适用于电力检修的移动照明电源系统

余俊宏 王志新 徐颖晟 邹建龙

(上海交通大学电子信息与电气工程学院1，上海 200240;嘉兴清源电气科技有限公司2，浙江 嘉兴 314031)

0 引言

电力检修等作业常在户外进行，为解决工地照明和仪器用电问题，需要便携性的移动应急电源为工作现场供电。目前工地作业普遍采用的移动电源是柴油发电机，其体积、质量偏大，不便携带，且存在噪声污染、电能质量差等缺点［1］。户外工作现场对照明灯具的使用较为频繁，而照明灯具与移动电源缺乏整合，导致使用效率低下，便携性能差。

针对上述问题，本文设计并制造了一种以锂离子电池为储能元件的移动电源。该电源具备市电充电和太阳能充电两种充电方式，并且整合了高光效的LED灯具，能为户外作业现场提供交直流供电接口。

1 系统概述

1.1 系统结构

系统以锂离子电池组为能量核心，分为充电部分、供电部分和电量显示三个部分。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 Structure of the system

充电部分分为太阳能充电模块与市电充电模块，两者输出端并联，共同为锂离子电池组供电。太阳能充电模块由一块折叠式非晶薄膜太阳能电池组件和一个防反充二极管组成［2］。市电充电器以Buck电路拓扑为输出级硬件电路，采用恒流恒压(constant current constant voltage，CCCV)两段式充电策略［3］。

供电部分分为直流变换模块和交流逆变模块。其中直流变换模块采用小型开关电源模块，可产生12 V和5 V两种电压等级，分别作为系统散热风扇供电和以USB插座形式的直流输出。交流逆变模块将锂离子电池组直流电压逆变为220 V交流电压，以兼容国标与欧标的品字型插座输出。此外，电池组的直流电直接通过点烟器接口引出，作为整合配套的高光效LED灯具用电。

电量显示用于估计锂离子电池电量，并通过发光二级管的显示告知用户。

1.2 系统参数

用户需求:灯具光通量≥4 200 Lm;负载功率为50 W，供电持续时间≥10 h;市电充电时间≤6 h;太阳能全功率充电时间≤10 h。

根据上述需求，系统主要器件参数计算如下。

①LED灯具的光效按90 Lm/W计算，满足要求的总功率约为47 W。系统选用两只常见的24 V/24 W的LED灯，满足光通量要求。

②锂离子电池组电压等级设定为24 V，采用7节聚合物锂离子电池单体串联而成。电池容量计算公式［4］为:

式中:Po为输出功率;t为输出时间;η为输出效率;D为电池放电深度;U为电池电压;k为裕量系数。

将 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，则锂离子电池参数为24 V/40 Ah。系统采用20 Ah单体7串2并构成锂电池组，内含保护板和均压板。

③考虑到锂离子电池的放电深度为0.8，待充电量为32 Ah。因此，为满足充电时间要求，市电充电器设计恒流充电电流为6 A，太阳能电池组件选择为36 V/3.34 A。

该移动应急照明电源系统的主要技术参数如表1所示。

表1 系统主要参数Tab.1 Main parameters of the system

2 充电部分

2.1 太阳能充电

考虑到便携性，系统选用了重量轻、易收藏的折叠式柔性薄膜太阳能电池组件。太阳能电池通过防反充二极管与电池组相连，其电气接口为3.5 cm/2.1 cm的DC电源接口。二极管选用低导通压降的肖特基二极管SB540，以减少太阳能充电过程中的损耗。

2.2 市电充电

市电充电器从电网获取220 V交流电，经过内部AC/DC降压变换，再输入Buck电路，采用充电“前期恒流控制，后期恒压控制”的策略，对锂离子电池组进行充电。充电控制原理如图2所示。

图2 充电控制原理图Fig.2 Charging control principle

控制器采样电池组端电压。当该电压小于28.7 V时(对应电池单体电压4.1 V)，采取恒流控制。输出电流设定为6 A，将其与电感实际电流作差，结果经PI调节器输出后作为开关管占空比设定值。当电池组端电压大于28.7 V时，采取恒压控制。输出电压设定为29.4 V，将其与输出电容实际电压作差，结果经PI调节器输出后作为开关管占空比设定值。当充电电流小于100 mA时，停止充电。

3 供电部分

3.1 直流变换器

直流变换器选用小功率模块电源，分别为DFA24S05和DFA24S12，功率都为5 W。其电气连接图如图3所示。

图3 直流变换器电气连接图Fig.3 Electrical connections of the DC converter

DFA24S05的输入接电池组，输出接USB电源线，对外提供5 V直流电。

DFA24S12的输入通过温控开关接电池组，输出接散热风扇。其中，温控开关型号为KSD9700，设定温度为40℃;散热风扇为两个12 cm/12 V/1 W的静音风扇。系统封装在拉杆箱内，当箱体内温度达到40℃时，散热风扇启动，用于为箱体内部空间通风。

3.2 逆变器

逆变器系统采用常见的内高频环结构［5］，逆变器原理框图如图4所示。

图4中:Ed为锂电池组电压;Ud为升压待逆变为交流220 V的直流电压。

图4 逆变器原理框图Fig.4 Principle of the inverter

前级升压电路采用以KA7500为控制芯片的推挽结构［6］，其原理图如图5所示。

图5 推挽原理图Fig.5 The push-pull principle

图5中，KA7500第9、10脚通过由三极管S8050和S8550组成的“图腾柱”结构，交替驱动与高频变压器初级绕组相连的MOSFET IRF3250，从而在次级绕组产生高压交变方波。该方波经二极管全波整流为直流410 V高压。

后级逆变采用H桥式电路，调制电路为EG8010驱动板。EG8010是一款数字化的、功能完善的、自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片。此外，H桥开关管型号为 IRF840，栅极驱动电路采用驱动芯片IR2110s及其外围电路构成。

4 电量显示

系统对锂离子电池电量没有精确估计的要求，因此采取比较粗略的估计方法。根据文献［7］可知，锂离子电池的电量与电压在相当宽泛的区间内呈线性关系［7］。

利用上述原理设计电量显示计，通过检测电离子电池组电压，粗略估计出其电量，并用发光二级管显示。具体而言:当锂离子电池单体电压超过4.1 V时，认为电量完全充足;当锂离子电池单体电压小于3.5 V时，认为电量完全不足;当锂离子电池单体电压位于3.5 ～4.1 V 之间，以0.2 V 为间隔时，表示电量处于中间状态。

5 试验结果

按照上述设计，搭建试验样机，对其中关键参数进行测试，结果如下。

①市电充电器的充电测试结果如图6所示。锂离子电池组初始电压为24.6 V，初始充电电流为6 A。开始处于恒流充电模式，充电电流保持不变。恒流充电模式持续300 min，充入电量30 Ah，锂离子电池组电压提升至28.5 V，对应电池单体约为4.1 V。接着，电流逐渐下降，当充电到400 min时，电流小于100 mA，锂离子电池组电压趋于29.4 V，充电结束。

图6 充电测试U-I曲线Fig.6 U-I curve of the charging test

②逆变器的测试波形如图7所示。

图7 逆变器测试结果界面Fig.7 Test results interface of the inverter

6 结束语

本文针对电力检修等户外作业现场需求，设计了移动应急照明电源系统。详细分析设计了该电源系统的结构，并分析研究了系统器件选型、参数设计计算以及重要功能模块等。通过对电源系统样机主要参数的测试验证，证明所设计的移动应急照明电源系统可靠、实用性强，完全能够满足设计的要求。

［1］吴杰，王志新，顾临峰.多功能移动应急电源的控制与仿真研究［J］.低压电器，2011(3):14 －46.

［2］刘利成.光伏太阳能在变电站直流系统的应用［J］.电网与清洁能源，2008，24(4):23 －25.

［3］应建华，陈建兴，唐仙，等.锂电池充电器中恒流恒压控制电路的设计［J］.微电子学，2008，38(3):445 －448.

［4］王涛，王爱国，刘美.自然能供电的照明系统优化设计［J］.控制工程，2008，15(2):161 －163.

［5］刘凤君.现代逆变技术及其应用［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［6］刘芝福，李学勇，高思远.一种推挽逆变器用高频变压器的研制方法［J］.现代电子技术，2008，282(19):63 －66.

［7］王骥，黄慧，甘乐，等.手机锂电池充放电过程的研究［J］.大学物理实验，2009，22(4):30 －36.