基站備用電源用燃料電池能量管理單元設計

袁學飛，劉照智，張廣孟，楊 琰

(北京航天發射技術研究所，北京 100076)

0 引言

在基站通信電源領域，要求電源系統高可靠供電，其可靠性通常由備用電源系統保證[1]。為了保證基站不中斷供電，一般采用鉛蓄電池搭配柴油發電機的方式備電，當基站市電自然中斷，備用電源啟動，為基站通信設備供電。固定式或移動式油機，無論是柴油發電機還是汽油發電機，都存在噪音大、廢氣污染嚴重、大量消耗一次能源等缺點[2]。

隨著可持續清潔能源技術的快速發展，燃料電池供電技術及其衍生直流電源變換器技術的研究受到了越來越多的關注[3]。搭載燃料電池電源變換技術的基站備用電源系統具備能量轉換方式簡單、效率高、能量密度大、工作溫度低、工作熱輻射小、噪聲低、過載的承受范圍寬、對環境適應性強、連續工作壽命長、維護要求低、排放無污染等特點，與固定式發電機組備用電源相比，在技術上具有很多優勢[3]。

燃料電池是一種高效的電化學能量轉換裝置，它直接將燃料的化學能轉化為電能。然而，由于其輸出特性較軟、動態響應慢、輸出電壓波動較大的特點，往往不能直接應用于設備發電，難以直接與負載連接,因此需要輔助的能量轉換設備進行負載設備與燃料電池電推之間的轉換[4-6]。基于通信基站場所自身具備市電轉直流(以下簡稱“市電”)、鉛酸電池電源的特點，設計一種燃料電池能量管理單元(以下簡稱“能量管理單元”或“系統”)來同時匹配市電、鉛酸電池以及燃料電池等3種輸入電源，在燃料電池啟動之前使用市電或鉛酸電池進行輔助供電，而一旦燃料電池輸出穩定，則完全使用燃料電池進行供電，實現基站備用電源的無污染可靠不間斷供電及能量切換。

1 工作原理及組成

1.1 功能描述

能量管理單元是一個多輸入單輸出電源變換系統，完成以燃料電池電堆為主電源、市電和鉛酸電池為輔助電源的能量切換管理與變換功能。市電供電正常時，能量管理單元控制市電輸入回路對負載供電，同時對鉛酸電池進行充電，停止燃料電池供電回路。鉛酸電池主要用于燃料電池系統啟動時為燃料電池提供輔助電源，同時在市電供電回路和燃料電池供電回路切換期間，提供短暫的負載功率支撐，并在燃料電池供電時負載功率突變提供能量補償[7]。

1.2 系統要求

能量管理單元承擔市電、鉛酸電池、燃料電池之間的能量切換管理，并實現燃料電池輸出向直流母線電壓轉化的功能，電氣規格如下：

1)市電輸入:43.2～57.6 V DC；

2)鉛酸電池輸入:43.2～57.6 V DC；

3)燃料電池輸入：35～80 V DC；

4)控制電源輸入：12 V DC；

5)額定輸出48 V DC/5 000 W，輸出電壓誤差小于0.15 V，功率誤差小于0.05 kW，電壓可在43.2～57.6 V范圍內調節；

6)具備遠程監控及無人值守功能，接收外部CAN通訊指令控制選擇3種輸入電源中任意一種作為輸入，完成備用電源的待機、發電、在線維護發電、停機等工作狀態；

7)具備多機并聯功能。

1.3 系統方案及組成

能量管理單元由功率主電路、控制電路和霍爾傳感器等組成，接收遠程控制終端的CAN通訊指令并執行既定的控制邏輯，實現市電、鉛酸電池、燃料電池之間的能量變換管理及輸出，提高備用電源的可靠性；并且實時上報告警信息，具備遠程監控和無人值守功能[8]。為實現基站備用電源的清潔化供電，當燃料電池具備發電條件時，是系統首選的供電方式。系統原理如圖1所示，能量管理單元通過霍爾傳感器測量市電、鉛酸電池、燃料電池等3種輸入的電壓電流參數，綜合評估其具備供電能力的情況，經繼電器調整保護，最后通過功率主電路和控制電路完成閉環控制，輸出負載所需功率。

圖1 系統原理圖

2 硬件設計

燃料電池輸出電壓較低且范圍較寬，初始階段能量不穩定，這些特性給能量管理單元的硬件設計帶來了難度。燃料電池的輸出電流一般由負載功率所決定，在負載突變的時候，燃料電池的輸出功率往往跟不上電流的變化，要經過較長一段時間(秒級)才能建立起來[9-10]。因此，硬件不但要設計合理的功率電路和控制電路，在元器件選型方面也要十分考究。

2.1 功率主電路設計

燃料電池輸入的發電啟動階段，由于電堆還不能穩定持續的輸出電能，能量管理單元的控制用電完全依賴于市電或鉛酸電池供給，因此，功率主電路的設計要同時滿足以上3種輸入。

基于燃料電池輸入的電壓低、范圍寬及動態相應慢等缺點，系統設計BOOST升壓電路來提高平臺工作電壓，并且在燃料電池輸入電壓波動大的情況下，仍能保持輸出電壓恒定。同時，該電路還可限制燃料電池輸出電流，確保燃料電池利用率在限定范圍內[11]。此外，BOOST升壓電路的設計也有利于能量管理單元元器件的選型，否則將導致其輸入級的所有功率器件參數按照35 V/5 000 W進行選擇，無疑增大了設計難度。BOOST開關調整電路非常適合在燃料電池系統中作為初級輔助電源的變換器[12]。

如圖2所示，功率主電路由燃料電池輸入，經前級BOOST電路升壓到96 V，再經中間級逆變進行隔離，最后通過后級BUCK降壓電路輸出。前級BOOST電路實現母線電壓穩壓和抬升，解決寬輸入電壓范圍導致的功率器件設計與選型問題；中間級采用LLC全橋實現降壓和隔離輸出，采用LLC諧振軟開關技術，降低開關損耗，提高效率；后級采用BUCK電路降壓輸出，控制MOSFET管的占空比實現精準的輸出電壓控制。

圖2 功率主電路原理

2.2 控制電路

控制電路采用由電壓-電流-功率外環和電流內環組成的內-外雙閉環控制方法，外環控制穩壓輸出，內環控制并機均流。采用該方法可以提高系統的線性調整率，并加快系統的輸入輸出動態響應速度；同時便于模組并聯擴容從而提高備用電源系統功率，并機時，主機外環接管從機內環，主從控制方式實現并機均流。功率模組控制原理如圖3所示，并機連接原理如圖4所示。

圖3 功率模組控制原理

圖4 并機連接原理

2.3 控制器設計

能量管理單元的控制器實現采用硬件控制器設計和軟件編程相結合的方式。控制核心采用英飛凌的16位微處理器XC164CS，主要完成控制算法的計算以及PWM (pulse width modulation)波形的產生、信號檢測、故障保護及數據傳輸等功能。

XC164CS 處理器內部資源豐富，集成度較高，使得外部電路的擴展設計變的簡單。XC164CS主頻可達40 MHz，擁有16 MB 線性地址空間，內部集成128 kBROM/FLASH，程序可通過串口和JTAG 接口直接下載到片內FLASH 中，有14 路最高轉換時間達2.15 μs 的10 位精度片上A/D 轉換通道，片上還集成了2 路用于產生PWM信號的CAP/COM 接口及用于CAN總線通訊的Twin CAN 功能模塊[13-14]。

控制器的功能框如圖5所示。

圖 5 控制器功能框圖

2.3.1 復位電路及硬件看門狗

采用硬件看門狗芯片MAX706，為處理器提供上電復位信號，并對控制器電源進行檢測，當檢測到電源電壓降低到工作電壓下限時，PFO會發出一個中斷信號，處理器檢測到中斷時將重要的運行信息保存到存儲器中。軟件中，為防止程序“跑飛”，處理器XC164CS以1 s的周期向MAX706的WDI引腳發送方波，當處理器超過1.6 s沒有向WDI引腳發送方波則MAX706的WDO引腳發送一個復位信號，使處理器復位，重啟能量管理單元。看門狗電路使整個系統的工作不間斷，對于提高系統的可靠工作具有重要意義[15]。

2.3.2 存儲器電路

采用RamTron公司的鐵電存儲器芯片FM25640-G，存儲容量64 Kb，通過SPI接口與處理器通信，用于存儲能量管理單元的重要配置信息。

2.3.3 ADC采樣電路

為增強控制器的抗干擾性，對4～20 mA電流模擬量輸入進行了信號隔離，隔離電路模塊采用TPS08U電量采集模塊，其自帶電流檢測電阻、內部隔離電源，精度為0.1%，通過SPI與微處理器通信。

2.3.4 PWM驅動電路

PWM信號由微處理器XC164CS產生，經光耦隔離后控制三極管MMBT5551工作在開關狀態，三極管集電極經上拉電阻接到輸入電源正極，發射極接到輸入電源負極，保證PWM參考地為輸入電源地。

2.3.5 CAN總線通訊電路

微處理器XC164CS 內部集成雙通道CAN總線控制器，為了提高通訊的可靠性，將兩路CAN 總線進行冗余設計，當主鏈路CAN總線通訊出現故障時，自動切換到另外一路。總線驅動器選用飛利浦公司的PCA82C250T，速度高達1 Mbit/s。每路CAN通訊的前后級均采用總線隔離器ISO7221 進行隔離并單獨供電，以避免線路信號串擾，提高總線抗干擾能力[16]。

2.4 關鍵器件及參數的設計

前級BOOST電路實現母線電壓穩壓和抬升，可有效解決寬輸入電壓范圍導致的功率器件設計及選型問題，BOOST電感是本系統的關鍵器件。

2.4.1 BOOST電感值確定

電感由繞組和磁芯構成，如果電感值過大，則會使輸出功率降低，而且易造成磁飽和；電感值過小則會使輸出電流紋波變大，射頻干擾強烈，控制回路不穩定。電感的設計對電路的效率及穩定性有著非常重要的意義[17]。電感的取值一般由輸入電流最大值、占空比、工作頻率和輸入電流紋波峰峰值等因素共同決定。

1)輸入電流最大值確定。最大輸入電流出現在輸入電壓最低、輸出功率最大時，電感在最大電流時應避免飽和。所以，最大輸入電流Ipk為：

(1)

其中:效率取η=0.85。

設計中采用兩個電感并聯的方式，每個電感通過的電流為84 A，則：紋波電流峰峰值△I為：

ΔI=0.5Il_PK=42(A)

(2)

2)最大占空比確定。輸入電流值最大時，輸入電壓最小，對應的占空比Dpfc-Ipk為：

(3)

3)理論電感量確定。輸入電壓最小值VINPK為35 V，工作頻率為56 kHz,因此，電感值Lpfc為：

(4)

實際電感器按照10 μH進行設計。

2.4.2 BOOST電感器設計

升壓電感是直流電感，電流脈動較小，為了使升壓電感能以最小的體積儲存最多的能量，一般選擇具有分布氣隙的磁粉芯或導磁率低的磁芯[17]。

1)磁芯參數:選用的磁芯材料為ETD59，其磁芯結構如圖6所示。

圖6 ETD59磁芯結構

窗口面積AW：

AW=(E-D)·F=

(44.7-21.65)×22.5=518.625(mm2)

(5)

磁芯有效面積Ae為368.4 mm2，飽和磁密Bw為0.4 T。

2)計算導線裸面積:

(6)

取電流密度J= 5 A/mm2。

3)計算匝數:

(7)

實際選用N=8匝。

4)計算氣隙:

(8)

5)核算最高工作磁密：

流過電感的最大電流：

(9)

電感中電流單方向流動，流過繞組的電流具有較大的直流分量，并疊加一個較小的交流分量。

(10)

經核算，實際工作磁密為0.356 T，接近于飽和工作磁密0.4 T，滿足使用要求。

2.5 開關器件的選擇及考慮

本設計中電子開關器件要求的電壓和電流應力分別為96 V和52 A，綜合系統設計裕度情況，最終選擇的MOSFET 型號為IRFP4568(150 V/171 A)，選用MOSFET管作為開關器件主要基于以下考慮。

2.5.1 減小體積

基于能量管理單元的實際使用環境，體積小和質量輕是系統設計的一個重要考量。為有效減小變壓器、輸出濾波電感等磁性器件以及大容量電解電容的體積和重量，能量管理單元的開關頻率設計為123 kHz。由于目前常用的IGBT器件關斷速度較慢，不足以支撐100 kHz的開關頻率，因此選用功率MOSFET管作為主開關器件，開關速度快，驅動電路簡單。

2.5.2 減小開關損耗

MOSFET管的導通和關斷是需要時間的，即存在開關損耗，頻率越高，MOSFET 管的開關損耗越大。為了保證轉換效率，應盡可能減小其開關損耗，因此選擇導通電阻小的MOSFET 管作為電子開關器件[18]。

3 控制策略與控制軟件

3.1 控制策略

備用電源供電的快速性及穩態性能的優劣取決于所采用的控制策略，控制策略是能量管理單元的重點。能量管理單元接收遠程控制終端下發的控制命令，采集系統的所有參數并上傳，實現整個備用電源系統的控制管理。系統根據燃料電池的發電功率、鉛酸電池剩余容量、市電輸入情況及負載功率要求等因素,協調各功能電路協同工作，使其工作在待機、發電、在線維護發電及停機等模式，使能量合理調配與流動，保證后端負載設備的不間斷供電[8]。系統原理圖及符號代號如圖1所示。

3.1.1 待機模式

當能量管理單元檢測到市電輸入電流A5不等于0，且未接收到CAN總線的遠程電池維護通知命令，為待機狀態；同樣，當A5不等于0，即使收到遠程電池維護通知命令，由于此時基站鉛酸電池處于維護狀態，母線電壓會發生較大的波動，燃料電池系統仍保持待機狀態。控制器控制G1、G2為關閉而G3為打開，此模式下，鉛酸電池輸入為負載供電。

3.1.2 發電模式

當檢測到市電輸入電流A5等于0，且未接收到遠程電池維護通知命令，進入燃料電池發電狀態。控制器控制G1、G2打開，能量管理單元的燃料電池DC/DC變換部分工作，對功率主電路的輸出電壓V2和輸出電流A2進行監測、跟隨和調節。

根據燃料電池電堆從啟動到額定功率輸出需要一定的時間的特性，遠程端按照其性能曲線計算合理的理論功率拉升臺階ΔP，并通過CAN總線發送到能量管理單元。能量管理單元開始對電壓V2進行跟隨控制，并逐漸增大A2，當實際功率變化值Δ(V2*A2)與設定值ΔP相等時，則繼續提升ΔP，直至輸出功率達到負載所需功率。該狀態下，燃料電池工作于發電模式，負載功率完全由燃料電池提供。

3.1.3 在線維護發電模式

遠程控制方式與3.1.2發電模式類似，但通過調節遠程端的輸出功率預設值，改變現場輸入穩定在該目標值。在一個電堆維護周期內，預設目標值在一段時間內由遠程控制終端發出并更新。一般地，電堆輸出功率增大時，其電壓降低、電流增大；電堆輸出功率減小時，電壓升高，電流減小。

3.1.4 停機模式

市電恢復時，鉛酸電池電壓V3會因充電而升高，同時能量管理單元會檢測到A5有充電電流。此模式下，市電為鉛酸電池充電，需要停止燃料電池電源輸出，以減少燃料消耗。

3.2 控制軟件

3.2.1 軟件設計思路

能量管理單元周期性的采集系統中各位置霍爾傳感器的電壓、電流數據，并通過CAN總線通訊方式與遠程控制終端進行數據交換，接收遠程控制終端的控制指令，完成相應的模式控制。對于備用電源的能量管理與分配來講，軟件設計非常重要。本系統的軟件設計主要包括：

1)系統初始化：主要完成CAN總線、鐵電存儲器、PWM及定時器等微控制器內核及外設功能的初始設置，確保能量管理單元在啟動時工作于默認狀態，保障系統工作的安全性。

2)數據采集與處理：實時采集到系統中的傳感器數據并進行解析、數字濾波和轉換。由于在A/D轉換讀取數值時會存在干擾，影響測量結果，因此首先需要濾波。本軟件采用防脈沖干擾值濾波法，不僅能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，還可以防止突發性脈沖干擾和周期性干擾，對數據有良好的濾波效果。防脈沖干擾平均值濾波法的思想就是對某個信號連續采樣N次，然后去掉其中的最大值和最小值，再進行算術平均，結果作為濾波值[19]。

3)數據通訊與指令接收：能量管理單元通過CAN總線與遠程控制終端進行數據通訊，上傳采集參數并接收遠程控制終端的控制指令。

4)控制策略實現：接收遠程控制終端的控制指令，完成3.1節所述的待機、發電、在線維護發電及停機等功能。

5)數據存儲：能量管理單元將系統配置信息及工作過程中的重要數據保存到鐵電存儲器中。配置信息對能量管理單元的正常工作至關重要，因此，單個配置信息存儲于存儲器的3個不同位置，處理器每次讀取時，都通過“三取二判決”仲裁法則進行使用，確保配置信息使用的正確性[20]。

系統的主程序流程如圖7所示。

圖7 主函數流程圖

4 試驗結果與分析

在理論分析的基礎上， 根據系統結構原理圖研制了一臺能量管理單元試驗樣機。輸入電壓35～80 V，輸出48 V，額定功率5 kW。試驗過程中，使用電子負載代替實際負載設備，重點考核電源輸出電壓及功率的精度指標、滿載工況下LLC原邊電壓電流穩定性及老化試驗時能量管理單元關鍵部位的溫升情況。

4.1 精度測試數據

對試驗樣機進行輸出電壓和輸出功率的精度測試。額定輸入條件下，輸出電壓分別設定為43.20 V、48.00 V、52.80 V和57.60 V，輸出功率分別設定為2.0 kW、3.0 kW、4.0 kW、5.0 kW等幾種工況，測試結果見表1和表2。由數據分析可以看出:輸出電壓誤差≤0.05 V,輸出功率誤差≤0.01 kW,滿足±0.15 V和±0.05 kW的精度要求。

表1 電壓測試

表2 功率測試

4.2 滿載工況LLC工作穩定性測試

為降低開關損耗，提高電源效率，能量管理單元采用了LLC諧振軟開關技術，LLC原邊電壓、電流的波動情況是衡量本系統工作性能穩定性的重要指標。在5 kW滿載工況下對試驗樣機的LLC原邊電壓、電流的穩定性進行測試。圖8、圖9分別為滿載工作時的BOOST驅動波形和LLC原邊電壓、電流波形。可以看出，加載工作時尖峰電壓較小，性能穩定。

圖8 輸入BOOST驅動信號

圖9 滿載時LLC原邊電壓電流波形

4.3 老化試驗數據

對電子設備進行老化試驗的目的是為了檢驗其穩定性及改善其故障率、可靠性、穩定性[21]。在環境溫度40 ℃時，對能量管理單元試驗樣機進行帶載老化試驗測試。測試時，設置燃料電池輸入電壓為50 V，輸出48 V/100 A，分別在2 h、4 h、6 h和8 h時對輸出電壓、輸出電流及工作情況進行記錄，測試結果見表3。可以看出，帶載老化試驗過程中，能量管理單元工作正常，沒有出現故障且性能穩定。

表3 老化試驗數據

5 結束語

針對基站備用電源系統在使用過程中存在的短板及燃料電池良好的應用前景，提出了一種燃料電池能量管理單元的設計方法，完成了基站備用電源在市電、鉛酸電池和燃料電池之間的能量變換管理，實現了負載的無污染可靠不間斷供電。從硬件設計角度對能量管理單元的各主要功能電路及關鍵器件的設計進行了分析，并對能量管理策略及軟件實現過程進行詳細說明。研制的試驗樣機性能穩定，各項指標滿足通信電源標準要求。燃料電池作為一種綠色、高效、節能的發電設備[6]，隨著技術的發展，該管理單元在基站備用電源領域有著很好的應用前景。