基于智能化儲(chǔ)能式應(yīng)急電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

楊藝云，　張　閣，　彭建華，　劉建敏，　肖園園(.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣西南寧53003；.北京安通尼電子技術(shù)有限公司，北京 00085)

基于智能化儲(chǔ)能式應(yīng)急電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

楊藝云1，張閣1，彭建華2，劉建敏2，肖園園1
(1.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣西南寧530023；2.北京安通尼電子技術(shù)有限公司，北京 100085)

針對(duì)傳統(tǒng)應(yīng)急電源存在的諸多弊端，利用最新的電力電子技術(shù)和嵌入式技術(shù)，以磷酸鐵鋰電池為儲(chǔ)能介質(zhì)，設(shè)計(jì)了一種智能化儲(chǔ)能式應(yīng)急電源系統(tǒng)，對(duì)其中的電池管理、能量轉(zhuǎn)移式均衡、電池保護(hù)以及雙電源自動(dòng)切換等關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行了深入的闡述，給出了系統(tǒng)研究方案、設(shè)計(jì)思路、結(jié)構(gòu)框圖和工作流程。以雙電源切換開關(guān)為例，利用Matlab/Simulink軟件搭建了仿真模型，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果證實(shí)了方案的有效性。

應(yīng)急電源系統(tǒng)；磷酸鐵鋰電池；雙電源自動(dòng)切換技術(shù)；電池管理；能量轉(zhuǎn)移式均衡

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，許多重要設(shè)施對(duì)供電可靠性的要求也越來越高，一旦供電系統(tǒng)突然發(fā)生故障而中斷供電，將會(huì)造成重大損失，因此需要做到供電電源的不間斷，即供電線路停電時(shí)由備用電源無縫切換給負(fù)載供電[1]。目前廣泛使用的應(yīng)急電源系統(tǒng)多以鉛酸電池為儲(chǔ)能介質(zhì)，而鉛酸蓄電池的缺點(diǎn)是重金屬污染、比能量小、壽命短、體積笨重等[2]。針對(duì)上述弊端，本文設(shè)計(jì)了一種基于磷酸鐵鋰電池的智能化儲(chǔ)能式應(yīng)急電源系統(tǒng)，并對(duì)其中的電池管理與保護(hù)、能量轉(zhuǎn)移式均衡以及雙電源自動(dòng)切換等關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行了研究和分析。實(shí)踐證明，這種新型的電源系統(tǒng)具有環(huán)保、節(jié)能、無污染和不間斷供電等優(yōu)點(diǎn)。

1 智能化儲(chǔ)能式應(yīng)急電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的智能化儲(chǔ)能式應(yīng)急電源系統(tǒng)具有以下功能：在正常情況下，由220 V AC交流市電直接給負(fù)載供電；當(dāng)交流市電異常時(shí)，系統(tǒng)快速切換到電池管理子系統(tǒng)端給負(fù)載

圖1　智能化儲(chǔ)能式應(yīng)急電源系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

應(yīng)急電源系統(tǒng)通過充電模塊將220 V AC交流電整流成直流電，對(duì)電池管理子系統(tǒng)中的電池組進(jìn)行充電，并對(duì)逆變器供電。當(dāng)交流市電異常時(shí)，逆變器將電池組的直流電逆變成220 V AC交流電給負(fù)載不間斷供電。

2 電池管理子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1電池管理子系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

電池管理子系統(tǒng)的功能要求如下：

(1)電池組由30節(jié)額定電壓為3.2 V、額定容量為20 Ah的單體磷酸鐵鋰電池級(jí)聯(lián)而成，15節(jié)單體電池串聯(lián)為一組，然后兩組并聯(lián)，所組成的電池組總電壓為48 V，容量是40 Ah；

(2)具有電池過充電、過放電保護(hù)功能；

(3)具有電池端電壓、電流和溫度等參數(shù)檢測(cè)功能；

(4)根據(jù)電池組內(nèi)部異常狀態(tài)與單節(jié)電池間壓差狀態(tài)，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移式無損均衡充電。

根據(jù)上述功能要求，設(shè)計(jì)了電池管理子系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。電池管理子系統(tǒng)由主控CPU模塊、電池組、電池保護(hù)模塊、電壓采集模塊、電流采集模塊、溫度采集模塊、均衡控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、LCD顯示模塊等組成。電池管理子系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司的32位微處理器STM32F103VCT6作為控制核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、電池均衡控制、電池保護(hù)控制以及電池荷電狀態(tài)(SOC)估算等功能[3-5]。電流采集模塊采用霍爾傳感器對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)，通過微處理器內(nèi)部ADC模塊轉(zhuǎn)換電流值，并通過CAN通信上傳給主控CPU模塊。采用凌力爾特的LTC6802集成芯片構(gòu)成的電壓采集模塊對(duì)電池組各個(gè)單體電壓進(jìn)行采樣，通過SPI總線傳輸給主控CPU模塊。

圖2　電池管理子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

溫度采集模塊選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，通過配置微處理器的GPIO引腳功能來實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組和環(huán)境溫度的采集。根據(jù)采集到的電池電壓和電流數(shù)據(jù)，估算SOC值，判斷是否要進(jìn)行電池均衡和保護(hù)控制。當(dāng)出現(xiàn)電池組內(nèi)單體電池電量不一致時(shí)，開啟均衡模塊進(jìn)行均衡處理。電池如果出現(xiàn)過充電或過放電，電池保護(hù)模塊將斷開充放電主回路中的開關(guān)管，停止電池組的充放電。微處理器單元將采集到的電壓、電流等數(shù)據(jù)以及估算出的SOC值顯示在LCD上。每次充放電結(jié)束后微處理器會(huì)將一些重要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FLASH中，以便于下次充放電時(shí)SOC的估計(jì)和電池健康狀態(tài)(SOH)的判斷。電池管理子系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。

2.2電池保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于多節(jié)串聯(lián)鋰電池組，主要保護(hù)其充電和放電過程處于正常工作狀態(tài)。從內(nèi)部來看，每個(gè)單體電池都需要保護(hù)，需要采用電池保護(hù)芯片以及對(duì)應(yīng)的電壓、電流采集電路。從外部來看，必須要有一個(gè)控制電路，由其配置的MOS管來控制電池外部充放電回路的導(dǎo)通或關(guān)閉，從而起到有效的保護(hù)作用。

基于芯片HY2112的鋰電池保護(hù)電路如圖4所示，它主要針對(duì)電池組的三個(gè)工作狀態(tài)進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)電池充電電壓超過過充電檢測(cè)電壓且持續(xù)時(shí)間超過過充檢測(cè)延遲時(shí)間時(shí)，HY2112的OC端輸出信號(hào)來關(guān)閉充電控制用MOSFET，停止充電，此狀態(tài)稱為“過充保護(hù)”。放電過程中，當(dāng)電池電壓低于過放電檢測(cè)電壓且持續(xù)時(shí)間超過過放檢測(cè)延遲時(shí)間時(shí)，HY2112的OD端輸出信號(hào)來關(guān)閉放電控制用MOSFET，停止放電，此狀態(tài)稱為“過放保護(hù)”。正常情況下，HY2112通過檢測(cè)CS端子電壓來持續(xù)偵測(cè)放電電流。一旦CS端子電壓超過放電過流檢測(cè)電壓且持續(xù)時(shí)間超過放電過流檢測(cè)延遲時(shí)間時(shí)，OD端就輸出信號(hào)來關(guān)閉放電控制用MOSFET，停止放電，此狀態(tài)稱為“放電過流保護(hù)”。

圖3　電池管理子系統(tǒng)的工作流程

圖4　基于芯片HY2112的鋰電池保護(hù)電路原理

2.3均衡控制模塊設(shè)計(jì)

均衡控制模塊的結(jié)構(gòu)如圖5所示，它主要由主控CPU模塊、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、DC/DC恒流模塊、串聯(lián)電池組以及直流母線組成。主控CPU模塊根據(jù)所獲取的各單體電池電壓值判斷其在電池組中所處的狀態(tài)，若出現(xiàn)異常，即當(dāng)某單體電池電壓高于或低于電池組平均單體電壓一定幅度時(shí)，主控CPU模塊就會(huì)進(jìn)行均衡控制，閉合開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中對(duì)應(yīng)某節(jié)電池的開關(guān)，經(jīng)過DC/DC恒流模塊抽取高電壓態(tài)單體電池的電流，降低其電壓值，對(duì)電壓低的單體電池灌電流，使其電壓升高[7-8]。

圖5　均衡控制模塊的結(jié)構(gòu)框圖

均衡控制模塊的電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。開關(guān)K1-K7、單刀雙擲開關(guān)K8和K9均采用繼電器實(shí)現(xiàn)開關(guān)的開合，由主控CPU模塊控制，執(zhí)行開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的通斷。系統(tǒng)采用分時(shí)均衡策略，即在均衡時(shí)先關(guān)斷電池組充電電流，通過導(dǎo)通相應(yīng)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)該節(jié)電池降壓或升壓操作。若要對(duì)電池Cell1減壓操作，先合上K1與K2，將K8與K9打到上端子，斷開K3-K7，主控CPU模塊將DC/DC雙向恒流模塊置于向直流母線灌電流模式，這樣電池Cell1就會(huì)以恒定電流向直流母線放電；若要對(duì)蓄電池Cell1升壓操作，上述開關(guān)設(shè)置不變，主控CPU模塊將DC/DC雙向恒流模塊置于向電池灌電流模式，這樣DC/DC雙向恒流模塊從直流母線取能量向電池Cell1恒流充電。其他電池均衡操作與此類似。

均衡操作之前，要實(shí)時(shí)采集和儲(chǔ)存電池組中每節(jié)電池的電壓值，據(jù)此判斷所采集的電池電壓值與充放電截止電壓值的差值是否在設(shè)定范圍內(nèi)，若在則結(jié)束充放電過程；否則，就判斷電池組中是否有某一節(jié)電池電壓與電池組電壓平均值的差值不在所設(shè)定的范圍內(nèi)，若是則開始對(duì)電池組進(jìn)行均衡控制，直到充放電過程結(jié)束。均衡充放電過程中對(duì)電池單體進(jìn)行升壓或降壓的控制流程如圖7所示。

圖6　　均衡控制模塊的電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖7　均衡控制流程

3 智能雙電源快速切換模塊設(shè)計(jì)

智能雙電源快速切換模塊主要包括主電源監(jiān)測(cè)單元、副電源監(jiān)測(cè)單元、智能控制單元、切換開關(guān)單元，其結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

智能雙電源快速切換模塊的基本工作過程如下：正常情況下切換開關(guān)單元的輸出由主電源提供；若監(jiān)測(cè)到主電源的電壓、頻率異常且副電源的電壓、頻率正常，則智能控制單元輸出控制信號(hào)，使切換開關(guān)單元的輸出由副電源提供。

電源監(jiān)測(cè)與控制方法如下：由智能控制單元和主、副電源監(jiān)測(cè)單元分別對(duì)主、副電源電壓采樣，若智能控制單元選用高速器件，則其AD的采樣速率可達(dá)200 ksps，即每次采樣轉(zhuǎn)換時(shí)間最短為5 μs。工頻每周期采樣128點(diǎn)，即采樣點(diǎn)的間隔為156.25 μs，將當(dāng)前時(shí)刻采樣點(diǎn)記為Ut，則對(duì)應(yīng)前一周波的采樣點(diǎn)為Ut-128，連續(xù)判斷10個(gè)采樣點(diǎn)，比較當(dāng)前周期采樣點(diǎn)與前一周期對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)電壓值的大小，若發(fā)生突變，其變化閾值大于掉電閾值且趨勢(shì)為減小，則認(rèn)為電源消失，立即切換電源；若其變化閾值大于欠壓閾值且趨勢(shì)為減小，則認(rèn)為電源欠壓；若其變化閾值大于過壓閾值且趨勢(shì)為增大，則認(rèn)為電源過壓。另外，通過電源監(jiān)測(cè)單元進(jìn)行波形的零點(diǎn)檢測(cè)可得到輸入電源頻率，若頻率與工頻50 Hz之差大于頻率異常閾值，則認(rèn)為電源頻率異常。利用采樣點(diǎn)突變?cè)?，檢測(cè)判斷時(shí)間僅為1.56 ms；切換開關(guān)采用響應(yīng)時(shí)間小于2 ms的高速雙向可控硅器件，總切換時(shí)間不超過5 ms，這樣可有效保證重要負(fù)荷的持續(xù)供電。

圖8　雙電源切換開關(guān)模塊結(jié)構(gòu)框圖

4 建模與仿真

圖9　雙電源切換開關(guān)模塊仿真模型

在Matlab環(huán)境下，應(yīng)用Simulink工具包，模擬圖8雙電源模型。主、副電源用受控交流電壓源模塊表示；監(jiān)測(cè)單元采用延時(shí)模塊和電壓測(cè)量模塊進(jìn)行離散采樣；智能控制單元利用Embedded Matlab Function可編程模塊構(gòu)建；切換開關(guān)單元采用邏輯模塊和IGBT模塊構(gòu)建。雙電源仿真模型如圖9所示。模型中默認(rèn)相電壓頻率為50 Hz，幅度峰值在180×sqrt(2)～220× sqrt(2)之間的電壓源是正常的。其中AC1為主電源輸入，設(shè)置其電壓峰值為300×sqrt(2)，頻率為60 Hz；AC2為副電源輸入，設(shè)置其電壓峰值為220×sqrt(2)，頻率為50 Hz?？梢夾C1的電壓幅值和頻率都不在正常范圍內(nèi)，屬于異常。仿真圖中的V、V1分別為監(jiān)測(cè)主、副電源幅值是否正常的模塊，f、f1分別為監(jiān)測(cè)主、副電源頻率是否正常的模塊。模塊輸出值為0時(shí)表示在正常范圍內(nèi)，輸出值為1時(shí)表示不在正常范圍內(nèi)，然后經(jīng)過邏輯模塊進(jìn)行判斷，從而控制Switch開關(guān)的開合。

圖10為scope示波器顯示的波形，從上至下依次是主電源和v、f模塊的波形。v模塊在8 ms時(shí)從0變?yōu)?，說明此時(shí)監(jiān)測(cè)到幅值異常。f模塊在5 ms時(shí)由0變?yōu)?，說明此時(shí)監(jiān)測(cè)到頻率異常。

圖10　主電源和v、f模塊的波形

圖11為scope4示波器顯示的波形，從上至下依次是副電源和v、f模塊的波形，圖中v模塊和f模塊一直為0，說明副電源處于正常狀態(tài)。

圖11　副電源和v、f模塊的波形

圖12為scope5示波器顯示的波形，從上至下分別是主、副電源開關(guān)切換邏輯以及最終輸出波形，輸出值為1說明開關(guān)進(jìn)行了切換。在圖10中，v、f模塊分別在8 ms和5 ms監(jiān)測(cè)到主電源異常，故切換開關(guān)優(yōu)先選取在5 ms時(shí)進(jìn)行主、副電源切換。由圖12可見，在0至5 ms，電壓波形屬于異常；在5 ms以后，電壓波形已切換到正常的電壓源供電了。

圖12　主、副電源開關(guān)切換輸出波形

5 結(jié)束語

本文針對(duì)很多應(yīng)用場(chǎng)合需要配置后備電源以滿足不間斷供電的需求，設(shè)計(jì)了一種智能化儲(chǔ)能式應(yīng)急電源系統(tǒng)。同時(shí)，對(duì)于電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、能量轉(zhuǎn)移式均衡工作原理以及雙電源自動(dòng)切換技術(shù)進(jìn)行了闡述，并利用Matlab/Simulink軟件包進(jìn)行了建模和仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以達(dá)到智能充放電、一體化監(jiān)控和保護(hù)等功能要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Design and study on intelligent energy storage emergency power system

YANG Yi-yun1，ZHANG Ge1，PENG Jian-hua2，LIU Jian-min2，XIAO Yuan-yuan1
(1.Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Company Limited,Nanning Guangxi 530023,China；2.Beijing Autony Electronic Technology Co.,Ltd.,Beijing 100085,China)

According to the existing problems of traditional emergency power,an intelligent energy storage emergency power system using lithium iron phosphate as energy storage medium was designed.The system had adopted the newest power electronic technology and embedded technology,in addition,particularly some of the key techniques are discussed,such as battery management,energy transfer equalizer,battery protection,dual power automatic switching,etc.the system research program,design idea,block diagram and working flow chart were also given. Finally,through the dual power switch as an example,using Matlab/Simulink software to build the simulation model, simulated experiment was conduct,effect of simulation demonstrates that this model was effective.

emergency power system;lithium iron phosphate battery;dual power automatic switching technology; battery management;energy transferring equalizer

TM 912

A

1002-087 X(2016)01-0153-04

2015-06-05

廣西電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(K-GX2013-018)

楊藝云(1975—)，男，廣西壯族自治區(qū)人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉磻?yīng)用。不間斷供電。應(yīng)急電源系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由充電模塊、電池管理子系統(tǒng)、逆變器和智能雙電源快速切換模塊等組成。