港珠澳大橋基于鋰電池的應(yīng)急電源系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

劉亮

摘 要 為保障港珠澳大橋在市電異常時可以正常運營，需采用應(yīng)急電源系統(tǒng)作為后備電源，傳統(tǒng)電源設(shè)備采用鉛酸蓄電池，通過對比分析傳統(tǒng)電池與新能源鋰電池的優(yōu)劣勢，本課題選用鋰電池作為應(yīng)急電源。通過對鋰電池與應(yīng)急電源UPS/EPS之間接口、參數(shù)匹配的研究及對BMS（電池管理系統(tǒng)）的測試，實現(xiàn)了常規(guī)應(yīng)急電源與鋰電池的兼容，開拓了新能源鋰電池技術(shù)在高速公路領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 橋梁工程;應(yīng)急電源UPS/EPS;鋰電池;BMS

引言

港珠澳大橋是連接香港、珠海、澳門三地的世界級超級跨海通道。為保障大橋在市電故障或異常時設(shè)備可以正常運營，需采用UPS和EPS作為應(yīng)急后備電源。本課題通過對鋰電池與應(yīng)急電源UPS/EPS之間接口、參數(shù)匹配的研究及對BMS（電池管理系統(tǒng)）的測試，實現(xiàn)了常規(guī)應(yīng)急電源與鋰電池的兼容，開拓了新能源鋰電池技術(shù)在高速公路領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1基于鋰電池的應(yīng)急電源系統(tǒng)

1.1 新能源鋰電池的優(yōu)勢

為對比鉛酸電池與鋰電池的差異性，實驗室進(jìn)行實驗，主要對EPS/UPS技術(shù)指標(biāo)：電壓（V）、比能量（Wh/kg）、比功率（W/kg）、體積比能量（Wh/L）、循環(huán)次數(shù)（次）、每月自放電率、工作溫度（℃）進(jìn)行驗證，各項技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計要求。實驗從電池續(xù)航能力、使用壽命和環(huán)保等幾個方面進(jìn)行對比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋰電池的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鉛酸蓄電池。

1.2 應(yīng)急電源系統(tǒng)的簡介

（1）應(yīng)急電源的組成部分

應(yīng)急電源系統(tǒng)的核心單元為整流器和逆變器。

整流器將輸入的交流電通過整流器變換為穩(wěn)定的直流電然后送逆變器，同時給電池充電。整流器及給電池充電的電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其控制過程為：主電輸入經(jīng)整流開關(guān)控制，首先經(jīng)諧波濾波器，再經(jīng)整流器將交流電整流成直流，再濾波變換成穩(wěn)定的直流總線。整流控制電路通過對輸入電壓、頻率和對直流總線的測量對整流器進(jìn)行控制，輸出穩(wěn)定的直流電供給逆變器和電池組;當(dāng)輸入錯相、缺相或超限時進(jìn)行保護(hù)。

當(dāng)應(yīng)急電源連接上電池組時對電池組的電壓和電池進(jìn)行測量，整流器進(jìn)入電流和電壓雙環(huán)控制，當(dāng)電池電壓低時為恒流充電模式，當(dāng)電池電壓達(dá)到浮充電壓時，自動轉(zhuǎn)為恒壓充電模式[1]。

另一核心單元——逆變器由采樣電路、單片機(jī)控制電路、IGBT驅(qū)動電路、IGBT模塊、逆變隔離變壓器、濾波電感及電容和保護(hù)電路等構(gòu)成。其電路圖如圖2所示。

逆變器的控制過程為：單片機(jī)控制電路對采祥信號進(jìn)行計算后產(chǎn)生SPWM信號，IGBT模塊利用驅(qū)動電路將總線的直流電變換成高頻的SPWM波，再通過逆變隔離變壓器、逆變?yōu)V波器濾波后輸出純凈的正弦交流電。同時通過反饋采集的電壓、電流、溫度等信號對輸出電壓、波形進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)行實時保護(hù)。

（2）應(yīng)急電源系統(tǒng)的工作原理

應(yīng)急電源是一個多重保護(hù)的交流供電設(shè)備。

當(dāng)主電正常時，首先將主電整流變換成純凈的直流電，濾除主電中的干擾，然后給蓄電池充電，同時輸出主電;當(dāng)主電異常時，則將蓄電池儲存的直流逆變成交流輸出，保證用戶負(fù)載的高質(zhì)量供電;手動維修旁路保證在不斷電的情況下對應(yīng)急電源進(jìn)行維護(hù)或檢修。

微處理器將輸入、輸出、電池、環(huán)境等數(shù)據(jù)經(jīng)高速運算，然后控制整流器、逆變器、靜態(tài)開關(guān)的運行和保護(hù)并響應(yīng)外部的操作指令[2]。

2基于鋰電池的應(yīng)急電源系統(tǒng)在港珠澳大橋的應(yīng)用

2.1 技術(shù)難點

基于鋰電池的應(yīng)急電源系統(tǒng)在高速公路供電系統(tǒng)的應(yīng)用屬于首例，所面臨的技術(shù)難點體現(xiàn)在兩方面：

（1）如何處理鋰電池與應(yīng)急電源UPS/EPS之間接口選擇問題、電源容量與鋰電池數(shù)量，模塊串并聯(lián)方式等參數(shù)匹配選擇問題。

（2）如何將BMS接入監(jiān)控中心，實現(xiàn)實時監(jiān)測電源狀態(tài)。鋰離子電池比鉛酸電池多了BMS，其作用是對電池管理和保護(hù)，具有優(yōu)異的輸入輸出過欠壓保護(hù)、輸入浪涌保護(hù)、相序保護(hù)、電池過充過放保護(hù)、輸出過載短路保護(hù)、溫度過高保護(hù)等多種系統(tǒng)保護(hù)和報警功能[3]。

2.2 解決方案

針對難點一，協(xié)調(diào)鋰電池廠家和應(yīng)急電源廠家，針對應(yīng)急電源接口、通信協(xié)議、電源容量與鋰電池數(shù)量問題，展開專題會議討論。

針對難點二，BMS選用專用充電機(jī)，實現(xiàn)智能充電，自動均衡每串電芯電壓。監(jiān)控每串電池電壓、總電壓、電流、容量、溫度、絕緣阻值，在人機(jī)顯示屏及遠(yuǎn)程上位機(jī)上顯示當(dāng)前狀態(tài)，有異常時自動斷開電池充、放電，同時聲音報警及人機(jī)顯示屏上圖標(biāo)顯示，有效提高電池組使用安全系數(shù)。BMS利用串口協(xié)議，與系統(tǒng)集成廠商合作，將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，在綜合監(jiān)控平臺即可看到電池的運行狀態(tài)，是處于充電狀態(tài)，還是放電狀態(tài)[4]。

3結(jié)束語

通過對鋰電池與應(yīng)急電源UPS/EPS之間接口、參數(shù)匹配的研究及對BMS的測試，實現(xiàn)了常規(guī)應(yīng)急電源與鋰電池的兼容。應(yīng)急電源UPS/EPS系統(tǒng)作為高速公路正常運營的重要保障設(shè)施，在應(yīng)急情況下具有非常重要的作用，通過本課題的實施，為后續(xù)類似項目的鋰電池應(yīng)用提供了經(jīng)驗。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱永靈，林鳴，孟凡超，等.港珠澳大橋[J].公路，2014，（1）：44-51.

[2] 方少乾.礦用大規(guī)模鋰電池應(yīng)急電源電池管理系統(tǒng)的設(shè)計[J].煤礦機(jī)械，2016，（4）：4-7.

[3] 沈濤，周巧蓮.城市軌道交通車輛電池應(yīng)急牽引功能的實現(xiàn)[J].城市軌道交通研究，2016，（7）：110-115.

[4] 王媛.鋰電池智能充電分析與監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].上海：華東理工大學(xué)，2017.