一种能量回馈的DC-DC变换器测试系统及方法与流程

一种能量回馈的dc-dc变换器测试系统及方法
技术领域
1.本发明涉及飞机电源系统设计技术领域，特别涉及一种飞机电源系统中dc-dc变换器的测试系统及方法。


背景技术：

2.目前，dc-dc变换器是飞机电源系统的常用设备之一，特别是在新兴的混合动力飞机上应用广泛，用于不同直流源之间的电能变换、功率控制和故障保护等。根据应用场合不同，dc-dc变换器有升压型、降压型、单向变换及双向变换等不同类型。现有dc-dc变换器的测试系统通常采用电源和负载分别与dc-dc变换器的输入端和输出端相连后进行测试，需要根据dc-dc变换器的输入、输出特性定制开发，不同型号之间测试系统无法通用，不同试验构型之间切换困难，导致开发周期长、研制成本高、测试精度也难以保证。此外，能量直接由负载消耗，也会造成电能的浪费。
3.现有技术中有针对燃料电池大功率dc-dc变换器测试系统，包括低压蓄电池组和待测升压型dc-dc变换器、低压端预充电及保护电路、小功率直流电源、辅助降压型dc-dc变换器、高压蓄电池组、高压端预充电及保护电路、控制单元等。该发明解决了传统阻性负载测试系统电能浪费的技术问题，减小了测试系统的占地空间以及造成的实验室温升和能耗问题。但该方法设计复杂，仅适用于升压型dc-dc变换器，不具备通用性，需进行定制性开发。
4.还有针对高压dc-dc变换器功率测试系统，包括控制系统、与所述高压dc-dc变换器连接的补能电源和能量回馈装置。通过对高压dc-dc变换器和能量回馈装置控制，实现高压dc-dc变换器的功率和能量流动方向的控制，完成高压dc-dc变换器的电压和电流应力的测试。但该方法不具备通用性，针对不同的试验构型需要重复接线，增加了测试成本和测试周期。
5.综上所述，现有技术的dc-dc变换器测试系统及方法均需要定制化开发，无法根据dc-dc变换器不同的工作模式和架构等需求灵活调整。


技术实现要素：

6.本发明公开了一种能量回馈的dc-dc变换器测试系统及方法，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。
7.为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种能量回馈的dc-dc变换器测试系统，所述系统包括：低压端供电单元、高压端供电单元、能量回馈dc-dc变换器、预充电电路和上位机；
8.其中，所述低压端供电单元，用于匹配被测dc-dc变换器的低压端电压范围；
9.所述高压端供电单元，用于匹配被测dc-dc变换器的高压端电压范围；
10.所述能量回馈dc-dc变换器，用于根据被测dc-dc变换器的类型及控制模式调整控制策略；
11.所述预充电电路，用于为所述能量回馈dc-dc变换器预充电，以降低上电瞬间的电流冲击，并可以根据测试需求，用于将所述低压端供电单元或高压端供电单元接入或断开；
12.所述上位机用于向能量回馈dc-dc变换器发送控制指令，采集并监控测试系统的状态。
13.进一步，所述能量回馈的dc-dc变换器测试系统的具体结构为：所述低压端供电单元、能量回馈dc-dc变换器和高压端供电单元依次串联；
14.所述预充电电路采用串联方式分别设置在低压端供电单元与所述能量回馈dc-dc变换器连接电路上，
15.以及高压端供电单元与所述能量回馈dc-dc变换器连接电路上；
16.所述上位机与所述能量回馈dc-dc变换器控制连接。
17.进一步，所述预充电电路包括第一预充电电路和第二预充电电路；
18.其中，所述第一预充电电路设置在所述低压端供电单元与所述能量回馈dc-dc变换器连接电路上；
19.所述第二预充电电路设置在所述高压端供电单元与所述能量回馈dc-dc变换器连接电路上。
20.进一步，所述第一预充电电路包括第一预充电接触器、第一预充电电阻和第一主接触器；
21.所述第一主接触器设置在低压端供电单元与所述能量回馈dc-dc变换器之间，所述第一预充电接触器和第一预充电电阻串联，并与所述第一主接触器并联；
22.所述第二预充电电路包括第二预充电接触器、第二预充电电阻和第二主接触器；
23.所述第二主接触器设置在高压端供电单元与所述能量回馈dc-dc变换器之间，所述第二预充电接触器和第二预充电电阻串联，并与所述第二主接触器并联。
24.进一步，所述低压端供电单元和高压端供电单元为蓄电池组或开关电源或线性功率放大器；
25.其中，当选用蓄电池组，则能够通过调整串联蓄电池组的电芯数量适配被测dc-dc变换器的低压端或高压端电压范围；
26.当采用开关电源或线性功率放大器，则能够通过直接调节输出电压适配被测dc-dc变换器的低压端或高压端电压范围。
27.所述能量回馈dc-dc变换器为可双向运行的升降压型dc-dc变换器。
28.本发明的另一目的是提供一种上述的能量回馈的dc-dc变换器测试系统的测试方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
29.s1)根据被测dc-dc变换器的测试需求，确定测试构型，将能量回馈dc-dc变换器与被测dc-dc变换器并联；
30.s2)运行低压端供电单元或高压端供电单元给能量回馈dc-dc变换器预充电，由上位机发送预充电指令，闭预充电电路、等待满足闭合第一主接触器或第二主接触器条件，满足则第一主接触器或第二主接触器；
31.s3)根据被测dc-dc变换器的测试需求，通过上位机选择工作模式并开始测试；
32.s4)当完成被测dc-dc变换器的测试，需要测试系统停止工作时，由上位机发送停止工作指令，能量回馈dc-dc变换器停止输出，第一主接触器或第二主接触器断开，测试结
束。
33.进一步，所述s3)中具体步骤为：
34.s3.1)根据测dc-dc变换器的类型，确认测试系统的工作模式；
35.s3.2)上位机向能量回馈dc-dc变换器发送工作指令、工作模式，并给定电压目标值或电流目标值；
36.s3.3)所述能量回馈dc-dc变换器将s3.2)给定的电压目标值或电流目标值，代入电压或电流模式，再由电流环通过pi控制器计算并通过pwm产生能量回馈dc-dc变换器的开关信号g，从而控制能量回馈dc-dc变换器运行。
37.进一步，所述s2)中的闭合主接触器条件为：
38.预充电时间是否满足由被测dc-dc变换器和能量回馈dc-dc变换器的母线电容确定的充电时间阈值，或
39.回馈dc-dc变换器的压值是否达到由被测dc-dc变换器低压端电压或高压端电压确定的电压阈值。
40.进一步，所述s3.1)中工作模式包括：升压电压模式、升压电流模式、降压电压模式和降压电流模式；
41.s3.3)中的电压模式为，先由上位机给定电压目标值u
*
，由电压外环通过pi控制器计算得到电流内环目标值i
*
；
42.电流模式，所述上位机给定电流目标值i
*
，电流内环目标值i
*
。
43.进一步，所述s3.1)中的选择测试模式包括：若被测dc-dc变换器为降压型电流控制，则测试系统选择升压电压模式，通过上位机向能量回馈dc-dc变换器发送工作指令、工作模式，并给定电压目标值。能量回馈dc-dc变换器采集电压、电流等，并进行闭环控制。此时，被测dc-dc变换器从高压端提取电能，向低压端输出，而能量回馈dc-dc变换器则将低压端电能回馈至高压端，实现了能量的循环利用。同理，若被测dc-dc变换器为降压型电压控制，则测试系统选择升压电流模式；若被测dc-dc变换器为升压型电流控制，则测试系统选择降压电压模式；若被测dc-dc变换器为升压型电压控制，则测试系统选择降压电流模式。
44.本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明提供一种能量回馈的dc-dc变换器测试系统及方法，可以实现升压型及降压型、单向变换及双向变换、电压控制及电流控制等不同类型、不同模式dc-dc变换器的灵活、精确测试，并具有能量回馈功能。
45.利用低压端可调电源和高压端可调电源，实现了dc-dc变换器测试构型的灵活切换，和升压型及降压型dc-dc变换器测试的通用化，避免了根据不同dc-dc变换器的特性定制测试系统的长周期问题。
46.利用能量回馈dc-dc变换器灵活工作于不同模式，实现了对被测dc-dc变换器不同工作模式的测试，避免了因为试验构型改变而重复改接线，缩短了测试周期。
47.实现了电能由负载向电源回馈，特别适用于飞机电源系统大功率测试场合，有利于降低电能消耗，节约试验成本。能量回馈dc-dc变换器采用数字控制也有利于提高测试精度，不再需要定制开发高精度测试负载。
附图说明
48.图1为本发明一种能量回馈的dc-dc变换器测试系统的架构框图。
49.图2为本发明的测试系统升压模式测试构型框图。
50.图3为本发明的电压模式控制框图。
51.图4为本发明的测试系统降压模式测试构型图。
52.图5为本发明的电流模式控制框图。
53.图6为本发明一种能量回馈的dc-dc变换器测试系统的测试方法流程图。
54.图7为本发明的实施例1的系统架构框图。
55.图8为本发明的实施例1的仿真验证结果的曲线示意图。
56.图9为本发明的实施例2的系统架构框图。
57.图10为本发明的实施例2的仿真验证结果的曲线示意图。
58.图中：
59.1.低压端供电单元、2.高压端供电单元、3.能量回馈dc-dc变换器、4.预充电电路、4-1.第一预充电电路、4-11.第一预充电接触器、4-12.第一预充电电阻、4-13.第一主接触器、4-2.第二预充电电路、4-21.第二预充电接触器、4-22.第二预充电电阻、4-23.第二主接触器、5.上位机、6.被测dc-dc变换器。
具体实施方式
60.下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
61.如图1所示，本发明提供一种能量回馈的dc-dc变换器测试系统，可以实现升压型及降压型、单向变换及双向变换、电压控制及电流控制等不同类型、不同模式dc-dc变换器的灵活、精确测试，并具有能量回馈功能。
62.本发明的第一方面提供一种能量回馈的dc-dc变换器测试系统，为被测dc-dc变换器的输入端提供电源、输出端提供负载，并将负载能量回馈至电源。
63.所述dc-dc变换器测试系统包括低压端供电单元1、高压端供电单元2、能量回馈dc-dc变换器3、预充电电路4和上位机5；
64.其中，所述低压端供电单元1，用于匹配被测dc-dc变换器的低压端电压范围；可选地，所述低压端供电单元1可以是蓄电池组，也可以是开关电源或线性功率放大器。若采用蓄电池组，则可以通过调整串联电芯数量适配被测dc-dc变换器的低压端电压范围；若采用开关电源或线性功率放大器，则可以在设计范围内调节输出电压，从而适配被测dc-dc变换器的低压端电压范围。
65.所述高压端供电单元2，用于匹配被测dc-dc变换器的高压端电压范围；可选地，所述高压端供电单元可以是蓄电池组，也可以是开关电源或线性功率放大器。若采用蓄电池组，则可以通过调整串联电芯数量适配被测dc-dc变换器的高压端电压范围；若采用开关电源或线性功率放大器，则可以在设计范围内调节输出电压，从而适配被测dc-dc变换器的高压端电压范围。
66.所述能量回馈dc-dc变换器3为可双向运行的升降压型dc-dc变换器，可适配被测dc-dc变换器的功率，并可根据被测dc-dc变换器的类型及控制模式灵活调整控制策略。可选地，所述能量回馈dc-dc变换器采用buck/boost电路拓扑，当能量自低压端向高压端流动时，能量回馈dc-dc变换器工作在升压模式；当能量自高压端向低压端流动时，能量回馈dc-dc变换器工作在降压模式。
67.所述预充电电路4包括第一预充电电路4-1和第二预充电电路4-2，分别为低压和高压直流母线电容预充电，以降低上电瞬间的电流冲击；并可以根据试验需求，用于将所述低压端供电单元1或高压端供电单元2接入或断开。
68.所述第一预充电电路4-1包括第一预充电接触器4-11、第一预充电电阻4-12和第一主接触器4-13；
69.所述第一主接触器4-13设置在低压端供电单元1与所述能量回馈dc-dc变换器3之间，所述第一预充电接触器4-11和第一预充电电阻4-12串联，并与所述第一主接触器4-13并联；
70.所述第二预充电电路4-2包括第二预充电接触器4-21、第二预充电电阻4-22和第二主接触器4-23；
71.所述第二主接触器4-23设置在高压端供电单元2与所述能量回馈dc-dc变换器3之间，所述第二预充电接触器4-21和第二预充电电阻4-22串联，并与所述第二主接触器4-23并联。
72.所述上位机5用于向能量回馈dc-dc变换器3发送控制指令，采集并监控测试系统的状态。可选地，控制指令包括但不限于能量回馈dc-dc变换器3工作/停止指令、能量回馈dc-dc变换器3的工作模式(升压电压模式、升压电流模式、降压电压模式、降压电流模式)、能量回馈dc-dc变换器3的电压/电流目标值、预充电控制指令等；可选地，状态信息包括但不限于低压端供电单元的输出电压、输出电流，高压端供电单元的输出电压、输出电流，能量回馈dc-dc变换器的输入电压、输入电流、输出电压、输出电流，低压/高压直流母线主接触器状态等。
73.所述dc-dc变换器测试系统3包括四种模式，分别为升压电压模式、升压电流模式、降压电压模式、降压电流模式。升压电压模式、升压电流模式下的测试构型如图2和图3所示，此时高压端供电单元断开；降压电压模式、降压电流模式下的测试构型如图4和图5所示，此时低压端供电单元断开。
74.如图6所示，本发明提供一种能量回馈dc-dc变换器测试系统的测试方法，所述dc-dc变换器测试方法包括四种模式，分别为升压电压模式、升压电流模式、降压电压模式、降压电流模式，可满足被测dc-dc变换器的四类测试需求，分别为降压型电流控制、降压型电压控制、升压型电流控制、升压型电压控制，具体步骤为
75.首先，根据被测dc-dc变换器6的测试需求，确定测试构型，按照图2或图3连接被测dc-dc变换器6；运行低压端供电单元1或高压端供电单元2，由上位机5发送预充电指令，闭合低压直流母线的第一预充电接触器4-11或高压直流母线的第二预充电接触器4-21；等待达到闭合主接触器条件，可选地，可设置一定时长的预充电时间或根据直流母线电压判断达到闭合主接触器的条件；达到闭合主接触器的条件后，闭合主接触器。
76.然后，根据被测dc-dc变换器6的测试需求，选择测试模式；例如，被测dc-dc变换器6为降压型电流控制，则测试系统选择升压电压模式，通过上位机向能量回馈dc-dc变换器发送工作指令、工作模式，并给定电压目标值。能量回馈dc-dc变换器采集电压、电流等，并进行闭环控制。此时，被测dc-dc变换器从高压端提取电能，向低压端输出，而能量回馈dc-dc变换器则将低压端电能回馈至高压端，实现了能量的循环利用。同理，被测dc-dc变换器为降压型电压控制，则测试系统选择升压电流模式；被测dc-dc变换器为升压型电流控制，
则测试系统选择降压电压模式；被测dc-dc变换器为升压型电压控制，则测试系统选择降压电流模式。
77.最后，当需要测试系统停止工作，由上位机5发送停止工作指令，能量回馈dc-dc变换器4停止输出，主接触器断开，测试结束。
78.实施例1：
79.如图7所示，为本发明的具体实施例1，其中，低压端供电单元1为蓄电池组，高低压端供电单元2断开；被测dc-dc变换器6为升压型电压控制，将低压端供电单元1(蓄电池)输出电压升压为540v；测试系统选择降压电流模式，采用buck电路拓扑，通过上位机5给定电流目标值，采集高压端电流，并通过pi控制器实现对高压端电流的闭环控制；
80.本具体实施例1的仿真结果如图8所示。被测dc-dc变换器6输出540v直流电(b中2号曲线)，测试系统则控制电流，以25a为间隔，为被测dc-dc变换器6加载(a中1号曲线)。
81.实施例2：
82.如图9所示为本发明的具体实施例2，其中，低压端供电单元1断开，压端供电单元2为蓄电池组；被测dc-dc变换器6为降压型电流控制，将压端供电单元2为蓄电池组输出电压降压为540v；测试系统选择升压电压模式，采用boost电路拓扑，通过上位机给定电压目标值，由电压外环通过pi控制器计算得到电流内环目标值，由电流内环通过pi控制器实现对低压端电压的双闭环控制。
83.本具体实施例2的仿真结果如图10所示。被测dc-dc变换器的输入电流根据测试需求以25a为间隔逐步增大(a中3号曲线)，测试系统则控制低压端电压为540v(b中4号曲线)。
84.通过仿真，验证了本发明所述的测试系统及测试方法能够用于各类dc-dc变换器的功率测试，控制灵活、精确，并具有能量回馈功能。
85.该测试系统及方法用于飞机电源系统中dc-dc变换器的测试，可实现电压、电流等不同模式的灵活、精确测试，并具有能量回馈功能，可以适用于不同型号、不同电压等级、不同应用场合dc-dc变换器的功率测试，有利于节约测试过程的电能消耗，加快飞机电源系统的研制进程。
86.以上对本技术实施例所提供的一种能量回馈的dc-dc变换器测试系统及方法进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，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技术的限制。
87.如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本技术的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本技术的一般原则为目的，并非用以限定本技术的范围。本技术的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
88.还需要说明的是，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商品或者系统不仅包括那些要素，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商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
89.应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
90.上述说明示出并描述了本技术的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本技术并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本技术的精神和范围，则都应在本技术所附权利要求书的保护范围内。