CN110601344A

CN110601344A - 一种基站备用电源用燃料电池能量管理系统

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Publication number: CN110601344A
Application number: CN201910823080.3A
Authority: CN
Inventors: 袁学飞; 黎兰; 刘照智; 张广孟; 赵京坡; 余慧娟; 王丽伟
Original assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Institute of Space Launch Technology
Current assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Beijing Institute of Space Launch Technology
Priority date: 2019-09-02
Filing date: 2019-09-02
Publication date: 2019-12-20
Anticipated expiration: 2039-09-02
Also published as: CN110601344B

Abstract

本发明涉及能量管理技术领域，具体涉及一种基站备用电源用燃料电池能量管理系统；包括功率主电路、控制逻辑、控制电路、霍尔传感器和继电器；所述能量管理单元通过所述控制逻辑切换燃料电池、市电或铅酸电池的接入，选择所述燃料电池输入电流时，首先通过引线接入采样板采样，并将采集功率与设定的功率进行比较，随后经过所述霍尔传感器测量输入电流大小，经所述继电器调整保护，最后通过所述功率主电路和控制电路根据既定的控制策略实现闭环控制，输出负载所需功率；本发明设计可靠的控制逻辑，实现了市电、铅酸电池、燃料电池之间的自动能量切换管理，提高了备用电源的可靠性；实时上报告警信息及远程监控，实现无人值守的要求。

Description

一种基站备用电源用燃料电池能量管理系统

技术领域

本发明涉及能量管理技术领域，具体涉及一种基站备用电源用燃料电池能量管理系统。

背景技术

在基站通信电源领域，要求电源系统高可靠供电，其可靠性通常由备用电源系统保证。为了保证通信局站和基站不中断供电，一般采用铅蓄电池搭配柴油发电机的方式备电，当基站市电自然中断，备用电源启动，为基站通信设备供电。固定式或移动式油机，无论是柴油发电机还是汽油发电机，都存在噪音大、废气污染严重、大量消耗一次能源等缺点。

由于氢燃料备用电源系统具备能量转换方式简单、效率高、能量密度大、工作温度低、工作热辐射小、噪声低、负载变化响应速度快、过载的承受范围宽、对环境适应性强、连续工作寿命长、维护要求低、排放无污染等特点，因此与固定式发电机组备用电源相比，在技术上具有很多优势。

为了实现基站电源的可靠供电、远程监控、维护便利、无人值守，需要一种燃料电池能量管理单元来同时匹配市电、铅酸电池以及燃料电池等3种输入电源，并配合基站备用电源实现其可靠断电切换的功能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种基站备用电源用燃料电池能量管理系统，使其承担市电、铅酸电池、燃料电池之间的能量切换管理，完成燃料电池输出向直流母线电压转化的功能，并及时反馈系统运行情况，实时上报告警信息，解决长时间无市电地区的备用电源及监控问题，同时实现基站电源维护便利及无人值守的目的。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基站备用电源用燃料电池能量管理系统，包括功率主电路、控制逻辑、控制电路、霍尔传感器和继电器；所述能量管理单元通过所述控制逻辑切换燃料电池、市电或铅酸电池的接入，选择所述燃料电池输入电流时，首先通过引线接入采样板采样，并将采集功率与设定的功率进行比较，随后经过所述霍尔传感器测量输入电流大小，经所述继电器调整保护，最后通过所述功率主电路和控制电路根据既定的控制策略实现闭环控制，输出负载所需功率。

更进一步的，所述燃料电池能量管理单元接收外部CAN通讯指令，通过指令控制选择市电、铅酸电池或燃料电池中任意一种作为输入电源输入。

更进一步的，所述燃料电池能量管理单元设置控制逻辑，所述控制逻辑中，当IAC不等于0，且BattKeep值为False，为待机状态；

当IAC不等于0，且BattKeep值为True，基站铅酸电池处于维护状态，燃料电池系统保持待机状态；

当IAC等于0，且BattKeep值为False，离开待机状态进入燃料电池发电状态。

更进一步的，当离开待机状态进入燃料电池发电状态时，燃料电池能量管理单元的燃料电池DC/DC变换部分工作。

更进一步的，燃料电池发电状态时，设燃料电池启动到额定功率输出需要的时间为t，则其状态变化为，0-t内为低电位；t时刻后为高电位。

更进一步的，燃料电池发电状态时，根据电堆的性能曲线计算功率拉升台阶ΔP，并通过can总线由产品主控制器向燃料电池能量管理单元设定功率台阶值ΔP。

更进一步的，所述燃料电池能量管理单元的P1&P2接线端子外接48V转24V及12V的DC/DC，向外输出母线电压，在备用电源内部燃料电池未启动发电时，由备用电源实现消耗功率自持功能。

更进一步的，所述控制电路控制稳压输出，外环控制稳压输出，并机时，主机外环接管从机内环，主从控制方式实现并机均流。

更进一步的，所述能量管理单元根据接收到的CAN通讯指令，通过控制逻辑控制G1和G2打开、G3和G4关闭，切换选择燃料电池作为输入。

更进一步的，所述能量管理单元在备用电源内部燃料电池未启动发电时，产品所需控制电源由基站的市电提供，当内部燃料电池发电时，IselfEnable为true，G4——on，SSR1断开，由换燃料电池提供供电；否则，G4——off，SSR1闭合，由铅酸电池提供供电。

本发明的有益效果为：

1)设计可靠的控制逻辑，实现了市电、铅酸电池、燃料电池之间的自动能量切换管理，提高了备用电源的可靠性；

2)实时上报告警信息及远程监控，实现了基站电源维护便利；

3)可靠的电源切换及远程监控，实现无人值守的要求；

4)实现了并机运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种基站备用电源用燃料电池能量管理系统电路原理图；

图2是为主电路结构示意图；

图3是为并机连接方式示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例公开如图1所示的一种基站备用电源用燃料电池能量管理系统，包括功率主电路、控制电路、霍尔传感器和继电器；在燃料电池输入电流时，首先通过引线接入采样板采样，并将采集功率与设定的功率进行比较，根据比较的结果，随后经过所述霍尔传感器测量输入电流大小，经所述继电器调整保护，最后通过所述功率主电路和控制电路根据既定的控制策略实现闭环控制，输出负载所需功率。

燃料电池能量管理单元根据接收的外部CAN通讯指令，控制选择市电、铅酸电池以及燃料电池等3种输入电源的一种作为输入，完成待机、维护、燃料电池发电、在线维护式发电、自耗功率支持、停机等功能。

以燃料电池发电功能为例，燃料电池能量管理单元根据接收到的CAN通讯指令，控制G1和G2打开、G3和G4关闭，选择“燃料电池DC35V～80V”作为输入,功率主电路开始工作，实时采集V1、A1并与设定的功率进行比较，通过既定的控制策略实现闭环控制，使输出功率达到负载所需功率。

主电路结构如图2所示，前级Boost电路实现母线电压稳压和抬升，解决宽输入电压范围导致的功率器件设计、选型问题。中间级采用LLC全桥实现降压和隔离输出，采用LLC谐振软开关技术，降低开关损耗，提高效率。后级采用Buck降压输出，控制Buck MOS的占空比实现精准的输出电压控制。

开关频率123KHz，减小变压器、输出滤波电感等磁性器件、大容量电解电容的体积和重量，进而减小整机体积，目前常用的IGBT关断速度较慢，不足以支撑100kHZ的开关频率，因此选用功率MOS作为主开关器件。

控制电路用于稳压输出，包括内外双环控制，外环控制稳压输出，内环控制并机均流。并机时，主机外环接管从机内环，即主从控制方式实现并机均流，如图3所示。

控制电路进行输入欠压、输出过压、过流、过热、短路等保护，提高所述管理单元自身的可靠性。

本实施例中控制逻辑实现以下功能：

1、待机功能

当IAC不等于0，且BattKeep值为False，应处于待机状态。(其中IAC为市电电流，BattKeep是备用电池维护指示)

G1——off、G2——off，G3——on。(G3采用常闭型，因此无需接受控制指令即保持导通状态)。

2、维护功能

当IAC不等于0，且BattKeep值为True，说明基站铅酸电池处于维护状态，尽管母线电压会发生大的波动，但燃料电池系统应保持待机状态。

G1——off、G2——off，G3——on。

3、燃料电池发电功能

当IAC等于0，且BattKeep值为False，应离开待机状态进入燃料电池发电状态。

此时G1——on、G2——On，燃料电池能量管理单元的燃料电池DC/DC变换部分开始工作，应具备对V2、A2实现反馈、跟随、调节的功能，由于燃料电池启动到额定功率输出需要一定的时间t，根据电堆的性能曲线计算合理的功率拉升台阶ΔP，进行电压V2的跟随控制，逐渐增大调节A2，当功率变化值Δ(V2*A2)等于设定值ΔP，再向上往目标功率提升ΔP，在这段时间内，应持续检测电堆电压V1，并设定最低限V1min，如果目标功率未达到时已检测到V1min，则应下降ΔP(减小A2直至V1min消失)后再次尝试提高A2，直至使输出功率达到负载所需功率，或者对应的A3接近于0A时，通过G3置高电位控制SSR2断开。至此，负载完全由燃料电池提供，再通过G4置高电位，使G4Mos管闭合、SSR1断开，则备用电源产品的控制功率也由燃料电池提供。

因此，根据发电控制描述对燃料电池能量管理单元的状态与要求总结为：

(1)在燃料电池完成发电启动至额定功率的状态变化是：0-t内，G1——on、G2——on、G3——on(低电位)、G4——off(SSR1——on)；t时刻之后，G1——on、G2——on、G3——off(高电位)、G4——on(SSR1——off)。

(2)要求在43.2V～57.6V区间内任一电压点，燃料电池DC/DC转换部分均具有电流调节能力，使其均能输出额定功率。

(3)通过can总线由产品主控制器向燃料电池能量管理单元设定功率台阶值ΔP。

安全上考虑，检测到V1min时，应G3——on(低电位)，G4——off(SSR1——on)。

4、在线维护式发电功能

后端控制方式与3类似，但通过调节后端的输出功率改变前段输入稳定在预设目标值，该预设目标值在一段时间内由主控制器发出并更新，代表一个电堆维护周期。

5、自耗功率支持

燃料电池能量管理单元的P1&P2接线端子向外输出母线电压，需外接48V转24V及12V的DC/DC，该DC/DC提供备用电源产品控制所需电源，燃料电池能量管理单元的控制电路所需电源也经接线端子P3&P4从前述48V转24V及12V的DC/DC获得，其目的是在备用电源内部燃料电池未启动发电时，产品所需控制电源由基站提供，而当内部燃料电池发电时，改由备用电源实现消耗功率自持功能。IselfEn为true时，则G4——on(同时SSR1断开)，实现自耗功率自持，否则，G4——off(同时SSR1闭合)，自耗功率由铅酸电池提供。

6、停机程序

市电恢复时，铅酸电池电压V3会因充电而升高，同时电流检测A5(IAC)会检测到充电电流，后者可以支持对市电是否存在的立即检测。此时，需停止燃料电池部分输出，以减少燃料消耗。

以V3为目标电压调节燃料电池DC/DC输出电压V2，然后确认或控制SSR2处于闭合状态，使市电及铅酸电池并联电路能够向负载供电。关闭G2，向主控制器发送DCDCoff信号，通知主控制器进行电堆停机处理，使其回到待机状态。

控制与状态通讯变量表(部分)如下：

部分输入输出内容

序号	名称	代号	单位	缺省值
					1	自耗输出允许	IselfEn	BOOL
2	Batt主动维护	BattKeep	BOOL
					3	市电来源电流	IAC	A
4	开关G1状态	StatusG1	BOOL
					5	开关G2状态	StatusG2	BOOL
6	开关G3状态	StatusG3	BOOL
					7	开关G4状态	StatusG4	BOOL
8	DC/DC输出禁止	DCDCoff	BOOL

本实施例通过既定的控制逻辑，实现市电、铅酸电池、燃料电池之间的能量切换管理，完成燃料电池输出向直流母线电压转化的功能，同时可完成待机、维护、燃料电池发电、在线维护式发电、自耗功率支持、停机等功能。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基站备用电源用燃料电池能量管理系统，其特征在于，包括功率主电路、控制逻辑、控制电路、霍尔传感器和继电器；所述能量管理单元通过所述控制逻辑切换燃料电池、市电或铅酸电池的接入，所述燃料电池输入电流时，首先通过引线接入采样板采样，并将采集功率与设定的功率进行比较，随后经过所述霍尔传感器测量输入电流大小，经所述继电器调整保护，最后通过所述功率主电路和控制电路根据既定的控制策略实现闭环控制，输出负载所需功率。

2.根据权利要求1所述的基站备用电源用燃料电池能量管理系统，其特征在于，所述燃料电池能量管理单元接收外部CAN通讯指令，通过指令控制选择市电、铅酸电池或燃料电池中任意一种作为输入电源输入。

3.根据权利要求1所述的基站备用电源用燃料电池能量管理系统，其特征在于，所述燃料电池能量管理单元设置控制逻辑，所述控制逻辑中，当IAC不等于0，且BattKeep值为False，为待机状态；

4.根据权利要求3所述的基站备用电源用燃料电池能量管理系统，其特征在于，当离开待机状态进入燃料电池发电状态时，燃料电池能量管理单元的燃料电池DC/DC变换部分工作。

5.根据权利要求3所述的基站备用电源用燃料电池能量管理系统，其特征在于，燃料电池发电状态时，设燃料电池启动到额定功率输出需要的时间为t，则其状态变化为，0-t内为低电位；t时刻后为高电位。

6.根据权利要求5所述的基站备用电源用燃料电池能量管理系统，其特征在于，燃料电池发电状态时，根据电堆的性能曲线计算功率拉升台阶ΔP，并通过can总线由产品主控制器向燃料电池能量管理单元设定功率台阶值ΔP。

7.根据权利要求1所述的基站备用电源用燃料电池能量管理系统，其特征在于，所述燃料电池能量管理单元的P1&P2接线端子外接48V转24V及12V的DC/DC，向外输出母线电压，在备用电源内部燃料电池未启动发电时，由备用电源实现消耗功率自持功能。

8.根据权利要求1所述的基站备用电源用燃料电池能量管理系统，其特征在于，所述控制电路控制稳压输出，外环控制稳压输出，并机时，主机外环接管从机内环，主从控制方式实现并机均流。

9.根据权利要求1所述的基站备用电源用燃料电池能量管理系统，其特征在于，所述能量管理单元根据接收到的CAN通讯指令，通过控制逻辑控制G1和G2打开、G3和G4关闭，切换选择燃料电池作为输入。

10.根据权利要求1所述的基站备用电源用燃料电池能量管理系统，其特征在于，所述能量管理单元在备用电源内部燃料电池未启动发电时，产品所需控制电源由基站的市电提供，当内部燃料电池发电时，IselfEnable为true，G4——on，SSR1断开，由换燃料电池提供供电；否则，G4——off，SSR1闭合，由铅酸电池提供供电。