基于智能化儲能式應急電源系統的設計研究

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

基于智能化儲能式應急電源系統的設計研究

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

針對傳統應急電源存在的諸多弊端，利用最新的電力電子技術和嵌入式技術，以磷酸鐵鋰電池為儲能介質，設計了一種智能化儲能式應急電源系統，對其中的電池管理、能量轉移式均衡、電池保護以及雙電源自動切換等關鍵性技術進行了深入的闡述，給出了系統研究方案、設計思路、結構框圖和工作流程。以雙電源切換開關為例，利用Matlab/Simulink軟件搭建了仿真模型，進行了仿真實驗，仿真結果證實了方案的有效性。

應急電源系統；磷酸鐵鋰電池；雙電源自動切換技術；電池管理；能量轉移式均衡

隨著社會的高速發展，許多重要設施對供電可靠性的要求也越來越高，一旦供電系統突然發生故障而中斷供電，將會造成重大損失，因此需要做到供電電源的不間斷，即供電線路停電時由備用電源無縫切換給負載供電[1]。目前廣泛使用的應急電源系統多以鉛酸電池為儲能介質，而鉛酸蓄電池的缺點是重金屬污染、比能量小、壽命短、體積笨重等[2]。針對上述弊端，本文設計了一種基于磷酸鐵鋰電池的智能化儲能式應急電源系統，并對其中的電池管理與保護、能量轉移式均衡以及雙電源自動切換等關鍵性技術進行了研究和分析。實踐證明，這種新型的電源系統具有環保、節能、無污染和不間斷供電等優點。

1 智能化儲能式應急電源系統總體設計

本文所設計的智能化儲能式應急電源系統具有以下功能：在正常情況下，由220 V AC交流市電直接給負載供電；當交流市電異常時，系統快速切換到電池管理子系統端給負載

圖1　智能化儲能式應急電源系統總體結構框圖

應急電源系統通過充電模塊將220 V AC交流電整流成直流電，對電池管理子系統中的電池組進行充電，并對逆變器供電。當交流市電異常時，逆變器將電池組的直流電逆變成220 V AC交流電給負載不間斷供電。

2 電池管理子系統的設計

2.1電池管理子系統的總體設計

電池管理子系統的功能要求如下：

(1)電池組由30節額定電壓為3.2 V、額定容量為20 Ah的單體磷酸鐵鋰電池級聯而成，15節單體電池串聯為一組，然后兩組并聯，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、過放電保護功能；

(3)具有電池端電壓、電流和溫度等參數檢測功能；

(4)根據電池組內部異常狀態與單節電池間壓差狀態，進行能量轉移式無損均衡充電。

根據上述功能要求，設計了電池管理子系統的總體結構，如圖2所示。電池管理子系統由主控CPU模塊、電池組、電池保護模塊、電壓采集模塊、電流采集模塊、溫度采集模塊、均衡控制模塊、數據存儲模塊、LCD顯示模塊等組成。電池管理子系統采用意法半導體公司的32位微處理器STM32F103VCT6作為控制核心，實現數據采集、電池均衡控制、電池保護控制以及電池荷電狀態(SOC)估算等功能[3-5]。電流采集模塊采用霍爾傳感器對電流進行檢測，通過微處理器內部ADC模塊轉換電流值，并通過CAN通信上傳給主控CPU模塊。采用凌力爾特的LTC6802集成芯片構成的電壓采集模塊對電池組各個單體電壓進行采樣，通過SPI總線傳輸給主控CPU模塊。

圖2　電池管理子系統的結構框圖

溫度采集模塊選用DS18B20數字溫度傳感器，通過配置微處理器的GPIO引腳功能來實現對電池組和環境溫度的采集。根據采集到的電池電壓和電流數據，估算SOC值，判斷是否要進行電池均衡和保護控制。當出現電池組內單體電池電量不一致時，開啟均衡模塊進行均衡處理。電池如果出現過充電或過放電，電池保護模塊將斷開充放電主回路中的開關管，停止電池組的充放電。微處理器單元將采集到的電壓、電流等數據以及估算出的SOC值顯示在LCD上。每次充放電結束后微處理器會將一些重要數據存儲到FLASH中，以便于下次充放電時SOC的估計和電池健康狀態(SOH)的判斷。電池管理子系統的工作流程如圖3所示。

2.2電池保護模塊設計

對于多節串聯鋰電池組，主要保護其充電和放電過程處于正常工作狀態。從內部來看，每個單體電池都需要保護，需要采用電池保護芯片以及對應的電壓、電流采集電路。從外部來看，必須要有一個控制電路，由其配置的MOS管來控制電池外部充放電回路的導通或關閉，從而起到有效的保護作用。

基于芯片HY2112的鋰電池保護電路如圖4所示，它主要針對電池組的三個工作狀態進行保護。當電池充電電壓超過過充電檢測電壓且持續時間超過過充檢測延遲時間時，HY2112的OC端輸出信號來關閉充電控制用MOSFET，停止充電，此狀態稱為“過充保護”。放電過程中，當電池電壓低于過放電檢測電壓且持續時間超過過放檢測延遲時間時，HY2112的OD端輸出信號來關閉放電控制用MOSFET，停止放電，此狀態稱為“過放保護”。正常情況下，HY2112通過檢測CS端子電壓來持續偵測放電電流。一旦CS端子電壓超過放電過流檢測電壓且持續時間超過放電過流檢測延遲時間時，OD端就輸出信號來關閉放電控制用MOSFET，停止放電，此狀態稱為“放電過流保護”。

圖3　電池管理子系統的工作流程

圖4　基于芯片HY2112的鋰電池保護電路原理

2.3均衡控制模塊設計

均衡控制模塊的結構如圖5所示，它主要由主控CPU模塊、開關網絡、DC/DC恒流模塊、串聯電池組以及直流母線組成。主控CPU模塊根據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，若出現異常，即當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，主控CPU模塊就會進行均衡控制，閉合開關網絡中對應某節電池的開關，經過DC/DC恒流模塊抽取高電壓態單體電池的電流，降低其電壓值，對電壓低的單體電池灌電流，使其電壓升高[7-8]。

圖5　均衡控制模塊的結構框圖

均衡控制模塊的電氣拓撲結構如圖6所示。開關K1-K7、單刀雙擲開關K8和K9均采用繼電器實現開關的開合，由主控CPU模塊控制，執行開關網絡的通斷。系統采用分時均衡策略，即在均衡時先關斷電池組充電電流，通過導通相應開關，實現對該節電池降壓或升壓操作。若要對電池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就會以恒定電流向直流母線放電；若要對蓄電池Cell1升壓操作，上述開關設置不變，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，要實時采集和儲存電池組中每節電池的電壓值，據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定范圍內，若在則結束充放電過程；否則，就判斷電池組中是否有某一節電池電壓與電池組電壓平均值的差值不在所設定的范圍內，若是則開始對電池組進行均衡控制，直到充放電過程結束。均衡充放電過程中對電池單體進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撲結構

圖7　均衡控制流程

3 智能雙電源快速切換模塊設計

智能雙電源快速切換模塊主要包括主電源監測單元、副電源監測單元、智能控制單元、切換開關單元，其結構框圖如圖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單元的輸出由主電源提供；若監測到主電源的電壓、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，使切換開關單元的輸出由副電源提供。

電源監測與控制方法如下：由智能控制單元和主、副電源監測單元分別對主、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200 ksps，即每次采樣轉換時間最短為5 μs。工頻每周期采樣128點，即采樣點的間隔為156.25 μs，將當前時刻采樣點記為Ut，則對應前一周波的采樣點為Ut-128，連續判斷10個采樣點，比較當前周期采樣點與前一周期對應采樣點電壓值的大小，若發生突變，其變化閾值大于掉電閾值且趨勢為減小，則認為電源消失，立即切換電源；若其變化閾值大于欠壓閾值且趨勢為減小，則認為電源欠壓；若其變化閾值大于過壓閾值且趨勢為增大，則認為電源過壓。另外，通過電源監測單元進行波形的零點檢測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，則認為電源頻率異常。利用采樣點突變原理，檢測判斷時間僅為1.56 ms；切換開關采用響應時間小于2 ms的高速雙向可控硅器件，總切換時間不超過5 ms，這樣可有效保證重要負荷的持續供電。

圖8　雙電源切換開關模塊結構框圖

4 建模與仿真

圖9　雙電源切換開關模塊仿真模型

在Matlab環境下，應用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；監測單元采用延時模塊和電壓測量模塊進行離散采樣；智能控制單元利用Embedded Matlab Function可編程模塊構建；切換開關單元采用邏輯模塊和IGBT模塊構建。雙電源仿真模型如圖9所示。模型中默認相電壓頻率為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，設置其電壓峰值為300×sqrt(2)，頻率為60 Hz；AC2為副電源輸入，設置其電壓峰值為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，屬于異常。仿真圖中的V、V1分別為監測主、副電源幅值是否正常的模塊，f、f1分別為監測主、副電源頻率是否正常的模塊。模塊輸出值為0時表示在正常范圍內，輸出值為1時表示不在正常范圍內，然后經過邏輯模塊進行判斷，從而控制Switch開關的開合。

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時從0變為1，說明此時監測到幅值異常。f模塊在5 ms時由0變為1，說明此時監測到頻率異常。

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。

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、副電源開關切換邏輯以及最終輸出波形，輸出值為1說明開關進行了切換。在圖10中，v、f模塊分別在8 ms和5 ms監測到主電源異常，故切換開關優先選取在5 ms時進行主、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、副電源開關切換輸出波形

5 結束語

本文針對很多應用場合需要配置后備電源以滿足不間斷供電的需求，設計了一種智能化儲能式應急電源系統。同時，對于電池管理系統的設計、能量轉移式均衡工作原理以及雙電源自動切換技術進行了闡述，并利用Matlab/Simulink軟件包進行了建模和仿真實驗，仿真結果表明所設計的系統可以達到智能充放電、一體化監控和保護等功能要求，具有廣闊的應用前景。

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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

廣西電網公司科技項目(K-GX2013-018)

楊藝云(1975—)，男，廣西壯族自治區人，高級工程師，主要研究方向為新能源應用。不間斷供電。應急電源系統的總體架構如圖1所示，系統主要由充電模塊、電池管理子系統、逆變器和智能雙電源快速切換模塊等組成。