基于智能化储能式应急电源系统的设计研究

杨艺云，　张　阁，　彭建华，　刘建敏，　肖园园(.广西电网有限责任公司电力科学研究院，广西南宁53003；.北京安通尼电子技术有限公司，北京 00085)

基于智能化储能式应急电源系统的设计研究

杨艺云1，张阁1，彭建华2，刘建敏2，肖园园1
(1.广西电网有限责任公司电力科学研究院，广西南宁530023；2.北京安通尼电子技术有限公司，北京 100085)

针对传统应急电源存在的诸多弊端，利用最新的电力电子技术和嵌入式技术，以磷酸铁锂电池为储能介质，设计了一种智能化储能式应急电源系统，对其中的电池管理、能量转移式均衡、电池保护以及双电源自动切换等关键性技术进行了深入的阐述，给出了系统研究方案、设计思路、结构框图和工作流程。以双电源切换开关为例，利用Matlab/Simulink软件搭建了仿真模型，进行了仿真实验，仿真结果证实了方案的有效性。

应急电源系统；磷酸铁锂电池；双电源自动切换技术；电池管理；能量转移式均衡

随着社会的高速发展，许多重要设施对供电可靠性的要求也越来越高，一旦供电系统突然发生故障而中断供电，将会造成重大损失，因此需要做到供电电源的不间断，即供电线路停电时由备用电源无缝切换给负载供电[1]。目前广泛使用的应急电源系统多以铅酸电池为储能介质，而铅酸蓄电池的缺点是重金属污染、比能量小、寿命短、体积笨重等[2]。针对上述弊端，本文设计了一种基于磷酸铁锂电池的智能化储能式应急电源系统，并对其中的电池管理与保护、能量转移式均衡以及双电源自动切换等关键性技术进行了研究和分析。实践证明，这种新型的电源系统具有环保、节能、无污染和不间断供电等优点。

1 智能化储能式应急电源系统总体设计

本文所设计的智能化储能式应急电源系统具有以下功能：在正常情况下，由220 V AC交流市电直接给负载供电；当交流市电异常时，系统快速切换到电池管理子系统端给负载

图1　智能化储能式应急电源系统总体结构框图

应急电源系统通过充电模块将220 V AC交流电整流成直流电，对电池管理子系统中的电池组进行充电，并对逆变器供电。当交流市电异常时，逆变器将电池组的直流电逆变成220 V AC交流电给负载不间断供电。

2 电池管理子系统的设计

2.1电池管理子系统的总体设计

电池管理子系统的功能要求如下：

(1)电池组由30节额定电压为3.2 V、额定容量为20 Ah的单体磷酸铁锂电池级联而成，15节单体电池串联为一组，然后两组并联，所组成的电池组总电压为48 V，容量是40 Ah；

(2)具有电池过充电、过放电保护功能；

(3)具有电池端电压、电流和温度等参数检测功能；

(4)根据电池组内部异常状态与单节电池间压差状态，进行能量转移式无损均衡充电。

根据上述功能要求，设计了电池管理子系统的总体结构，如图2所示。电池管理子系统由主控CPU模块、电池组、电池保护模块、电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、均衡控制模块、数据存储模块、LCD显示模块等组成。电池管理子系统采用意法半导体公司的32位微处理器STM32F103VCT6作为控制核心，实现数据采集、电池均衡控制、电池保护控制以及电池荷电状态(SOC)估算等功能[3-5]。电流采集模块采用霍尔传感器对电流进行检测，通过微处理器内部ADC模块转换电流值，并通过CAN通信上传给主控CPU模块。采用凌力尔特的LTC6802集成芯片构成的电压采集模块对电池组各个单体电压进行采样，通过SPI总线传输给主控CPU模块。

图2　电池管理子系统的结构框图

温度采集模块选用DS18B20数字温度传感器，通过配置微处理器的GPIO引脚功能来实现对电池组和环境温度的采集。根据采集到的电池电压和电流数据，估算SOC值，判断是否要进行电池均衡和保护控制。当出现电池组内单体电池电量不一致时，开启均衡模块进行均衡处理。电池如果出现过充电或过放电，电池保护模块将断开充放电主回路中的开关管，停止电池组的充放电。微处理器单元将采集到的电压、电流等数据以及估算出的SOC值显示在LCD上。每次充放电结束后微处理器会将一些重要数据存储到FLASH中，以便于下次充放电时SOC的估计和电池健康状态(SOH)的判断。电池管理子系统的工作流程如图3所示。

2.2电池保护模块设计

对于多节串联锂电池组，主要保护其充电和放电过程处于正常工作状态。从内部来看，每个单体电池都需要保护，需要采用电池保护芯片以及对应的电压、电流采集电路。从外部来看，必须要有一个控制电路，由其配置的MOS管来控制电池外部充放电回路的导通或关闭，从而起到有效的保护作用。

基于芯片HY2112的锂电池保护电路如图4所示，它主要针对电池组的三个工作状态进行保护。当电池充电电压超过过充电检测电压且持续时间超过过充检测延迟时间时，HY2112的OC端输出信号来关闭充电控制用MOSFET，停止充电，此状态称为“过充保护”。放电过程中，当电池电压低于过放电检测电压且持续时间超过过放检测延迟时间时，HY2112的OD端输出信号来关闭放电控制用MOSFET，停止放电，此状态称为“过放保护”。正常情况下，HY2112通过检测CS端子电压来持续侦测放电电流。一旦CS端子电压超过放电过流检测电压且持续时间超过放电过流检测延迟时间时，OD端就输出信号来关闭放电控制用MOSFET，停止放电，此状态称为“放电过流保护”。

图3　电池管理子系统的工作流程

图4　基于芯片HY2112的锂电池保护电路原理

2.3均衡控制模块设计

均衡控制模块的结构如图5所示，它主要由主控CPU模块、开关网络、DC/DC恒流模块、串联电池组以及直流母线组成。主控CPU模块根据所获取的各单体电池电压值判断其在电池组中所处的状态，若出现异常，即当某单体电池电压高于或低于电池组平均单体电压一定幅度时，主控CPU模块就会进行均衡控制，闭合开关网络中对应某节电池的开关，经过DC/DC恒流模块抽取高电压态单体电池的电流，降低其电压值，对电压低的单体电池灌电流，使其电压升高[7-8]。

图5　均衡控制模块的结构框图

均衡控制模块的电气拓扑结构如图6所示。开关K1-K7、单刀双掷开关K8和K9均采用继电器实现开关的开合，由主控CPU模块控制，执行开关网络的通断。系统采用分时均衡策略，即在均衡时先关断电池组充电电流，通过导通相应开关，实现对该节电池降压或升压操作。若要对电池Cell1减压操作，先合上K1与K2，将K8与K9打到上端子，断开K3-K7，主控CPU模块将DC/DC双向恒流模块置于向直流母线灌电流模式，这样电池Cell1就会以恒定电流向直流母线放电；若要对蓄电池Cell1升压操作，上述开关设置不变，主控CPU模块将DC/DC双向恒流模块置于向电池灌电流模式，这样DC/DC双向恒流模块从直流母线取能量向电池Cell1恒流充电。其他电池均衡操作与此类似。

均衡操作之前，要实时采集和储存电池组中每节电池的电压值，据此判断所采集的电池电压值与充放电截止电压值的差值是否在设定范围内，若在则结束充放电过程；否则，就判断电池组中是否有某一节电池电压与电池组电压平均值的差值不在所设定的范围内，若是则开始对电池组进行均衡控制，直到充放电过程结束。均衡充放电过程中对电池单体进行升压或降压的控制流程如图7所示。

图6　　均衡控制模块的电气拓扑结构

图7　均衡控制流程

3 智能双电源快速切换模块设计

智能双电源快速切换模块主要包括主电源监测单元、副电源监测单元、智能控制单元、切换开关单元，其结构框图如图8所示。

智能双电源快速切换模块的基本工作过程如下：正常情况下切换开关单元的输出由主电源提供；若监测到主电源的电压、频率异常且副电源的电压、频率正常，则智能控制单元输出控制信号，使切换开关单元的输出由副电源提供。

电源监测与控制方法如下：由智能控制单元和主、副电源监测单元分别对主、副电源电压采样，若智能控制单元选用高速器件，则其AD的采样速率可达200 ksps，即每次采样转换时间最短为5 μs。工频每周期采样128点，即采样点的间隔为156.25 μs，将当前时刻采样点记为Ut，则对应前一周波的采样点为Ut-128，连续判断10个采样点，比较当前周期采样点与前一周期对应采样点电压值的大小，若发生突变，其变化阈值大于掉电阈值且趋势为减小，则认为电源消失，立即切换电源；若其变化阈值大于欠压阈值且趋势为减小，则认为电源欠压；若其变化阈值大于过压阈值且趋势为增大，则认为电源过压。另外，通过电源监测单元进行波形的零点检测可得到输入电源频率，若频率与工频50 Hz之差大于频率异常阈值，则认为电源频率异常。利用采样点突变原理，检测判断时间仅为1.56 ms；切换开关采用响应时间小于2 ms的高速双向可控硅器件，总切换时间不超过5 ms，这样可有效保证重要负荷的持续供电。

图8　双电源切换开关模块结构框图

4 建模与仿真

图9　双电源切换开关模块仿真模型

在Matlab环境下，应用Simulink工具包，模拟图8双电源模型。主、副电源用受控交流电压源模块表示；监测单元采用延时模块和电压测量模块进行离散采样；智能控制单元利用Embedded Matlab Function可编程模块构建；切换开关单元采用逻辑模块和IGBT模块构建。双电源仿真模型如图9所示。模型中默认相电压频率为50 Hz，幅度峰值在180×sqrt(2)～220× sqrt(2)之间的电压源是正常的。其中AC1为主电源输入，设置其电压峰值为300×sqrt(2)，频率为60 Hz；AC2为副电源输入，设置其电压峰值为220×sqrt(2)，频率为50 Hz。可见AC1的电压幅值和频率都不在正常范围内，属于异常。仿真图中的V、V1分别为监测主、副电源幅值是否正常的模块，f、f1分别为监测主、副电源频率是否正常的模块。模块输出值为0时表示在正常范围内，输出值为1时表示不在正常范围内，然后经过逻辑模块进行判断，从而控制Switch开关的开合。

图10为scope示波器显示的波形，从上至下依次是主电源和v、f模块的波形。v模块在8 ms时从0变为1，说明此时监测到幅值异常。f模块在5 ms时由0变为1，说明此时监测到频率异常。

图10　主电源和v、f模块的波形

图11为scope4示波器显示的波形，从上至下依次是副电源和v、f模块的波形，图中v模块和f模块一直为0，说明副电源处于正常状态。

图11　副电源和v、f模块的波形

图12为scope5示波器显示的波形，从上至下分别是主、副电源开关切换逻辑以及最终输出波形，输出值为1说明开关进行了切换。在图10中，v、f模块分别在8 ms和5 ms监测到主电源异常，故切换开关优先选取在5 ms时进行主、副电源切换。由图12可见，在0至5 ms，电压波形属于异常；在5 ms以后，电压波形已切换到正常的电压源供电了。

图12　主、副电源开关切换输出波形

5 结束语

本文针对很多应用场合需要配置后备电源以满足不间断供电的需求，设计了一种智能化储能式应急电源系统。同时，对于电池管理系统的设计、能量转移式均衡工作原理以及双电源自动切换技术进行了阐述，并利用Matlab/Simulink软件包进行了建模和仿真实验，仿真结果表明所设计的系统可以达到智能充放电、一体化监控和保护等功能要求，具有广阔的应用前景。

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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

广西电网公司科技项目(K-GX2013-018)

杨艺云(1975—)，男，广西壮族自治区人，高级工程师，主要研究方向为新能源应用。不间断供电。应急电源系统的总体架构如图1所示，系统主要由充电模块、电池管理子系统、逆变器和智能双电源快速切换模块等组成。