专利名称：一种加载控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种加载控制器，尤其涉及一种控制燃料电池堆的输出电 流的加载控制器。
技术背景二十世纪末，在我国测试燃料电池堆的伏安特性仍然使用白炽灯或多组固 定电阻以手动开关控制分档加载的方法；近几年国内已有从加拿大、日本、韩 国进口的1KW级至36KW的电子负载，它不仅为燃料电池堆的测试带来方便也提 高了测试精度。然而电子负载的昂贵价格使大多数燃料电池的研究单位望而却 步，再则大功率的电子负载的热耗散不得不采用水冷方式，这就必须增加水的 循环和冷却系统，要么就要白白地浪费水资源。 发明内容本实用新型针对现有技术的不足，研制一种实现、制作容易，无须水冷、稳定可靠的控制燃料电池堆的输出电流的加载控制器。其技术实现手段如下一种加载控制器，其特征在于包括电流信号的采集和放大单元、电流信 号与给定信号的比较和延时单元、调频单元、脉宽调制单元、驱动单元、执行 单元、吸收回路单元；所述各单元通过电气连接构成一个脉宽调制的加载控制 器。延时单元、调频单元、脉宽调制单元以及过流保护都采用比较器，因此选 用四电压比较器LM339，所述执行单元为IGBT，采用负反馈的闭环调节，使电 流反馈信息与给定电压相等，达到稳定的平衡状态。所述电流信号采集和放大 单元由分流器和放大器及周边元件组成，分流器可以获取电流信号，经输入端 滤波放大器放大、再滤波形成与给定信号幅度相统一的直流信号；所述比较和 延时单元是由比较器和三极管跟随器Q3及周边元件组成的，当给定信号大于放 大单元的输出电压时，单元输出增加，反之减少；它输出的是调节电压；所述 调频单元是比较器及周边元件的三角波发生器，通过电阻R,和电容d的参数调 整，决定加载控制器的工作频率；所述脉宽调制单元也是由比较器构成，调频单元输出的三角波加在其负输入端，比较延时单元的输出加在其正输入端，这 样一来脉宽调制单元就把调节电压转换成为相对应的脉宽信号。驱动单元由Qi和Q2构成，为IGBT的控制极提供良好的方脉冲；执行单元选用高耐压的IGBT， 由IGBT的通断时间比实现控制负载电流的大小。所述吸收回路单元由电容C2 和电阻Rs构成，用来降低IGBT关断时产生的反峰压。以上电路连接构成一个负反馈的闭环调节系统当调W2给定电压上升时， LM339的1脚为高，9脚电压上升，14脚脉宽增加，IGBT导通时间增加，负载 电流增大，AD620输出电压增高，直止达到与给定电压平衡。这里特别说明比较 和延时单元中的延时作用它由LC5、 Q3和R^6组成，从电路上来说它的作用 是将一个突变信号转变成渐变信号；从物理含意上说是要保证执行电流变化的 时间要大于电流检测送到比较器6脚所需时间；这时是负反馈调节可以平衡的 前提，否则就会产生振荡，无法正常工作。该加载控制器本身是一个固定周期的开关电路，其开通的占空比受给定电 压的控制可以从零到百分之百的变化；这就相当于燃料电池堆的负载由无穷大 到固定的外接电阻之间的变化；另外它的容量扩展也十分方便，对性能和功能 的升级也指明了道路；因此尽管电子负载越来越普及，加载控制器由于造价低， 使用简便，可以同样实现电子负载的功能。其突出的特点是造价仅为电子负载 的8-12%，并且15KVA以下可能不加冷却，大功率也只需风冷，从而避免了大功率电子负载需要水冷的苛刻使用条件以及昂贵的价格。
图l为本实用新型的原理框图；图2为本实用新型的电路原理图；图3为本实用新型的波图；图1为本实用新型的说明书摘要附图。
具体实施方式
从图1、图2中看出我们是通过IGBT的通断来控制燃料电池堆与外接负载 的接通和断开，也就是说IGBT在这里是一个可控开关，作为控制器的执行器。 所述调频单元3由电阻R和电容d通过调整参数，决定加载控制器的工作频率； 所述吸收回路单元7由电容C2和电阻R8构成，用来降低IGBT关断时产生的反峰压；所述电流放大电路单元1由放大器的周边元件组成，包括连在放大器输入端的电阻R9、电阻Ru)、电容C3组成一次滤波，放大器输出端电阻Ru和电容 C4进行二次滤波，主要为将脉动电流转动直流信号；所述比较延时单元2由电位 器W2进行加载器输出电流的调整，由电阻Ru、电容C5和电阻Ris、电容C6组成积 分延时电路，使IGBT控制电流做出相应改变的时间，该时间一定要大于电流变 化到电流检测信号做出相应变化送到比较器所需的时间；使用时将加载控制器 的IGBT、负载和电池堆进行串联，通过加载控制器的调整来控制输出电流的大 小，从而控制负载获得电流的大小。其中比较器选用四电压比较器LM339;所述放大器选用AD620，电阻R。电 容d决定加载控制器的工作频率电阻R取36K,电容d取202频率为2. 3KHZ; 电容d改为103频率大约为800HZ;频率越高电阻R8吸收电阻的功率要求越大。 加载控制器的工作频率选的太低会影响燃料电池堆性能，所以建议选700HZ以 上。考虑到电阻R8的功耗限制以选3KHZ以下为宜。在此频段内大电流的发生和 关断产生较强的电磁干扰，所以频率的选择更应考虑对其它电器的干扰。IGBT 的选型不仅要考虑工作电流，更要着重考虑其耐压；因为IGBT在关断时将产生 很高的反峰压，SKM200GB174D耐压为1700伏。电容G和电阻Rs组成阻容吸收 回路，其作用就是降低IGBT关断时产生的反峰压，不加吸收回路稍大的关断电 流必将使IGBT击穿。电容C2为无感电容3pf耐压1200伏，电阻Rs为lQ由4 只1Q/100W铝电阻串并组成。如果再并上由瓷片电容和电阻组成的吸收回路吸 收效果会更好；104/2KV瓷片电容两只并联和3.6Q/50W铝电阻的吸收回路。 给定电压和AD620的输出分别加到比较器的正、负端，工作时始终是处于平衡 状态；给定值电压范围选得越宽，加载控制器的控制精度越高；AD620的放大倍 数也越大。因此它受LM339和AD620工作条件的限制。 一般选给定电压的范围 为0-5伏或0-10伏。AD620的放大倍数是由电位器Wi调整的；给定电压范围为 0-10伏时，电阻Re应为372Q，所以电位器Wi选lK电位器即可。过电流保护电路的设计由电位器Ws、 Id、 LM339b、 SCR组成过滤保护电路； Id置LM339的4脚时，电流显示为过流保护设定值，调电位器W3可以改变设定 值。加载控制器工作时K置AD620的6脚。当有受控电流时，LM339的1脚电位 必然大于3V;受控电流低于保护值时，LM339的2脚低电平，可控硅不导通。保护电路对控制电路无任何影响；当受控电流大于保护值时，LM339的2脚电平 为高，触发可控硅导通，将LM339的1脚电平拉到2V以下，电流控制电路无脉 冲发出，控制电流突变为零，实现过流保护功能。要退出保护只要将给定值调 到最低即可。加载控制器控制电流宏观上是直流，实质是脉动的。我们控制这 个脉动直流的脉宽是建立在获得LM339的9脚直流电平的变化。为此我们要对 电流检测信号进行滤波；AD620的入端电阻R9、电阻Rlfl、电容C3组成滤波，输 出端电阻Ru和电容C4再次滤波才与给定值比较。 一个闭环控制回路，如果执行 速度很快，而反馈信号很慢，必然造成很大的超调，严重时引起振荡而失去控 制。这就要求给定值的改变到IGBT控制电流做出相应改变的时间要大于电流变 化到电流检测信号做出相应变化送到LM339的6脚所需的时间。这是加载控制 器制作成败的关键。为此，我们设计了二级电阻R、电容C积分延时电路电阻 R13、电容C5和电阻R,"电容Ce。积分延时影响加载控制器的响应速度，以图1 参数其响应时间为0. 1秒左右。电流检测信号滤波和驱动信号延时都与我们选 择的工作频率有关；加之对加载控制器响应时间的要求的不同，因此无法给出 具体公式，超调严重或振荡应加大驱动延时或减少电流检测信号的滤波；要控 制器响应速度快就要减少驱动延时，同时也必须减少电流检测信号的滤波。由图2所示比较器中U1D及周围元器件构成一个锯齿波发生器，其波形如图 3，该信号加到LM339的8脚；9脚我们加一个直流电平？；当u<Ul时，LM339 的14脚一直是低电平；当11>112时，LM339的14脚则一直为高；当u^iKu2时， LM339的14脚则有时高，有时低为方波；方波的宽度T由T=u-Ul/u2-Ul T0 来表达。从而看出14脚的方波宽度正比于9脚的直流电平。Q,和Q2三极管是 为了更好地驱动IGBT。综上所述，加在IM339的9脚一个直流电平的大小就可 以控制IGBT的导通时间占一个周期时间的比例——占空比。IGBT受控的占空 比如果转变成被控的燃料电池堆的输出电流呢？我们采用的是闭环调节系统； 由电位器W2取得电流的给定值，加到LM339的7脚，导致LM339的1脚高电 平，Q3导通电流增大，LM339的9脚电位逐渐上升，14脚出现方脉冲并逐渐加 宽，IGBT间断导通且占空比逐渐增大，分流器流过的电流增加，电压上长，经 滤波后由AD620放大加到LM339的6脚；该反馈信号与给定值相等时达到平 衡处于稳定状态，从而实现给定值与占宽和电流值的一一对应关系，改变给定值就改变了受控的电流值。假如被测燃料电池堆电流很大，超出加载控制器的 电流使用范围，我们可以用二路或多路并联扩容来解决问题。以上所述，仅为本实用新型较佳的
具体实施方式
，但本实用新型的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本 实用新型的保护范围之内。
权利要求1、一种加载控制器，其特征在于包括电流信号的采集和放大单元(1)电流信号与给定信号的比较和延时单元(2)、调频单元(3)、脉宽调制单元(4)、驱动单元(5)、执行单元(6)、吸收回路单元(7)；所述各单元通过电气连接构成一个脉宽调制的加载控制器。
2、 根据权利要求1所述的加载控制器，其特征在于所述电流信号采集和放 大单元(1)由分流器和放大器及周边元件组成，分流器可以获取电流信号，经 输入端滤波放大器放大、再滤波形成与给定信号幅度相统一的直流信号；所述 比较和延时单元(2)是由比较器和三极管跟随器Q3及周边元件组成的，当给定 信号大于电流信号采集和放大单元(1)的输出电压时，比较和延时单元(2) 输出增加，反之减少；它输出的是调节电压；所述调频单元(3)是比较器及周 边元件的三角波发生器，通过电阻&和电容d的参数调整，决定加载控制器的 工作频率；所述脉宽调制单元(4)也是由比较器构成，调频单元(3)输出的 三角波加在其负输入端，比较和延时单元(2)的输出加在其正输入端，这样一 来脉宽调制单元就把调节电压转换成为相对应的脉宽信号；驱动单元(5)由Qi 和Q2构成，为IGBT的控制极提供良好的方脉冲；执行单元(6)选用高耐压的 IGBT，由IGBT的通断时间比实现控制负载电流的大小；所述吸收回路单元由电 容G和电阻R8构成，用来降低IGBT关断时产生的反峰压。
3、 根据权利要求2所述的加载控制器，其特征在于比较器选用四电压比较 器LM339，且以上电路连接构成一个负反馈的闭环调节系统。
4、 根据权利要求1所述的加载控制器，其特征在于延时单元(2)、调频单 元(3)、脉宽调制单元(4)以及过流保护都采用比较器，因此选用四电压比较 器LM339。
5、 根据权利要求1所述的加载控制器，其特征在于所述执行单元(6)为 IGBT。
6、 根据权利要求1所述的加载控制器，其特征在于采用负反馈的闭环调节， 使电流反馈信息与给定电压相等，达到稳定的平衡状态。
专利摘要本实用新型公开了一种加载控制器，其特征在于包括电流检测放大单元、比较延时单元、调频单元、脉宽调制单元、驱动单元、执行单元、吸收回路单元；以上各单元连接构成一个电流负反馈调节系统，从而实现电池堆输出电流的大小受给定电压的控制；该加载控制器具有思路清新，设计简单、制作容易、稳定可靠，造价仅为电子负载的8-12％；改水冷为风冷使附属设备大为简化，另外它的容量扩展也十分方便，对性能和功能的升级也指明了道路；由于加载控制器由于造价低，使用简便适于在燃料电池电流检测中广泛推广。
文档编号G05B11/28GK201083987SQ20072001531
公开日2008年7月9日 申请日期2007年10月15日 优先权日2007年10月15日
发明者超 刘, 孙德尧, 王俊清, 王克勇 申请人:新源动力股份有限公司