开关模块3. I连接，用于控制固态开关模块3. 1，实现水冷电阻柜4里的水冷电阻大小的切换；PLC控制柜2上有一个触摸屏2. 3，该触摸屏2. 3与PLC控制柜2里的PLC控制器2. 2连接，本实施例通过通过MPI协议连接通信，还与开关控制柜3里的PWM功率变换器3. 2连接，本实施例通过Modbus协议通信。用于通过PLC控制器2. 2接收到上位工控机I的指令来控制开关控制柜3里的PWM功率变换器3. 2，实现负载电流微调以及在上位工控机I异常情况下的操作。所述的PLC控制柜2其柜体内还安装有UPS、按钮、指示灯、继电器、断路器、熔断器、CPU模块、模拟量输入模块、数字量输入模块和 数字量输出模块；所述CPU模块与触摸屏连接，触摸屏与PWM功率变换器连接。模拟量输入模块用于采集电池组的电压、电流、温度及水冷负载电阻的工作状态；数字量输入模块用于接收操作面板的按钮指令及外部故障报警；数字量输出模块用于指示灯及固态开关模块的控制。所述的上位工控机I包括PC机和打印机，用于实现数据存储、数据分析、事件管理、报表生成以及关键数据打印。上位工控机I通过VC++编写的界面通过Ethernet与PLC控制器2. 2通信。水冷电阻柜4有一个水冷电阻柜体,柜体内包括括水冷电阻、水冷管路、保护系统；所述的水冷电阻一端接到公共端，并且连到试验电池100的负极。开关控制柜3有一个开关柜体，该柜体内包括有I号固态开关模块3. I. 1、2号固态开关模块3. I. 2、PWM功率变换器3. 2、电流采集模块、电压传感器，开关控制柜3用于包括完成水冷电阻柜4电阻的组态，以保证放电所需的总负载电阻值；水冷电阻柜4安装在开关控制柜3的两侧，用于将水冷电阻柜4外部循环水使用自来水与开关控制柜3内部进行热量交换；固态开关模块
3.I用于实现每个放电电阻支路的通断控制。本实施例其I号固态开关模块3. I. I由I个散热器、11个熔断器、17个固态开关，2个风扇、I个温度开关组成；2号固态开关模块3. I. 2由I个散热器、12个熔断器、12个固态开关，2个风扇、I个温度开关组成；每个熔断器自带一个常开触点，用于固态开关过流时产生报警信号送给PLC控制器2. 2 ;温度开关为常开，当散热器温度过高时温度开关就会闭合，产生报警信号送PLC控制器2. 2。所述的I号固态开关模块3. I. I的17个固态开关由9个30A的固态开关、2个100A的固态开关、6个200A的固态开关组成；2号固态开关模块3. I. 2的12个固态开关均为200A ;所有的固态开关有一端都连接到公共端，公共端引出一根导线穿过电流传感器接到燃料电池的正极，另一端经过熔断器接到水电阻柜4上相应的电阻上。PWM功率变换器3. 2包括控制模块、驱动模块、7管的IPM模块、电流传感器、电抗器、散热器、风扇；所述的PWM功率变换器3. 2的控制模块采用一块TI公司的DSP控制芯片；该控制模块用同铜螺柱固定在驱动模块之上；IPM模块固定在散热器上，其输出端引出2根导线与水冷电阻的两端连接。所述的电流采集模块包括电流测量电路和电流传感器，所述电流测量电路用于将电流霍尔传感器输出的电流信号转换为电压信号，供PLC控制器2. 2电流采集模块控制器采集。所述的水冷电阻由30个阻值不同的功率电阻组成。[0030]结合技术原理，对本实用新型技术方案和效果进一步说明如下如图2所示，PLC通过Ethernet与上位机通信，模拟量输入模块用于采集电池组的电压、电流、温度及水冷负载电阻的工作状态。数字量输入模块用于接收操作面板的按钮指令及外部故障报警。数字量输出模块用于指示灯及固态开关模块的控制。PLC接到上位机的指令，通过Al模块检测开关控制柜反馈的电压和电流信号，模拟量输入模块用于采集电池组的电压、电流、温度及水冷负载电阻的工作状态。运算后确定每个电阻的开关状态，然后通过DO模块控制开关控制柜里的固态开关模块，完成水冷负载电阻的自动组态。PLC控制柜上有一个触摸屏，它与PLC采用MPI协议通信，与开关控制柜里的PWM功率变换器采用Modbus协议通信。PLC控制器内的数据和PWM功率变换器内的数据在屏内进行数据交换，PLC通过触摸屏把控制指令和数据传给开关控制柜里的PWM功率变换器，实现负载电流微调。如图3所示，采用直接并联电阻耗能放电，控制原理简单，易于实现，但由于电阻和开关数量多，电阻总精度不易保证，且电阻和固态开关受温度系数的影响，电流控制精度不高；直接采用PWM功率变换器控制耗能放电可以减少耗能电阻的数量，提高控制精度，但 由于放电电流太大，PWM功率变换器实现困难，成本高，可靠性低。考虑各自的特点和优势，这里提出一种基于电阻和PWM功率变换器的混合方案。在图3中，电阻网络RfR29提供主放电电流，PWM功率变换器完成电流微调，以保证放电精度。PWM功率变换器控制系统采用一块TI公司的DSP控制芯片实现包括用户参数设定输入、电压电流采样处理、控制算法、全桥PWM信号形成、故障检测处理、过程数据的记录及与触摸屏通信等功能。DSP处理器通过串行通信接口接收处理触摸屏传送的放电模式、设定值、保护值等参数。电池电压、放电电流信号首先经过外部调理电路处理后，一方面送入DSP片内集成A/D采样口，同时送到故障保护硬件电路。DSP根据用户设定的参数进行控制算法得到的控制量用于调节PWM驱动脉冲的宽度。DSP检测处理后的电压、电流、功率等作为过程数据上传给触摸屏。硬件故障保护电路对电压、电流信号进行判断、处理，在过压、过流故障发生时给出故障信号及IPM或IGBT驱动封锁信号，对系统进行保护。PWM驱动信号经转换隔离电路进行互锁保护和功率放大，经隔离后送到由IPM功率器件组成的单相全桥主回路,驱动功率管工作。PWM功率变换器主电路示意图如图4所示。图中SI S4是集智能化、驱动控制、保护于一体的智能IGBT功率模块IPM，采用IPM模块可减少体积、提高可靠性、缩短产品开发周期。SI S4组成单相全桥主回路，采用这种电路结构可以降低功率管的电压应力，在同样的输入直流电流脉波数时，开关频率比采用单管降低一半，增加了可靠性。
权利要求1.一种智能电子负载装置，其特征在于，它包括上位工控机(1)，PLC控制柜(2)，开关控制柜(3)以及水冷电阻柜(4);所述PLC控制柜(2)与试验电池(100)连接；该PLC控制柜(2 )还与上位工控机(I)连接，用于传送控制指令；PLC控制柜(2 )里的DO模块(2. I)与开关控制柜(3)里的固态开关模块(3. I)连接，用于控制固态开关模块(3. I)实现水冷电阻柜(4)里的水冷电阻大小的切换；PLC控制柜(2 )上有一个触摸屏(2.3)，该触摸屏(2. 3 )与PLC控制柜(2)里的PLC控制器(2. 2)连接，还与开关控制柜(3)里的用于补偿因电阻误差和温度系数造成的电流误差，提高放电电流精度的PWM功率变换器(3. 2)连接。
2.按权利要求I所述的智能电子负载装置，其特征在于，PLC控制柜(2)其柜体内还安装有UPS、按钮、指示灯、继电器、断路器、熔断器、CPU模块、模拟量输入模块、数字量输入模块和数字量输出模块；所述CPU模块与触摸屏连接，触摸屏与PWM功率变换器连接。
3.按权利要求2所述的智能电子负载装置，其特征在于，上位工控机(I)包括PC机和打印机，用于实现数据存储、数据分析、事件管理、报表生成以及关键数据打印。
4.按权利要求I所述的智能电子负载装置，其特征在于，水冷电阻柜(4)有一个水冷电阻柜体，柜体内包括水冷电阻、水冷管路、保护系统；所述的水冷电阻一端接到公共端，并且连到试验电池(100)的负极。
5.按权利要求I所述的智能电子负载装置，其特征在于，开关控制柜(3)有一个开关柜体，该柜体内包括有I号固态开关模块(3. I. 1)、2号固态开关模块(3. I. 2)、PWM功率变换器(3. 2)、电流采集模块、电压传感器，开关控制柜(3)用于包括完成水冷电阻柜(4)电阻的组态，以保证放电所需的总负载电阻值；水冷电阻柜(4)安装在开关控制柜(3)的两侧，用于将水冷电阻柜(4)外部循环水与开关控制柜(3)内部进行热量交换。
6.按权利要求5所述的智能电子负载装置，其特征在于，I号固态开关模块(3.I. I)由I个散热器、11个熔断器、17个固态开关，2个风扇、I个温度开关组成；2号固态开关模块(3. I. 2)由I个散热器、12个熔断器、12个固态开关，2个风扇、I个温度开关组成；每个熔断器自带一个常开触点，用于固态开关过流时产生报警信号送给PLC控制器(2. 2);温度开关为常开，当散热器温度过高时温度开关就会闭合，产生报警信号送个PLC控制器(2. 2)。
7.按权利要求5所述的智能电子负载装置，其特征在于，I号固态开关模块(3.I. I)的17个固态开关由9个30A的固态开关、2个100A的固态开关、6个200A的固态开关组成；2号固态开关模块(3. I. 2)的12个固态开关均为200A ;所有的固态开关有一端都连接到公共端，公共端引出一根导线穿过电流传感器接到燃料电池的正极，另一端经过熔断器接到水电阻柜(4)上相应的电阻上。
8.按权利要求I所述的智能电子负载装置，其特征在于，PWM功率变换器(3.2)包括控制模块、驱动模块、7管的IPM模块、电流传感器、电抗器、散热器、风扇；所述的控制模块采用一块TI公司的DSP控制芯片；该控制模块用同铜螺柱固定在驱动模块之上；IPM模块固定在散热器上，其输出端引出2根导线与水冷电阻的两端连接。
9.按权利要求5所述的智能电子负载装置，其特征在于，电流采集模块包括电流测量电路和电流传感器，所述电流测量电路用于将电流霍尔传感器输出的电流信号转换为电压信号，供PLC控制器(2. 2)电流采集模块控制器采集。
10.按权利要求4所述的智能电子负载装置，其特征在于，水冷电阻由30个阻值不同的功率电阻组成。
专利摘要本实用新型涉及一种智能电子负载装置，用于燃料电池系统试验中、包括上位工控机，PLC控制柜，开关控制柜以及水冷电阻柜；所述PLC控制柜与试验电池连接，还与上位工控机连接；PLC控制柜里的DO模块与开关控制柜里的固态开关模块连接，用于控制固态开关模块，实现水冷电阻柜里的水冷电阻大小的切换；PLC控制柜上有一个触摸屏，该触摸屏与PLC控制柜里的PLC控制器连接，还与开关控制柜里的用于补偿因电阻误差和温度系数造成的电流误差，提高放电电流精度的PWM功率变换器连接。本实用新型优点是安全可靠，且具有模块化、通用化，整体结构紧凑、通风散热性好、安装简单、便于更换、易于维护。
文档编号G01R31/36GK202533566SQ20122013041
公开日2012年11月14日 申请日期2012年3月31日 优先权日2012年3月31日
发明者张奇, 王力, 郝春学, 陈方亮, 陶勇 申请人:中国船舶重工集团公司第七一二研究所