專利名稱：一種加載控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種加載控制器，尤其涉及一種控制燃料電池堆的輸出電 流的加載控制器。
技術(shù)背景二十世紀(jì)末，在我國測試燃料電池堆的伏安特性仍然使用白熾燈或多組固 定電阻以手動開關(guān)控制分檔加載的方法；近幾年國內(nèi)已有從加拿大、日本、韓 國進(jìn)口的1KW級至36KW的電子負(fù)載，它不僅為燃料電池堆的測試帶來方便也提 高了測試精度。然而電子負(fù)載的昂貴價格使大多數(shù)燃料電池的研究單位望而卻 步，再則大功率的電子負(fù)載的熱耗散不得不采用水冷方式，這就必須增加水的 循環(huán)和冷卻系統(tǒng)，要么就要白白地浪費水資源。 發(fā)明內(nèi)容本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，研制一種實現(xiàn)、制作容易，無須水冷、穩(wěn)定可靠的控制燃料電池堆的輸出電流的加載控制器。其技術(shù)實現(xiàn)手段如下一種加載控制器，其特征在于包括電流信號的采集和放大單元、電流信 號與給定信號的比較和延時單元、調(diào)頻單元、脈寬調(diào)制單元、驅(qū)動單元、執(zhí)行 單元、吸收回路單元；所述各單元通過電氣連接構(gòu)成一個脈寬調(diào)制的加載控制 器。延時單元、調(diào)頻單元、脈寬調(diào)制單元以及過流保護(hù)都采用比較器，因此選 用四電壓比較器LM339，所述執(zhí)行單元為IGBT，采用負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使電 流反饋信息與給定電壓相等，達(dá)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。所述電流信號采集和放大 單元由分流器和放大器及周邊元件組成，分流器可以獲取電流信號，經(jīng)輸入端 濾波放大器放大、再濾波形成與給定信號幅度相統(tǒng)一的直流信號；所述比較和 延時單元是由比較器和三極管跟隨器Q3及周邊元件組成的，當(dāng)給定信號大于放 大單元的輸出電壓時，單元輸出增加，反之減少；它輸出的是調(diào)節(jié)電壓；所述 調(diào)頻單元是比較器及周邊元件的三角波發(fā)生器，通過電阻R,和電容d的參數(shù)調(diào) 整，決定加載控制器的工作頻率；所述脈寬調(diào)制單元也是由比較器構(gòu)成，調(diào)頻單元輸出的三角波加在其負(fù)輸入端，比較延時單元的輸出加在其正輸入端，這 樣一來脈寬調(diào)制單元就把調(diào)節(jié)電壓轉(zhuǎn)換成為相對應(yīng)的脈寬信號。驅(qū)動單元由Qi和Q2構(gòu)成，為IGBT的控制極提供良好的方脈沖；執(zhí)行單元選用高耐壓的IGBT， 由IGBT的通斷時間比實現(xiàn)控制負(fù)載電流的大小。所述吸收回路單元由電容C2 和電阻Rs構(gòu)成，用來降低IGBT關(guān)斷時產(chǎn)生的反峰壓。以上電路連接構(gòu)成一個負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)當(dāng)調(diào)W2給定電壓上升時， LM339的1腳為高，9腳電壓上升，14腳脈寬增加，IGBT導(dǎo)通時間增加，負(fù)載 電流增大，AD620輸出電壓增高，直止達(dá)到與給定電壓平衡。這里特別說明比較 和延時單元中的延時作用它由LC5、 Q3和R^6組成，從電路上來說它的作用 是將一個突變信號轉(zhuǎn)變成漸變信號；從物理含意上說是要保證執(zhí)行電流變化的 時間要大于電流檢測送到比較器6腳所需時間；這時是負(fù)反饋調(diào)節(jié)可以平衡的 前提，否則就會產(chǎn)生振蕩，無法正常工作。該加載控制器本身是一個固定周期的開關(guān)電路，其開通的占空比受給定電 壓的控制可以從零到百分之百的變化；這就相當(dāng)于燃料電池堆的負(fù)載由無窮大 到固定的外接電阻之間的變化；另外它的容量擴(kuò)展也十分方便，對性能和功能 的升級也指明了道路；因此盡管電子負(fù)載越來越普及，加載控制器由于造價低， 使用簡便，可以同樣實現(xiàn)電子負(fù)載的功能。其突出的特點是造價僅為電子負(fù)載 的8-12%，并且15KVA以下可能不加冷卻，大功率也只需風(fēng)冷，從而避免了大功率電子負(fù)載需要水冷的苛刻使用條件以及昂貴的價格。

圖l為本實用新型的原理框圖；圖2為本實用新型的電路原理圖；圖3為本實用新型的波圖；圖1為本實用新型的說明書摘要附圖。
具體實施方式
從圖1、圖2中看出我們是通過IGBT的通斷來控制燃料電池堆與外接負(fù)載 的接通和斷開，也就是說IGBT在這里是一個可控開關(guān)，作為控制器的執(zhí)行器。 所述調(diào)頻單元3由電阻R和電容d通過調(diào)整參數(shù)，決定加載控制器的工作頻率； 所述吸收回路單元7由電容C2和電阻R8構(gòu)成，用來降低IGBT關(guān)斷時產(chǎn)生的反峰壓；所述電流放大電路單元1由放大器的周邊元件組成，包括連在放大器輸入端的電阻R9、電阻Ru)、電容C3組成一次濾波，放大器輸出端電阻Ru和電容 C4進(jìn)行二次濾波，主要為將脈動電流轉(zhuǎn)動直流信號；所述比較延時單元2由電位 器W2進(jìn)行加載器輸出電流的調(diào)整，由電阻Ru、電容C5和電阻Ris、電容C6組成積 分延時電路，使IGBT控制電流做出相應(yīng)改變的時間，該時間一定要大于電流變 化到電流檢測信號做出相應(yīng)變化送到比較器所需的時間；使用時將加載控制器 的IGBT、負(fù)載和電池堆進(jìn)行串聯(lián)，通過加載控制器的調(diào)整來控制輸出電流的大 小，從而控制負(fù)載獲得電流的大小。其中比較器選用四電壓比較器LM339;所述放大器選用AD620，電阻R。電 容d決定加載控制器的工作頻率電阻R取36K,電容d取202頻率為2. 3KHZ; 電容d改為103頻率大約為800HZ;頻率越高電阻R8吸收電阻的功率要求越大。 加載控制器的工作頻率選的太低會影響燃料電池堆性能，所以建議選700HZ以 上?？紤]到電阻R8的功耗限制以選3KHZ以下為宜。在此頻段內(nèi)大電流的發(fā)生和 關(guān)斷產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，所以頻率的選擇更應(yīng)考慮對其它電器的干擾。IGBT 的選型不僅要考慮工作電流，更要著重考慮其耐壓；因為IGBT在關(guān)斷時將產(chǎn)生 很高的反峰壓，SKM200GB174D耐壓為1700伏。電容G和電阻Rs組成阻容吸收 回路，其作用就是降低IGBT關(guān)斷時產(chǎn)生的反峰壓，不加吸收回路稍大的關(guān)斷電 流必將使IGBT擊穿。電容C2為無感電容3pf耐壓1200伏，電阻Rs為lQ由4 只1Q/100W鋁電阻串并組成。如果再并上由瓷片電容和電阻組成的吸收回路吸 收效果會更好；104/2KV瓷片電容兩只并聯(lián)和3.6Q/50W鋁電阻的吸收回路。 給定電壓和AD620的輸出分別加到比較器的正、負(fù)端，工作時始終是處于平衡 狀態(tài)；給定值電壓范圍選得越寬，加載控制器的控制精度越高；AD620的放大倍 數(shù)也越大。因此它受LM339和AD620工作條件的限制。 一般選給定電壓的范圍 為0-5伏或0-10伏。AD620的放大倍數(shù)是由電位器Wi調(diào)整的；給定電壓范圍為 0-10伏時，電阻Re應(yīng)為372Q，所以電位器Wi選lK電位器即可。過電流保護(hù)電路的設(shè)計由電位器Ws、 Id、 LM339b、 SCR組成過濾保護(hù)電路； Id置LM339的4腳時，電流顯示為過流保護(hù)設(shè)定值，調(diào)電位器W3可以改變設(shè)定 值。加載控制器工作時K置AD620的6腳。當(dāng)有受控電流時，LM339的1腳電位 必然大于3V;受控電流低于保護(hù)值時，LM339的2腳低電平，可控硅不導(dǎo)通。保護(hù)電路對控制電路無任何影響；當(dāng)受控電流大于保護(hù)值時，LM339的2腳電平 為高，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，將LM339的1腳電平拉到2V以下，電流控制電路無脈 沖發(fā)出，控制電流突變?yōu)榱?，實現(xiàn)過流保護(hù)功能。要退出保護(hù)只要將給定值調(diào) 到最低即可。加載控制器控制電流宏觀上是直流，實質(zhì)是脈動的。我們控制這 個脈動直流的脈寬是建立在獲得LM339的9腳直流電平的變化。為此我們要對 電流檢測信號進(jìn)行濾波；AD620的入端電阻R9、電阻Rlfl、電容C3組成濾波，輸 出端電阻Ru和電容C4再次濾波才與給定值比較。 一個閉環(huán)控制回路，如果執(zhí)行 速度很快，而反饋信號很慢，必然造成很大的超調(diào)，嚴(yán)重時引起振蕩而失去控 制。這就要求給定值的改變到IGBT控制電流做出相應(yīng)改變的時間要大于電流變 化到電流檢測信號做出相應(yīng)變化送到LM339的6腳所需的時間。這是加載控制 器制作成敗的關(guān)鍵。為此，我們設(shè)計了二級電阻R、電容C積分延時電路電阻 R13、電容C5和電阻R,"電容Ce。積分延時影響加載控制器的響應(yīng)速度，以圖1 參數(shù)其響應(yīng)時間為0. 1秒左右。電流檢測信號濾波和驅(qū)動信號延時都與我們選 擇的工作頻率有關(guān)；加之對加載控制器響應(yīng)時間的要求的不同，因此無法給出 具體公式，超調(diào)嚴(yán)重或振蕩應(yīng)加大驅(qū)動延時或減少電流檢測信號的濾波；要控 制器響應(yīng)速度快就要減少驅(qū)動延時，同時也必須減少電流檢測信號的濾波。由圖2所示比較器中U1D及周圍元器件構(gòu)成一個鋸齒波發(fā)生器，其波形如圖 3，該信號加到LM339的8腳；9腳我們加一個直流電平？；當(dāng)u<Ul時，LM339 的14腳一直是低電平；當(dāng)11>112時，LM339的14腳則一直為高；當(dāng)u^iKu2時， LM339的14腳則有時高，有時低為方波；方波的寬度T由T=u-Ul/u2-Ul T0 來表達(dá)。從而看出14腳的方波寬度正比于9腳的直流電平。Q,和Q2三極管是 為了更好地驅(qū)動IGBT。綜上所述，加在IM339的9腳一個直流電平的大小就可 以控制IGBT的導(dǎo)通時間占一個周期時間的比例——占空比。IGBT受控的占空 比如果轉(zhuǎn)變成被控的燃料電池堆的輸出電流呢？我們采用的是閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)； 由電位器W2取得電流的給定值，加到LM339的7腳，導(dǎo)致LM339的1腳高電 平，Q3導(dǎo)通電流增大，LM339的9腳電位逐漸上升，14腳出現(xiàn)方脈沖并逐漸加 寬，IGBT間斷導(dǎo)通且占空比逐漸增大，分流器流過的電流增加，電壓上長，經(jīng) 濾波后由AD620放大加到LM339的6腳；該反饋信號與給定值相等時達(dá)到平 衡處于穩(wěn)定狀態(tài)，從而實現(xiàn)給定值與占寬和電流值的一一對應(yīng)關(guān)系，改變給定值就改變了受控的電流值。假如被測燃料電池堆電流很大，超出加載控制器的 電流使用范圍，我們可以用二路或多路并聯(lián)擴(kuò)容來解決問題。以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式
，但本實用新型的保護(hù)范 圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)， 根據(jù)本實用新型的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本 實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種加載控制器，其特征在于包括電流信號的采集和放大單元(1)電流信號與給定信號的比較和延時單元(2)、調(diào)頻單元(3)、脈寬調(diào)制單元(4)、驅(qū)動單元(5)、執(zhí)行單元(6)、吸收回路單元(7)；所述各單元通過電氣連接構(gòu)成一個脈寬調(diào)制的加載控制器。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加載控制器，其特征在于所述電流信號采集和放 大單元(1)由分流器和放大器及周邊元件組成，分流器可以獲取電流信號，經(jīng) 輸入端濾波放大器放大、再濾波形成與給定信號幅度相統(tǒng)一的直流信號；所述 比較和延時單元(2)是由比較器和三極管跟隨器Q3及周邊元件組成的，當(dāng)給定 信號大于電流信號采集和放大單元(1)的輸出電壓時，比較和延時單元(2) 輸出增加，反之減少；它輸出的是調(diào)節(jié)電壓；所述調(diào)頻單元(3)是比較器及周 邊元件的三角波發(fā)生器，通過電阻&和電容d的參數(shù)調(diào)整，決定加載控制器的 工作頻率；所述脈寬調(diào)制單元(4)也是由比較器構(gòu)成，調(diào)頻單元(3)輸出的 三角波加在其負(fù)輸入端，比較和延時單元(2)的輸出加在其正輸入端，這樣一 來脈寬調(diào)制單元就把調(diào)節(jié)電壓轉(zhuǎn)換成為相對應(yīng)的脈寬信號；驅(qū)動單元(5)由Qi 和Q2構(gòu)成，為IGBT的控制極提供良好的方脈沖；執(zhí)行單元(6)選用高耐壓的 IGBT，由IGBT的通斷時間比實現(xiàn)控制負(fù)載電流的大?。凰鑫栈芈穯卧呻?容G和電阻R8構(gòu)成，用來降低IGBT關(guān)斷時產(chǎn)生的反峰壓。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的加載控制器，其特征在于比較器選用四電壓比較 器LM339，且以上電路連接構(gòu)成一個負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加載控制器，其特征在于延時單元(2)、調(diào)頻單 元(3)、脈寬調(diào)制單元(4)以及過流保護(hù)都采用比較器，因此選用四電壓比較 器LM339。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加載控制器，其特征在于所述執(zhí)行單元(6)為 IGBT。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加載控制器，其特征在于采用負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)， 使電流反饋信息與給定電壓相等，達(dá)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。
專利摘要本實用新型公開了一種加載控制器，其特征在于包括電流檢測放大單元、比較延時單元、調(diào)頻單元、脈寬調(diào)制單元、驅(qū)動單元、執(zhí)行單元、吸收回路單元；以上各單元連接構(gòu)成一個電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)電池堆輸出電流的大小受給定電壓的控制；該加載控制器具有思路清新，設(shè)計簡單、制作容易、穩(wěn)定可靠，造價僅為電子負(fù)載的8-12％；改水冷為風(fēng)冷使附屬設(shè)備大為簡化，另外它的容量擴(kuò)展也十分方便，對性能和功能的升級也指明了道路；由于加載控制器由于造價低，使用簡便適于在燃料電池電流檢測中廣泛推廣。
文檔編號G05B11/28GK201083987SQ20072001531
公開日2008年7月9日 申請日期2007年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月15日
發(fā)明者超 劉, 孫德堯, 王俊清, 王克勇 申請人:新源動力股份有限公司