一種蓄電池升降壓變換方案在DC?BANK系統中的應用

摘 要： 分析了現有DC?BANK抗“晃電”直流支撐系統中蓄電池組的變壓方案。針對某型具體DC?BANK系統中系統參數的設定，提出傳統系統中蓄電池利用率低的問題。針對蓄電池本身的放電特性及DC?BANK系統對蓄電池組的使用實際，提出采用一種對蓄電池組輸出電壓進行升降壓變換的方案來解決現有系統中不能充分發揮蓄電池性能的不足。仿真證明電路性能達到預定指標，實現了對蓄電池組輸出電壓的升降壓變換和延長系統的設計支撐時間的目的，解決了傳統DC?BANK抗“晃電”直流支撐系統中蓄電池組性能不能充分發揮的不足。

關鍵詞： DC?BANK； 抗“晃電”； 蓄電池； 變頻器

中圖分類號： TN710?34； TM912 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）04?0146?04

0 引 言

在UPS和直流屏等不間斷電源系統中，通常選用蓄電池組作為后備電源[1?2]。蓄電池作為不間斷電源中的重要組成部分，對于標準時間機器來說，蓄電池組的成本約占整個不間斷電源系統總成本的20%～30%。而在長時間不間斷電源系統中，其成本甚至超過不間斷電源主機的成本。因此，不間斷電源系統的設計和使用中，對于如何最大化地發揮其效能的研究意義重大。

1 蓄電池特性分析

不間斷電源系統中的蓄電池多采用鉛酸蓄電池，它是一種將化學能和電能相互轉化的裝置[3]。其中，蓄電池通過外接的額定直流電源實現充電，將電能轉化為化學能形式進行儲存。蓄電池陽極的活性物質是二氧化鉛（PbO2）陰極的活性物質是是鉛（Pb），電解液是稀硫酸（H2SO4）。正是通過電解液中活性物質的電化學反應，蓄電池才實現了電能與化學能的相互轉換。

[2PbSO4+2H2O?充電放電Pb+PbO2+2H2SO4]

電池是由單個的“原電池”組成，每個原電池的電壓大約是2 V，一個12 V的電池由6個原電池組成。事實上，以某標稱12 V的蓄電池為例，其電池充電截止電壓為13.8 V，即電池最高充電至13.8 V時即應停止充電；電池放電截止電壓為10.8 V，即電池最低放電至10.8 V時即應停止放電。過充和過放將嚴重影響蓄電池的性能及使用壽命。

考查某型DC?BANK系統，對于某額定母線電壓為560 V的變頻器進行抗“晃電”改造。變頻器預設的低壓保護值為500 V（約合85%額定電壓），即母線電壓低于500 V時，變頻器發生跳閘。DC?BANK實際的投切電壓為530 V，變頻器母線直接取自蓄電池組輸出端電壓，由額定電壓12 V的44節高性能免維護鉛酸蓄電池組成。由于電池放電軟特性的存在，該電壓在480～600 V之間。這要求蓄電池組在充電后進行可控放電至530 V（單體約12 V）左右（或者充電截止電壓設定為530 V）一方面，對于蓄電池組端電壓超過投切電壓時的放電處理浪費了電能（或者將充電截止電壓設定為530 V不利于蓄電池的充分利用）；另一方面，額定投切電壓投切后，隨著支撐時間的延長，由于電池軟特性這一特有屬性，蓄電池組端電壓會下降。這使得早在蓄電池組未放電至其允許的放電終止電壓時，其輸出端電壓早已無法對變頻器直流母線提供支撐，支撐過程終止。如果對蓄電池組的輸出電壓進行變壓處理，充分利用其放電過程，則系統穩定性及支撐時間等指標將得到明顯改善。

圖1是根據蓄電池特性繪制出的蓄電池單體放電過程示意圖，標稱為12 V的高密度免維護鉛酸蓄電池，其放電截止電壓為10.8 V，充電截止電壓為13.8 V。則蓄電池單體正常使用過程中，端電壓Ubat在10.8～13.8 V之間。則理論電池使用時間[tideat=t4-t1]。其中[0

設定DC?BANK系統投切電壓為530 V（約合90%額定電壓）時，44節蓄電池組放電至500 V即結束支撐過程，此時蓄電池單體平均電壓為11.3 V。如圖1所示，[tsys=t3-t2]即是系統設計支撐時間，顯然[tideat>tsys]。

2 傳統DC?BANK系統中對蓄電池輸出電壓的

處理

包括DC?BANK在內的傳統不間斷電源系統中，對于蓄電池組輸出端電壓的處理方案通常有以下幾種：

不對電壓進行變換，僅考慮增加保護及穩壓等輔助性功能電路；針對蓄電池組使用過程中的電壓變低問題，通過增設BOOST電路實現穩壓；基于PWM控制下功率MOS或IGBT器件實現的高頻鏈逆變整流技術。

（1） DC?BANK系統中間級設計方案中，對于蓄電池組與變頻器直流母線間的連接部分拓撲結構問題，首先考慮將蓄電池組直接并聯到變頻器的直流母線上。該方案設定蓄電池組的輸出電壓為變頻器母線的投切電壓，當變頻器母線電壓發生跌落低于此電壓值時，蓄電池組完成投切支撐。該方案的優點在于電路拓撲結構簡單，故而避免了復雜電路可能帶來的高故障率的問題。但是，簡單并聯方案的不足在于：

① 電池組或電池單體出現故障，直接影響蓄電池組的輸出甚至變頻器的正常工作。

② 電池組輸出電壓[Ug]為低于變頻器母線直流電壓且[Udc]高于變頻器低壓跳閘閾值[Uo]的固定值（即[Uo

③ 對于固定值[Ug]的保持，仍需要設計專門的電池組輸出電壓的控制電路（電池充電與巡檢單元）。非使用狀態下，一方面實現欠壓時的充電，另一方面，當蓄電池組輸出電壓高于固定值[Ug]，還要完成蓄電池組的可控放電，使之穩定在固定值[Ug]。

（2） 考慮含有中間級的拓撲設計方案，優點是：

① 處于蓄電池組與變頻器直流母線間，起到連接與隔離的雙重作用。設計上甚至可以通過對蓄電池單體的控制（如故障切除），解決單體故障對蓄電池組正常工作的影響問題。

② 對蓄電池組輸出的電壓進行處理，如實現穩壓的功能。只要蓄電池在正常的工作狀態，經過中間級的處理，可以實現支撐電壓的穩定，避免了電池因長時放電出現的電池軟特性問題。

③ 智能化程度大為提高，控制算法與檢測、監測算法的引入能夠極大提高系統的性能。

隨著IGBT器件與控制技術的發展與成熟，PWM控制下的大功率DC/DC變換器得到廣泛應用。將該技術應用于DC?BANK系統中，可以使DC?BANK效率、體積、成本和數字化水平等指標得到巨大改善。

考慮直流屏設備中常用的Boost電路，將蓄電池組輸出的電壓[Ug]升壓至投切電壓[Uk]。進一步還可以對升壓系統進行反饋設計，通過反饋實現穩壓來解決蓄電池放電軟特性的問題。但是，對于蓄電池組輸出電壓的處理上，Boost方案的不足在于：

① 僅僅是通過增加Boost變壓電路實現了升壓穩壓控制，但是對于蓄電池組輸出電壓大于投切電壓（仍屬于正常范圍）時，該方案仍然需要通過放電控制模塊解決蓄電池中“多余”的電量，或采用降壓硅鏈[4]實現降壓，或者設定蓄電池單體充電的截止電壓為12 V，這樣顯然不利于電池的充分利用。

② 由于Boost電路是純升壓電路，其變比大于1，因此原定44×12 V的蓄電池組，額定輸出為530 V支撐電壓的設計需要調整。一者，若保持投切電壓[Uk]為530 V不變，則應減少蓄電池數量，這使得蓄電池單體輸出電流變大且理論支撐時間變短。二者可以調高投切電壓，這顯然有違設計初衷。

3 升降壓變換電路的拓撲結構與工作原理

對于蓄電池組輸出電壓的處理，本文探討具有升?降壓雙重功能的DC/DC拓撲結構[5]在DC?BANK系統中的使用。圖2是升降壓變換電路原理圖，Ug為蓄電池組輸出電壓，Uout為變壓模塊的輸出電壓。

該電路拓撲結構簡單，電壓應力小，電路的升降壓兩種工作模式（即Boost和Buck）各自獨立，這正是該拓撲結構優于經典Buck?Boost電路的原因。

當[Ug>Uk]時（系統為電池滿充或“過充”狀態），VT1始終關斷，VT2工作在斬波狀態，電路實現Buck降壓功能，[Uout=UgDu]（[Du]為PWM控制信號占空比）；當[Ug>Uk]時（系統為長時支撐狀態或“欠壓”狀態），VT2始終導通，VT1工作在斬波狀態，電路實現Boost升壓功能，[Uout=Ug1-Du]。可見，對于電路中的兩個IGBT器件能直接采用PWM技術實現控制可行性高。

由于電壓脈動的客觀存在，兩種工作模式轉換時，[Ug]值極接近530 V，這一方面可能導致系統頻繁轉換，另一方面此時控制信號的占空比接近或達到0或1。設計上可以設置一定的死區對此進行規避，或者對電壓時行分段，如在[Ug]為600～530 V時啟動Buck模式，當[Ug]降至530 V（此時占空比理論值達到1）時，繼續保持此模式至[Ug]為530時啟動Boost模式。由于控制信號的占空比[Du]介于0～1之間，因此有必要考慮設計一定死區，避免可能出現的頻繁轉換。死區大小的設定由[Uout]電壓脈動的大小決定。

4 控制系統實現

如圖3所示，當且僅當變頻器電機系統正常工作（sys=1），升降壓變換電路才開始工作。其中，CPU通過采集Ug和Uout的電壓值，控制升降壓變換電路的工作模式，使輸出穩壓在530 V。在前提下，當Udc發生跌落或Udc尚未跌落但監測到電網發生嚴重故障（net=1），CPU發出開關投切指令。控制方案流程見圖4。

圖4中系統中諸如480 V放電終止電壓等的參數設置為實驗值，實物設定以系統實際為準。

采用定時計數器實現PWM的發生與數字化控制，定時計數器工作在計數模式，每個PWM周期對應256個時鐘周期。計數器的減計數模式下，當CPU給定值TL從0～255變化，生成PWM波占空比對應1～0。

當變頻器電機系統啟動后，檢測到蓄電池組電壓在正常范圍則啟動升降壓變換模塊，在Buck模式下，將蓄電池組電壓Ug與升降壓變換模塊輸出電壓Uout引入控制器占空比的計算中，實現時時的反饋修正。通過采樣始終監測蓄電池組電壓變化，在長時放電情況下蓄電池組電壓降至投切電壓Uk以下時，系統轉入Boost模式，至最低工作電壓時退出工作，并發出電池電壓警報。其中，蓄電池組最低工作電壓及充電截止電壓依據實際情況而定。

5 結 語

本文對DC?BANK系統中蓄電池后級現有的變壓方案進行簡要介紹，并進行了優缺點分析，指出現有方案不能充分發揮蓄電池性能和存在資源浪費的問題。提出利用一種升降壓變換方案提高蓄電池利用率的設計思路，給出控制器流程圖設計及部分程序。最后，通過Multisim仿真驗證了方案的合理性和可行性。

在DC?BANK系統中，該拓撲設計相比于其他方案的優點有：

（1） 引入升降壓變換電路，擴展了蓄電池組正常工作的允許電壓范圍，有利于充分發揮蓄電池性能，在相同蓄電池組配備條件下，延長了系統的支撐時間；

（2） 電路中Buck和Boost功能相互獨立運行，既能像經典Buck?Boost電路那樣實現升降壓變換功能，又避免了經典Buck?Boost拓撲電路和高頻鏈逆變?整流電路因系統級聯多而帶來的系統損耗增加、控制復雜和可靠性降低的問題。

不足之處有：

（1） 只要變頻器?電機系統處于工作狀態下，升降壓變換系統始終工作在變壓模式。相對而言，實際DC?BANK系統支撐時間極短，系統始終處于待機狀態時，存在一定的損耗，這也是無升降壓變換的直接并聯方案簡單實用之處。

（2） 由于電路將480～600 V左右電壓變壓至530 V輸出，在各自獨立的升壓或降壓模式下，控制PWM波占空比工作在接近0（0～10%）或接近1（90%～100%）的狀態[6]。值得注意的是，雖然這種電路要求在模擬電路中實現有一定困難，但是數字電路的普及使之容易實現。此外，升降壓變換系統恒0或恒1的狀態仍然可取，僅是VT2恒通或VT1恒斷的情況；

（3） 蓄電池組的串聯充電均充問題是由于蓄電池單體之間內阻不同，同樣，使用中的放電過程也會存在類似情況，如何避免使用過程中單個蓄電池過放也是選擇放電終止時間t4或設計保護電路的參考；

如果方案應用于實際DC?BANK系統中，還應充分考慮增設通信模塊、鍵盤控制、液晶顯示及友好的人機交互界面的設計等。

參考文獻

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[2] 林天柱，沙立民，高尚飛.DC?BANK抗晃電技術及問題研究[J].電氣應用，2011（19）：46?48.

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[6] 周習祥，楊賽良.PS?FB?ZVS PWM DC/DC變換器中副邊占空比丟失問題的研究[J].通信電源技術，2009（5）：47?49.