港珠澳大桥基于锂电池的应急电源系统的研究与应用

刘亮

摘 要 为保障港珠澳大桥在市电异常时可以正常运营，需采用应急电源系统作为后备电源，传统电源设备采用铅酸蓄电池，通过对比分析传统电池与新能源锂电池的优劣势，本课题选用锂电池作为应急电源。通过对锂电池与应急电源UPS/EPS之间接口、参数匹配的研究及对BMS（电池管理系统）的测试，实现了常规应急电源与锂电池的兼容，开拓了新能源锂电池技术在高速公路领域的应用前景。

关键词 桥梁工程;应急电源UPS/EPS;锂电池;BMS

引言

港珠澳大桥是连接香港、珠海、澳门三地的世界级超级跨海通道。为保障大桥在市电故障或异常时设备可以正常运营，需采用UPS和EPS作为应急后备电源。本课题通过对锂电池与应急电源UPS/EPS之间接口、参数匹配的研究及对BMS（电池管理系统）的测试，实现了常规应急电源与锂电池的兼容，开拓了新能源锂电池技术在高速公路领域的应用前景。

1基于锂电池的应急电源系统

1.1 新能源锂电池的优势

为对比铅酸电池与锂电池的差异性，实验室进行实验，主要对EPS/UPS技术指标：电压（V）、比能量（Wh/kg）、比功率（W/kg）、体积比能量（Wh/L）、循环次数（次）、每月自放电率、工作温度（℃）进行验证，各项技术指标满足设计要求。实验从电池续航能力、使用寿命和环保等几个方面进行对比研究，结果发现锂电池的性能要远远优于铅酸蓄电池。

1.2 应急电源系统的简介

（1）应急电源的组成部分

应急电源系统的核心单元为整流器和逆变器。

整流器将输入的交流电通过整流器变换为稳定的直流电然后送逆变器，同时给电池充电。整流器及给电池充电的电路结构图如图1所示。其控制过程为：主电输入经整流开关控制，首先经谐波滤波器，再经整流器将交流电整流成直流，再滤波变换成稳定的直流总线。整流控制电路通过对输入电压、频率和对直流总线的测量对整流器进行控制，输出稳定的直流电供给逆变器和电池组;当输入错相、缺相或超限时进行保护。

当应急电源连接上电池组时对电池组的电压和电池进行测量，整流器进入电流和电压双环控制，当电池电压低时为恒流充电模式，当电池电压达到浮充电压时，自动转为恒压充电模式[1]。

另一核心单元——逆变器由采样电路、单片机控制电路、IGBT驱动电路、IGBT模块、逆变隔离变压器、滤波电感及电容和保护电路等构成。其电路图如图2所示。

逆变器的控制过程为：单片机控制电路对采祥信号进行计算后产生SPWM信号，IGBT模块利用驱动电路将总线的直流电变换成高频的SPWM波，再通过逆变隔离变压器、逆变滤波器滤波后输出纯净的正弦交流电。同时通过反馈采集的电压、电流、温度等信号对输出电压、波形进行调节，进行实时保护。

（2）应急电源系统的工作原理

应急电源是一个多重保护的交流供电设备。

当主电正常时，首先将主电整流变换成纯净的直流电，滤除主电中的干扰，然后给蓄电池充电，同时输出主电;当主电异常时，则将蓄电池储存的直流逆变成交流输出，保证用户负载的高质量供电;手动维修旁路保证在不断电的情况下对应急电源进行维护或检修。

微處理器将输入、输出、电池、环境等数据经高速运算，然后控制整流器、逆变器、静态开关的运行和保护并响应外部的操作指令[2]。

2基于锂电池的应急电源系统在港珠澳大桥的应用

2.1 技术难点

基于锂电池的应急电源系统在高速公路供电系统的应用属于首例，所面临的技术难点体现在两方面：

（1）如何处理锂电池与应急电源UPS/EPS之间接口选择问题、电源容量与锂电池数量，模块串并联方式等参数匹配选择问题。

（2）如何将BMS接入监控中心，实现实时监测电源状态。锂离子电池比铅酸电池多了BMS，其作用是对电池管理和保护，具有优异的输入输出过欠压保护、输入浪涌保护、相序保护、电池过充过放保护、输出过载短路保护、温度过高保护等多种系统保护和报警功能[3]。

2.2 解决方案

针对难点一，协调锂电池厂家和应急电源厂家，针对应急电源接口、通信协议、电源容量与锂电池数量问题，展开专题会议讨论。

针对难点二，BMS选用专用充电机，实现智能充电，自动均衡每串电芯电压。监控每串电池电压、总电压、电流、容量、温度、绝缘阻值，在人机显示屏及远程上位机上显示当前状态，有异常时自动断开电池充、放电，同时声音报警及人机显示屏上图标显示，有效提高电池组使用安全系数。BMS利用串口协议，与系统集成厂商合作，将数据传输给上位机，在综合监控平台即可看到电池的运行状态，是处于充电状态，还是放电状态[4]。

3结束语

通过对锂电池与应急电源UPS/EPS之间接口、参数匹配的研究及对BMS的测试，实现了常规应急电源与锂电池的兼容。应急电源UPS/EPS系统作为高速公路正常运营的重要保障设施，在应急情况下具有非常重要的作用，通过本课题的实施，为后续类似项目的锂电池应用提供了经验。

参考文献

[1] 朱永灵，林鸣，孟凡超，等.港珠澳大桥[J].公路，2014，（1）：44-51.

[2] 方少乾.矿用大规模锂电池应急电源电池管理系统的设计[J].煤矿机械，2016，（4）：4-7.

[3] 沈涛，周巧莲.城市轨道交通车辆电池应急牵引功能的实现[J].城市轨道交通研究，2016，（7）：110-115.

[4] 王媛.锂电池智能充电分析与监控系统研究[D].上海：华东理工大学，2017.