智能换电柜供电连续性研究

蔡树国，王众彪，贾 骏

（中国信息通信研究院，北京 100095）

0 引 言

随着新能源技术的发展，以及共享电单车和共享汽车等新生事物引发的共享经济发展模式，电动车的数量猛增，促使专为电动车量身定制的共享电池换电柜应运而生。两轮电动车换电柜是一种智能化的设备，它可以为用户提供方便快捷的电动车换电服务。这种设备如今已经被广泛应用于两轮电动车租赁、共享电动车以及两轮电动车充换电等领域[1]。

在满足换电的基本功能需求下，目前换电柜兼具储能功能，在特定场景下能够作为备电电源，当电网断电或自主切换供电模式时，换电柜中的电池将反向输出电能给电网供电。

正常工作状态下，通过标准化电池进行储能。在市电停电时，通过柜内双向直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）充电电源实现电池反向供电给柜控电源，在停电状态下可继续换电操作，不间断提供换电功能；同时通过将电池反向输出供给外部使用，可搭配基站等场景，作为后备电源使用[2]。

作为备电电源，切换时间的要求会比较高[3]。本文基于换电柜的自身特点，开展供电连续性研究，提出指标要求，促进相关产品性能提升。

1 换电柜供电连续性验证方案

换电柜的供电架构如图1 所示，整流电源将220 V 交流电转换成53 V 直流电，充电模块根据电池参数将53 V 直流电转换成相应充电电压进行充电；同时柜控电源输出12 V 直流电供给柜控系统[4]。

图1 换电柜供电连续性验证方案

选取3 款配置不同品牌双向电源的换电柜，均放置容量为100%、80%、60%、40%以及20%的电池进行充电，备电功能打开，然后断开市电，示波器采集交流输入电压、母线电压以及12 V 柜控电源输出电压，判断DC/DC 电源的电源端电压跌落和柜控电源输出端是否有输出中断[5]。

2 换电柜双电源切换时间

依据方案设计搭建如图2 所示的测试系统。断开市电，采集母线的电压跌落幅度△U1、12 V 柜控电源的输出电压跌落幅度△U2、母线电压跌落幅度超过12 V 柜控电源工作电压的下限时间△t1以及12 V 柜控电源输出电压跌落幅度超过控制模块和操作屏工作电压的下限时间∆t2。

图2 测试系统

选取样品1，设置未开启备电功能，采集一组电压变化波形，如图3 所示；开启备电，采集一组电压变化波形如图4 所示。

图3 未开启备电的电压波形

图4 开启备电且未发生供电中断的电压波形

未开启备电时，当交流输入中断，母线电压逐渐降低至一定幅度后超过12 V 柜控电源工作电压下限，12 V 柜控电源输出瞬间跌落；开启备电后，当交流输入中断，母线电压逐渐降低至一定幅度后充电模块开启反向供电，母线电压未低于12 V 柜控电源工作电压下限，12 V 柜控电源输出稳定，后端控制系统工作正常。

选取样品2，开启备电功能，关断交流输入，发生供电中断的中断时间如图5 所示，中断电压和恢复电压如图6 所示。

图5 发生供电中断的中断时间

图6 发生供电中断的中断电压和恢复电压

当交流输入中断，母线电压逐渐降低至0 V，跌落至12 V 柜控电源工作电压下限32 V 时，12 V 柜控电源输出电压开始跌落，跌至10.8 V，后端控制系统停止工作；充电模块开启反向供电后，母线电压逐渐升高至12 V 柜控电源工作电压恢复下限35 V 时，12 V柜控电源恢复工作，后端控制系统重新启动工作。12 V 柜控电源输出的中断时间为4.28 s。

选取样品3，开启备电功能，关断交流输入，发生供电中断的中断时间如图7 所示，中断电压和恢复电压如图8 所示。

图7 发生供电中断的中断时间

图8 发生供电中断的中断电压和恢复电压

交流输入中断，母线电压逐渐降低至25 V，当跌落至12 V 柜控电源工作电压下限28.8 V 时，12 V柜控电源输出电压开始跌落，跌至10.8 V，后端控制系统停止工作；充电模块开启反向供电后，母线电压逐渐升高至12 V柜控电源工作电压恢复下限34.4 V时，12 V柜控电源恢复工作，后端控制系统重新启动工作。12 V 柜控电源输出的中断时间为1.74 s。

由以上测试发现，发生市电断电时，存在切换时间过长的情形，发生柜控系统重启、对外输出中断的现象，可通过优化电路设计降低切换时间、增加电压保持器件等方式维持电压幅值。

可通过分别在充电状态和充满状态时断开市电，用示波器测量充电模块电源端电压跌落和柜控电源输出端跌落时间的方法，测试供电连续性。换电柜需要在充电状态和充满状态切换时，保证柜控电源输出电压低于10.8 V 的时间不超过10 ms，控制系统不能停机。

3 结 论

在换电业务越来越频繁的背景下，换电柜的智能化程度越来越高，未来可能会赋予一定的社会价值。换电柜的反向供电功能能够保证市电发生中断时换点业务的连续性，提高数据安全性，增加用户体验感，保证后端供电的连续性。本文采用不同换电柜样品和不同换电电池对切换时间进行了研究，根据结果提出了测试方案，提出制定相应规范的数据依据，为提高产品性能起到了指导作用。