余俊宏 王志新 徐穎晟 鄒建龍

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院1，上海 200240;嘉興清源電氣科技有限公司2，浙江 嘉興 314031)

0 引言

電力檢修等作業(yè)常在戶外進行，為解決工地照明和儀器用電問題，需要便攜性的移動應(yīng)急電源為工作現(xiàn)場供電。目前工地作業(yè)普遍采用的移動電源是柴油發(fā)電機，其體積、質(zhì)量偏大，不便攜帶，且存在噪聲污染、電能質(zhì)量差等缺點［1］。戶外工作現(xiàn)場對照明燈具的使用較為頻繁，而照明燈具與移動電源缺乏整合，導(dǎo)致使用效率低下，便攜性能差。

針對上述問題，本文設(shè)計并制造了一種以鋰離子電池為儲能元件的移動電源。該電源具備市電充電和太陽能充電兩種充電方式，并且整合了高光效的LED燈具，能為戶外作業(yè)現(xiàn)場提供交直流供電接口。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以鋰離子電池組為能量核心，分為充電部分、供電部分和電量顯示三個部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system

充電部分分為太陽能充電模塊與市電充電模塊，兩者輸出端并聯(lián)，共同為鋰離子電池組供電。太陽能充電模塊由一塊折疊式非晶薄膜太陽能電池組件和一個防反充二極管組成［2］。市電充電器以Buck電路拓撲為輸出級硬件電路，采用恒流恒壓(constant current constant voltage，CCCV)兩段式充電策略［3］。

供電部分分為直流變換模塊和交流逆變模塊。其中直流變換模塊采用小型開關(guān)電源模塊，可產(chǎn)生12 V和5 V兩種電壓等級，分別作為系統(tǒng)散熱風(fēng)扇供電和以USB插座形式的直流輸出。交流逆變模塊將鋰離子電池組直流電壓逆變?yōu)?20 V交流電壓，以兼容國標與歐標的品字型插座輸出。此外，電池組的直流電直接通過點煙器接口引出，作為整合配套的高光效LED燈具用電。

電量顯示用于估計鋰離子電池電量，并通過發(fā)光二級管的顯示告知用戶。

1.2 系統(tǒng)參數(shù)

用戶需求:燈具光通量≥4 200 Lm;負載功率為50 W，供電持續(xù)時間≥10 h;市電充電時間≤6 h;太陽能全功率充電時間≤10 h。

根據(jù)上述需求，系統(tǒng)主要器件參數(shù)計算如下。

①LED燈具的光效按90 Lm/W計算，滿足要求的總功率約為47 W。系統(tǒng)選用兩只常見的24 V/24 W的LED燈，滿足光通量要求。

②鋰離子電池組電壓等級設(shè)定為24 V，采用7節(jié)聚合物鋰離子電池單體串聯(lián)而成。電池容量計算公式［4］為:

式中:Po為輸出功率;t為輸出時間;η為輸出效率;D為電池放電深度;U為電池電壓;k為裕量系數(shù)。

將 Po=50 W、t=10 h、η =80%、D=0.8、U=24 V、k=1.2代入式(1)，得 C≈40 Ah，則鋰離子電池參數(shù)為24 V/40 Ah。系統(tǒng)采用20 Ah單體7串2并構(gòu)成鋰電池組，內(nèi)含保護板和均壓板。

③考慮到鋰離子電池的放電深度為0.8，待充電量為32 Ah。因此，為滿足充電時間要求，市電充電器設(shè)計恒流充電電流為6 A，太陽能電池組件選擇為36 V/3.34 A。

該移動應(yīng)急照明電源系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the system

2 充電部分

2.1 太陽能充電

考慮到便攜性，系統(tǒng)選用了重量輕、易收藏的折疊式柔性薄膜太陽能電池組件。太陽能電池通過防反充二極管與電池組相連，其電氣接口為3.5 cm/2.1 cm的DC電源接口。二極管選用低導(dǎo)通壓降的肖特基二極管SB540，以減少太陽能充電過程中的損耗。

2.2 市電充電

市電充電器從電網(wǎng)獲取220 V交流電，經(jīng)過內(nèi)部AC/DC降壓變換，再輸入Buck電路，采用充電“前期恒流控制，后期恒壓控制”的策略，對鋰離子電池組進行充電。充電控制原理如圖2所示。

圖2 充電控制原理圖Fig.2 Charging control principle

控制器采樣電池組端電壓。當該電壓小于28.7 V時(對應(yīng)電池單體電壓4.1 V)，采取恒流控制。輸出電流設(shè)定為6 A，將其與電感實際電流作差，結(jié)果經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出后作為開關(guān)管占空比設(shè)定值。當電池組端電壓大于28.7 V時，采取恒壓控制。輸出電壓設(shè)定為29.4 V，將其與輸出電容實際電壓作差，結(jié)果經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出后作為開關(guān)管占空比設(shè)定值。當充電電流小于100 mA時，停止充電。

3 供電部分

3.1 直流變換器

直流變換器選用小功率模塊電源，分別為DFA24S05和DFA24S12，功率都為5 W。其電氣連接圖如圖3所示。

圖3 直流變換器電氣連接圖Fig.3 Electrical connections of the DC converter

DFA24S05的輸入接電池組，輸出接USB電源線，對外提供5 V直流電。

DFA24S12的輸入通過溫控開關(guān)接電池組，輸出接散熱風(fēng)扇。其中，溫控開關(guān)型號為KSD9700，設(shè)定溫度為40℃;散熱風(fēng)扇為兩個12 cm/12 V/1 W的靜音風(fēng)扇。系統(tǒng)封裝在拉桿箱內(nèi)，當箱體內(nèi)溫度達到40℃時，散熱風(fēng)扇啟動，用于為箱體內(nèi)部空間通風(fēng)。

3.2 逆變器

逆變器系統(tǒng)采用常見的內(nèi)高頻環(huán)結(jié)構(gòu)［5］，逆變器原理框圖如圖4所示。

圖4中:Ed為鋰電池組電壓;Ud為升壓待逆變?yōu)榻涣?20 V的直流電壓。

圖4 逆變器原理框圖Fig.4 Principle of the inverter

前級升壓電路采用以KA7500為控制芯片的推挽結(jié)構(gòu)［6］，其原理圖如圖5所示。

圖5 推挽原理圖Fig.5 The push-pull principle

圖5中，KA7500第9、10腳通過由三極管S8050和S8550組成的“圖騰柱”結(jié)構(gòu)，交替驅(qū)動與高頻變壓器初級繞組相連的MOSFET IRF3250，從而在次級繞組產(chǎn)生高壓交變方波。該方波經(jīng)二極管全波整流為直流410 V高壓。

后級逆變采用H橋式電路，調(diào)制電路為EG8010驅(qū)動板。EG8010是一款數(shù)字化的、功能完善的、自帶死區(qū)控制的純正弦波逆變發(fā)生器芯片。此外，H橋開關(guān)管型號為 IRF840，柵極驅(qū)動電路采用驅(qū)動芯片IR2110s及其外圍電路構(gòu)成。

4 電量顯示

系統(tǒng)對鋰離子電池電量沒有精確估計的要求，因此采取比較粗略的估計方法。根據(jù)文獻［7］可知，鋰離子電池的電量與電壓在相當寬泛的區(qū)間內(nèi)呈線性關(guān)系［7］。

利用上述原理設(shè)計電量顯示計，通過檢測電離子電池組電壓，粗略估計出其電量，并用發(fā)光二級管顯示。具體而言:當鋰離子電池單體電壓超過4.1 V時，認為電量完全充足;當鋰離子電池單體電壓小于3.5 V時，認為電量完全不足;當鋰離子電池單體電壓位于3.5 ～4.1 V 之間，以0.2 V 為間隔時，表示電量處于中間狀態(tài)。

5 試驗結(jié)果

按照上述設(shè)計，搭建試驗樣機，對其中關(guān)鍵參數(shù)進行測試，結(jié)果如下。

①市電充電器的充電測試結(jié)果如圖6所示。鋰離子電池組初始電壓為24.6 V，初始充電電流為6 A。開始處于恒流充電模式，充電電流保持不變。恒流充電模式持續(xù)300 min，充入電量30 Ah，鋰離子電池組電壓提升至28.5 V，對應(yīng)電池單體約為4.1 V。接著，電流逐漸下降，當充電到400 min時，電流小于100 mA，鋰離子電池組電壓趨于29.4 V，充電結(jié)束。

圖6 充電測試U-I曲線Fig.6 U-I curve of the charging test

②逆變器的測試波形如圖7所示。

圖7 逆變器測試結(jié)果界面Fig.7 Test results interface of the inverter

6 結(jié)束語

本文針對電力檢修等戶外作業(yè)現(xiàn)場需求，設(shè)計了移動應(yīng)急照明電源系統(tǒng)。詳細分析設(shè)計了該電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并分析研究了系統(tǒng)器件選型、參數(shù)設(shè)計計算以及重要功能模塊等。通過對電源系統(tǒng)樣機主要參數(shù)的測試驗證，證明所設(shè)計的移動應(yīng)急照明電源系統(tǒng)可靠、實用性強，完全能夠滿足設(shè)計的要求。

［1］吳杰，王志新，顧臨峰.多功能移動應(yīng)急電源的控制與仿真研究［J］.低壓電器，2011(3):14 －46.

［2］劉利成.光伏太陽能在變電站直流系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2008，24(4):23 －25.

［3］應(yīng)建華，陳建興，唐仙，等.鋰電池充電器中恒流恒壓控制電路的設(shè)計［J］.微電子學(xué)，2008，38(3):445 －448.

［4］王濤，王愛國，劉美.自然能供電的照明系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計［J］.控制工程，2008，15(2):161 －163.

［5］劉鳳君.現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［6］劉芝福，李學(xué)勇，高思遠.一種推挽逆變器用高頻變壓器的研制方法［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，282(19):63 －66.

［7］王驥，黃慧，甘樂，等.手機鋰電池充放電過程的研究［J］.大學(xué)物理實驗，2009，22(4):30 －36.