1、 分类号 密级 UDC 学 位 论 文 应急供电系统的设计与应用 （题名和副题名） 熊 雯 （作者姓名） 指导教师姓名 张德源 高 工 电子科技大学 成 都 （职务、职称、学位、单位名称及地址） 申请学位级 别 硕士 专业名称 控制理论与控制工程 论文提交日期 2007.4 论文答辩日期 2007.5 学位授予单位和日期 电子科技大学 答辩委员会主席 教授 评阅人 2007 年 4 月 20 日 注 1 注明 国际十进分类法 UDC的类号 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其
2、他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 熊 雯 日期： 2007 年 5 月 29 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定） 签名： 熊 雯 导师签名：
3、张德源 日期： 2007 年 5 月 29 日 摘要 I 摘 要 本文从工程应用角度阐述了消防应急电源控制系统的设计和实现。 电能的广泛 使 用， 体现了社会的文明，也给人们的生活、生产带来了方便 ，当 电力供应短缺或遇到突发的电力故障 的时候 ， 又 给人 民 生命财产带来不可忽视的损失，为减小这种损失，人们 需要 能够在 短时间内独立于电网的 供电装置，应急电源因此应运而生。应急电源自 诞生 以 来便受到了国内外市场 消费者 的欢迎，得到 迅速发展，这也正是本论文 的研究 背景。 本文研究 的是 单相 消防 应急电源 ，系统的各项性能按照国家 公安部 标准：GB17945-2000 的各项
4、要求进行设计。 根据标准， 当 输入 出现 中断时， 在 2秒钟 内系统 将蓄电池组储存的 直流 电能 转换成交流电，输出 给负载，保证供电 90分钟；并且系统应有必要的工作状态指示、声光报警和保护措施 。 因此， 在参考了大量相关资料 和业内资深人士的经验 的基础上，本文采用模块化的设计思想，从器件的选取、方案的确定、实现这几个 角度着重阐述了主要组成部分的设计与实现。主要 内容如 下： 1. 蓄电池组的相关设计：蓄电池组 是 系统应急时能量的唯一来源，结合应急工作时间和系统输出容量的要求， 合理地 确定了所需电池的容量和数量； 根据标准的要求，还 分别设计了 电池组的 检测和充电电路； 2
5、. 逆变器：逆变器是系统的核心，也是设计和实现的难点和重点，主要包括了逆变主电路、功率开关器件及其驱动、保护电路的设计 ， 控制方式的选择 ， 逆变器输出 的 分析。 3. 系统 的 控制器：控制器是系统的重要部分，系统所有功能都是在控制器的控制下实现的。根据国标中对系统功能的要求，确定了系统的 总体 功能模块，阐述了各组成模块的功能和各模块之间的通讯。 4. 检测是系统正常工作的重要条件，控制器就是根据检测信号来控制系统的各 项工作 的 。本文中 主要 是 对 电池 组 及 系统 的 输入输出电量 的检测。 工作状态参数的显示 ： 根据国标要求对系统的状态参数及故障进行显示。 由于系统采用了
6、模块化的设计思想，使得系统各部分相对独立又不失完整和系统性，便于调试和维护，易于移植，有利于今后 对其 功能的进一步扩展。 关键词： 消防应急电源，国家标准，模块化，逆变器， SPWM控制 ，检测 保护 ABSTRACT II ABSTRACT With the rapid developing of modern science and technology,people rely increasingly on power supply. It will cause great accident or economic losses in the event of lack for ele
7、ctricity or power interruption. For escaping from or lessening the losses, people design the Emergency Power Supply (EPS) to offer the power in various accidents. Because the reliability and security of emergency power supply have a direct effect on the safety of the whole system, it is important to
8、 research the EPS. In accordance with of state standard, while the power is interrupted, electric energy deposited in batteries is inverted. And switching power frequency voltage transmitted to lighting load should hold 90mins power supply. The system must have necessary work state indication, alarm
9、ing of sound-light and safeguard. After analyzing and studying the domestic and international current research on EPS application technology, A new EPS bring forth. This paper focuses on components as below: Firstly, because batteries are the only source offering power to system in emergency, it is
10、very important. Based on emergence hours and output capacity of system, we introduce the design of corresponding circuits. In allusion to battery own four states and two states of battery charging and discharging, we design measuring and charge circuits. Secondly, inverter is the core of system and
11、it is also difficulty and stress of our design. This part put emphasis on the main circuit of inverter, choice of power switch, driving circuit and protection, choice of method of control and so on. Finally, because all system functions are implemented by controller, controller is a important part o
12、f system too. This part focuses on the function of every system module and their communications. Accordingly, on the basis of theory analysis and emulation, this paper develops the hardware circuit of EPS system. And this paper expounds all modules circuits of system. Our EPS system realizes the req
13、uirements of “green“, applied, intelligent and low cost. Key Words: EPS,GB state standard, modularizing design, inverter, SPWM,inspect 目录 III 目录 第一章 绪论 1 1.1 项目研究背景及意义 . 1 1.2 应急电源概述 . 2 1.2.1 应急电源的分类及应用 2 1.2.2 应急电源的基本组成和工作原理 4 1.2.3 应急电源的发展 4 1.3 本论文的主要研究内容 . 5 1.4 本章小结 . 6 第二章 系统总体设计 7 2.1 GB1794
14、5-2000 标准简介 . 7 2.2 系统总体性能要求 . 8 2.3 系统总体结构 . 8 第三章 蓄电池组的设计 . 11 3.1 蓄电池组总容量的确定 11 3.1.1 蓄电池的特性参数 . 11 3.1.2 电池容量和数量的计算 12 3.2 蓄电池的充放电 . 13 3.2.1 电池的充电 13 3.2.2 电池的放电 14 3.3 蓄电池的监测 . 14 3.3.1 电压检测 . 15 3.3.1.1 单体电池电压检测 15 3.3.1.2 电池组总电压检测 17 3.3.2 电流检测 . 17 3.4 蓄电池的保护 . 18 第四章 逆变器的设计与实现 19 4.1 逆变技术概
15、 述 . 19 4.2 逆变器的结构、工作原理 . 20 目录 IV 4.3 开关器件的选取 . 21 4.4 驱动电路设计 . 24 4.4.1 IGBT 的基本结构和特性 . 24 4.4.2 IGBT 驱动电路的设计要求 . 26 4.4.3 驱动电路模块的设计 26 4.5 逆变器的控制 . 28 4.5.1 逆变器控制技术概述 29 4.5.2 SPWM 控制方式及原理 29 4.5.3 SPWM 控制方案实现 32 4.6 逆变器输出 . 34 4.6.1 输出特性分析 34 4.6.2 谐波抑制 36 4.7 逆变器的保护 . 37 4.7.1 过热保护 37 4.7.2 过电压
16、、过电流保护 38 4.8 本章小结 . 38 第五章 系统的控制与检测 39 5.1 控制器简介 . 39 5.2 系统的控制 . 40 5.3 系统的检测 . 42 5.4 系统的显示 . 44 第六章 结束语 45 致 谢 46 参考文献 47 在读期间学术成果 50 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 项目研究背景及意义 在人类文明的整个历史中，能源和动力，尤其是电能的开发和应用一直具有非常重要的意义。 随着社会 经济的快速发展，科技的飞速进步，人们的生活质量不断提高，人类赖以生存的能源被大量消耗，甚至出现了能源危机， 因此能源的高效利用以及新能源开发都被各国作为战略重点来加以研究
17、 。 与人民生产生活息息相关的电能一直是我们赖以生存的重要能源之一，广泛用于生产和生活的各个领域，除生产用电外，还有如医院、商场、学校等大型建筑物中的用电， 以及日常生活中的家庭用电等，总之我们生活中的每一分钟都离不开电， 电能的重要性不言 而喻，因此对电能的研究和科学利用成为当今能源问题的主要方面之一，也是电力电子行业的首要任务。通常我们获取的电能是 由发电厂提供的，经过电力传输网的传输、变电站转换，最后进入各个用电场所，随时满足用电需要。当发生特殊情况时，如火灾、灾害性天气等非正常情况下， 或者 电网受到破坏不能进行正常供电，此时就需要一种能够独立于工网的供电系统来满足用电需要，应急电源供
18、电系统就是为适应这种需要而诞生的。 有了电就有了电子技术和电力行业， 随着电力电子技术和功率半导体器件制造技术的快速发展，各种电力电子装置和设备相继运用在各行各业中，极大地促进了生产的发展，并且提高了用电设备的供电质量及可靠性。近几年来，应急电源供电系统作为一种电力电子装置 现己广泛应用于应急电力保障、消防等关系人们生命财产安全的场合和部门，以其较高的性价比在社会生活的各方面发挥着重要的作用，成为日常生产、生活中必不可少的电力装置。在技术上，是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的新兴领域，国际电气和电子工程师协会 (IEEE)的电力电子学会对电力电子的定义是“有效地使用电力半导体器件，应用电
19、路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形的变换”。因而，电力电子技术是结合了电力半导体器件、电能变换技术、控制技术的综合性交叉学科技 术，是用弱点控制强电的一门技术。因此开发这一领域有着重 大的现实意义和广阔的发展前景。 第一章 绪论 2 1.2 应急电源概述 1-6 1.2.1 应急电源的 分类及应用 顾名思义，应急电源是在 突发电力故障 的紧急情况下作为替代使用的供电装置，目前市场上应用的产品主要有柴油发电机组和蓄电池组两大类 1， 蓄电池类应急电源又被分为 UPS型和 EPS型两种。 目前 ， EPS根据所带负载的种类大致可以归纳
20、为以下三种： 一 、 适用于各种照明性负载 的单相 YJ系列 EPS(O 5kw 10kW)。在应急输出时为单相 220V正弦波电压， 二 、 适用于 各 种照明性负载 及混合型负载的 YJS系列 EPS(2.2kW-500kW)。应急输出时为三相交流电， 除可用于应急照明 、事故照明外 同时也适应于消防电梯、 空调、 卷帘门、风机、水泵、淋浴泵、等电感性负载或混合 负载 供电。 三、直接给电动机供电的变频系列的 YJP系列 EPS(2.2kw 500kW)。 该系列为可变频应急电源 ，一般输出为单相， 只适用于电动机类负载。且要求负载与 EPS一对一配置。此 EPS不适宜于照明，也不适用于已
21、有变频启动的动力负载。 EPS 其全称为 Emergency Power Supply System， UPS(不间断电源 )是Uninterrupted Power Supply System 的缩写。 EPS 与 UPS、柴油机供电系统有着不同的应用场合和特点： 简单说 UPS 的 主要 作用除了确保对负载的不间断供电，还 可以 同时 对输入电压进行稳压 稳频 处理， 可提高用电质量，它适 用于对 用电 质量要求较高且要求转换 时间很短 (通常要求为毫秒级 )的场合 ， 如 计算机 房 和通讯网络 中心 、数据交换中心 等精密仪器设备 较多的重要场合 ，以防止由于电力供应中断而造成的重要数
22、据丢失， 因为 这些数据的丢失通常是不可以恢复性的，在某些重要部门往往会造成难以估量的 损失。 EPS主要用来 保证 在电力故障时 在一定时间范围内持续供电 ，如应急照明 、故障照明 等 。视应用场合的不同，一般要求系统能提供 30分钟至 120分钟甚至更长的应急供电时间 。 在正常电源供电可靠性较差的场合，不适合采用 EPS 作为常用设备的备用电源，而应该选用柴油机发电机组或者 UPS作为备用电源，从这点看， EPS比较适合用于消防场所或者应急照明的电力供给。另外，一般 EPS的应急供电切换时间较长，通常为 0.15s-0.25s左右，甚至到 5s,对转换时间要求较高的应用场所和设备，如监控
23、中心、计算机中心、程第一章 绪论 3 控交换机等精密用 电设备，不适宜采用 EPS 供电，应采用 UPS 进行供电。 柴油机发电机组 主要用于大功率供电场合，但其转换时间较前两者长，运行时需要专人值守， 需要一定的运行条件和维护费用高， 因而，在中小功率以及对系统供电时间没有特别长要求的场合，一般不用柴油发电机组。为了更直观地比较 EPS与 UPS、柴油机的区别，将它们各自的特点和区别列下表说明。 表 1-1 各类应急电源比较 EPS UPS 柴油发电机组 使用目的 确保短时间应急供电 保证连续不间断供电， 改善供电质量 长时间连续供电 应用场合 消防场所，建筑物内 ，可用于恶劣 环境中。 计
24、算机房，实验室等 ，使用环境要求较高 大型建筑物内专用发电机房 带载能力 可用于电阻性照明负载、电感性电机、电容性负载以及混合负载，带载能力强，范围广 。 适合电阻 、电容性 负载，如 IT 类设备及精密设备等 功率大，带载范围较广 转换时间 0.1s 2s 中等 小于 10ms 较短 5s 30s 较长 供电时间及供电状况 30min 120min 或更长，供电电压频率、幅值稳定，波形好，效率高 不间断供电，供电质量高， 可长时间连续供电，供电质量不高，效率低 造价及运行成本 约为相同 容量 UPS 主机价格的 60，采用免维护蓄电池可循环充放电数百次，一次投入基本无后续维护费用 造价高 成
25、本低，辅助设施费用、运行费用高 使用寿命 主机仅在应急时使用， 寿命较长， 20 年 左右 因主机连续不见断工作，故使用寿命较短，一般 5 8 年 可长时间连续使用 节能与 环保 主机在市电正常时处于休眠离线工作状态，耗电 0.1%左右，应急工作时效率85%-95%,节能，工作时噪声小，无震动，无公害 市电正常时也工作，效率为 80 90，有噪音无震动，无公害 平时不工作，不耗电，工作时噪音大，伴有震动，排烟， 有污染 运行与 维护 可无人看守运行，维护简单 ，微电脑监控。 需专人值守和定期维护 需专人值守和定期维护 通过以上对比可以看出， EPS 有结构简单、成本适中、带载能力强、适用范类
26、别 指 标 第一章 绪论 4 围广、使用可靠、维护简单、性价比高的特点和优点，因此随着社会 经济 的发展，社会安全保障意识得体高，应急电源一定有着广阔的应用前景。 1.2.2 应急电源的基本组成和工作原理 蓄电池类型的 应急供电装置，其电路结构和工作原理大致相同，都采用了蓄电池组作 为储能装置 、 绝缘栅双极型晶体管 IGBT 作为转换器件、控制技术，都是对蓄电池组所储存的直流 形式电能进行逆变，转换成一定频率的交流电输出给负载。其基本结构简图如下： 图 1 应急电源系统基本结构图 其工作原理可简述如下：当 输入正常时，由 1 支路输出给负载，即直接由电网供电，此时支路 2 处于关断状态，逆变
27、器不工作；同时，控制器检测电池组 电压，如电池组处于充满状态则不充电，否则充电；当控制器检测到 输入不正常（低于某个数值）时，控制器启动逆变器工作，将蓄电池组储存的直流电转换成交流电由 2 支路输出至负载；同时，控制电路在不断地检测输入 的状态，一旦市电恢复，控制电路控制逆变器停止工作，自动由 2 支路切换至 1 支路 工作，系统由蓄电池供电转为市电直接供电，从而保证了负载电力供应的不中断。 1.2.3 应急电源的发展 早期的应急电源，只需要其输出不断电，稳压、稳频即可，今天的应急电源除这些要求外，还必须环保无污染，提倡绿色环保应急电源。同时随着网络技术的发展，对应急电源的网络功能也提出了更高
28、的要求。 在欧美国家，由于并网供电，电力充足，同时供电质量良好，加上用电设备规范，不会在电网上造成电网污染，互相干扰。因此，许多场合并不建议使用 UPS，而是推荐使用节能 ECO(Economy Control Operation)工作状 态下的 装置 ， 在欧洲，此类具有节能工作状态的装置称作 CPS(Center Power Supply)， 即平常由市电供第一章 绪论 5 应负载，在市电不正常时，再由蓄电池经逆变器输出供电。在市电正常时， EPS 除了输电品质不及 UPS 外，在市电并网的今天，能满足大部分用电设备的要， 因此，人们关心节电这个永恒的主题以及高可靠性两大因素，大多数情况下
29、 EPS 是优于UPS 的。如果电网质量良好，供电可靠，用电设备规范，在我国许多场合下有可能用 EPS 取代双变换在线式 UPS，而不是用 UPS代替 EPS。当然，对于某些非常关键的设备，仍采用 UPS。 在国内， EPS应急电源是近几年发展起来的，是 UPS的应用和发展，虽然人们越来越清楚地认识到 EPS在生产和生活中的重要性，但由于至今仍然没有国家统一标准来规范其生产和开发，导致了我国 EPS市场 的 混乱 。 目前市场上的 EPS产品主要以单片机控制的智能型为主，即控制器采用单片机，所以具有控制功能多，精度高，成本低，工作可靠，全自动化，可无人看守，还可以有联机网络监控功能等优点，受到
30、市场的欢迎，成为主流。 应急电源的高性能主要体现在以下几个方面 :(1)快速的动态响应，稳态精度高 :(2)稳定性高，效率高，可靠性高 :(3)输出电压谐波含量低 ;(4)低的电磁干扰 :(5)智能化 ;(6)完善的网络功能。 其技术指标主要有：供电容量、转换相数、转换时间、应急供电时间等，容量范围多在0.5KW400KW，按输出电压相数不同分为单相和三相，转换时间一般在 0.5s5s，应急供电时间多分为 30min， 60min， 90min， 120min， 180min五档。其售价在几千元至几万元之间。目前国内市场上从事 EPS生产开发的厂家很多，竞争比较激烈，其中比较著名的生产厂家有如
31、烟台黄金公司，青岛同创公司，大连国彪，合肥阳光公司等。国外市场上的 产品在结构、功能上与国内产品大致相同，但因装置中多采用高档电子原件，如采用 DSP信号处理芯片、 FPGA器件、嵌入式处理器等，故其成本昂贵，因此目前国内市场上基本上是国内自主研发生产的产品，并部分出口国外 。 目前，应急电源装置 广泛用于 金融、航空、医疗、交通、建筑、消防等行业领域，为国民经济得发展和人民的生活保障发挥这着越来越重要的作用，被称为城市生命线的重要保障系统。 1.3 本论文的主要研究内容 本论文 基于以上背景下，针对目前的市场状况，严格按照消防应急电源国家标准： GB17945 2000的规定，以用于消 防应
32、急照明用的单相 EPS为研究对象，系统阐述其设计思想。主要研究内容如下： 第一章 绪论 6 1 确定系统总体方案， 完成系统总体设计， 2 系统各模块 功能 的 设计与 实现， 包括器件选取、电路结构确定、控制方案 的 确定 等； 3. 形成整机产品， 各项技术指标符合国家标准 GB17945-2000； 1.4 本章小结 作为论文开篇，本章先介绍了课题来源、研究背景，接着对研究对象 EPS 做了总体性、概念性的介绍：应急电源的概念、构成，并介绍了国内外的发展状况，最后说明了本论文的主要研究内容。 第二章 系统总体设计 7 第二章 系统总体设计 2.1 GB17945-2000 标准简介 GB
33、17945-2000 是消防应急灯具的国家标准，由公安部 负责 颁布 、 检测并 强制施行 。 标准中除对应急灯具作了详细规定外，对应急电源和电池也给出了具体的要求。 这一标准 是众多厂家设计、生产应急电源必须参照的 标准 。 与设计有关的参考标准摘要如下： 5.1.1 项： 应急转换时间不大于 5s。 5.1.2 项： 应急工作时间不小于 90min。 5.1.15 项：电池 充电时间不大于 24h，最大充电电流不大于 0.4*C10。 5.1.16 项： 电池放电终止电压不小于额定电压的 90%， 放电电流 不大于 0.6* C10。 5.1.18-19 项： 主电电压在 132187V（
34、 220*60%220*70%）范围内应转入应急状态，主电电压在 187242V（ 220*70%220*110%）范围内不应转入应急状态。 5.1.21 项 ： 1 应能够防止非专业人员操作 ； 2 应能控制并显示应急电源的工作状态（主电、充电、故障状态、电池电压、输出电流和输出电压） ； 3 应能对本机及面板上所有指示灯、显示器、音响器进行功能检查。 5.1.22 项： 1 应显示主电电压，电池电压，输出电压，输出电流， 2 应设主电、充电、故障和应急状态指示灯，主电状态用绿色，故障状态用黄色，应急状态和充电状态用红色。 3 应能保证主电和备电不能同时输出； 4 应能对故障进行声光报警 ；
35、 5 当串接电池组额定电压大于或等于 12V 时，每段电池（组）额定电压应不大于 12V ，且在电池（组）充满电时，每段电池（组）额定电压应不小于 12V。 第二章 系统总体设计 8 2.2 系统总体性能 要求 根据 GB17945 2000标准的要求，系统总体性能应满足如下要求： 1 系统输入为交流 市电 ， 系统额定输 出功率为 6 千瓦 ，输出为单相 50 赫兹 、220V 正弦 交流电； 2 系统应急转换时间不大于 2 秒 ； 3 应急工作时间不小于 90 分钟 ； 4 输入主电 (市电 )电压在 184V242V（ 220*70%220*110%）范围内不应转入应急状态 ， 其它情况
36、转入应急状态； 5 系统应能 自动完成 各 工作状态的切换； 6 应有 工作状态 及对应参数 的显示 ； 7 有 必要的 报警 指示 功能； 2.3 系统总体结构 一个完整的应急供电 系统应该 有 蓄 电池 组 、 充电装置、 输出切换 装置 、 逆变器、 控制器 、检测、显示 报警 等部分组成。 考虑到系统今后的升级 扩展 ，采用了模块化的设计思想 ，使 系统的各组 成部分分别成为一个独立的模块，在必要时只进行简单的改造就可以组成 另一 个 独立的系统。系统 各组成模块功能如下： 电池 组 ： 是系统的储能装置，也是 系统应急时的 唯一 能量来源， 其性能对系统整体性能 影响重大。 本文中采
37、用目前应急电源广泛使用的密闭式免维护铅酸蓄电池作为系统的储能装置。 为确保应急状态时有足够的能量，保证足够的应急供电时间，要 确定系统所需电池数量，选择合理的容量 。 充电 模块 ： 蓄电池在使用中 ，其储存的能量会减少，为保证 应急工作时 电池有足够的能量 ，要对蓄电池补充能量， 将输入电压转换至 所需 充电电压，完成对蓄 电池的充电。 输出 切换模块： 切换电路由继电器组成，在控制器的作用下，系统根据输入电压情况控制输出切换。输入电压在 187V242V 范围内，直接输出给负载，系统处于正常工作状态；否则，切换电路切换到逆变器输出，系统处于应急工作状态。同时根据输入电压变化。这两种工作状态
38、之间可以自动相互转换。 逆变器 模块： 是系统的能量变换装置，在应急状态时 ， 将 蓄电池组储存的直流电能转换成交流电，输出给负载， 是系统的核心 部分。逆变器由 功率开关、 驱第二章 系统总体设计 9 动电路、控制电路、 变压器及附加电路组成。 逆变器也是系统设计的难点和重点。其结构原理图如 下： 图 2 1 逆变器结构图 蓄电池组经过功率开关管与变压器相连，在控制电路与驱动电路作用下，开关管按照既定控制方案通断，将直流电转换成所需交流电，达到变压变频目的，实现 逆变 功能 。 显示及报警模块：按照标准要求，系统应能显示工作状态及参数，并在工作异常情况下有相应的声光报警功能。系统显示的各工作
39、状态包括：市电工作状态、应急工作状态、充电状态、故障状态；参数显示包括：输入输出总电压、输出电流；各电池电压，电池组输出总电压、电流； 充电时间。 为了更明了 地显示 上述信息 ，采用液晶显示 面板逐页分屏显示。 检测模块 ： 系统工作状态的显示 是在检测电路的配合下完成的。系统的检测电 信号包括两类：电压 和 电流 。检测的内容就是要显示的内容。 所有检测信号经由单片机 AD口采集输入，存放在片内指定存储单元中，单片机根据检测结果，执行相应的程序，实现智能控制检测。 控制模块： 系统各项功能的实现都是在控制器的作用下完成的。 控制器 采用单片机组成的控制系统 ，单片机具有控制功能实现简单，控
40、制功能强的特点 。 主控模块负责监视输入电压，输出电压和电池电压， 根据程序设定 方式 完成工作状态切换，实行各项功能 ， 并将自检数据发送给 LCD显示模块进行显示或报警。 其他模块： 为进一步提高系统工作稳定性和可靠性，在有些环节增加了一定的保护功能。如逆变器保护等。 综合以上， 系统的总体结构如下： 第二章 系统总体设计 10 图 2-2 系统总体结构 图 输出切换 负载 逆变器 电池组 检测 控制器 显示 及 报警 充电器 市电 输入 第三章 蓄电池组的设计 11 第三章 蓄电池组的 设计 蓄电池作为储能装置也是系统应急时唯一的能量来源，当 输入 中断时， EPS电源依靠储存在蓄电池中
41、的能量放电输出，来保证系统应急状态的正常工作。在目前 EPS 的供电系统中，广泛使用密封式免维护铅酸蓄电池作为直流侧的电能储存装置。 3.1 蓄 电池组 总容量 的 确定 蓄电池的容量选择对整个系统的正常运行起着非常重要的作用，因为电池的容量决定了系统的供电容量和应急时间如电池容量选取不足，当输入中断时，就不能输出足够电能，蓄电池供电时间也将小于用户所预期的应急时间，在应急中将不能起到应有的作用，甚至会因此危及人身生命财产安全。因此，要针对系统具体要求和蓄电池的特性进行合理的容量配置。 3.1.1 蓄电池的 特性 参数 10 蓄电池 的特性一般有动态和静态两种。静态特性又称为物理特性，通常用
42、容量、 终止电压、 标称电压、 放电 倍率 、使用寿命等参量表示。动态特性又称为工作特性，即充放 电特性，一般用充放电时间、充放电电压、电流等参数来表示。要确定电池组的容量，仅需要考虑其静态特性， 主要特性 介绍 如下： a 放电倍率： 以一定的放电电流放完额定容量所需的 时间 来衡量 放电倍率（ h） =额定容量 (Ah) 放电电流（ A） 则，放电电流（ A） =额定容量 (Ah) 放电倍率（ h） 可见，放电倍率所表示的放电时间越短，放电电流越大。 若某电池以 0.5 小时率放电，则可用符号“ C/0.5”或“ 2C”表示。 这里的放电倍率不等同于一般所说的放电时间，放电时间指的是实际放
43、电过程的时间。 b 额定容量：规定电池在一定放电 条件下应该放出的最低限度的电量（ Ah）。通常以 10 小时率放电至终止电压所能放出的容量定义为额定容量，符号为 C10。 c 蓄电池的容量 ： 表示其蓄电能力，一般定义为：充满电的蓄电池，放电到规定第三章 蓄电池组的设计 12 放电终止电压时，所放出的总容量即为该电池的容量。 以恒定电流放电时，其容量 可用下式表示： ff TIQ （ 3-1） 其中 Q 电池 放电 容量，单位： Ah(安培小时 )，安时 If 电池放电电 流，单位： A(安培 )， Tf 放电时间，单位： h(小时 ) 电池实际可使用容量与放电电流大小、环境温度 、蓄电池存
44、储的时间长短、负载特性等因素有关。 通常电池容量与其额定容量间有一定比例关系，且额定容量大于 电池放电容量。 d放电终止电压：电池以一定的放电率在规定温度（一般为 25）下，放电至能再反复充电使用的最低电压，称为放电终止电压。终止电压值视放电速率和需要而定，通常由生产厂家给出。 e 标称 /工作 /额定 电压：蓄电池正常工作时 应维持的 的放电电压。 3.1.2 电池容量和数量的计算 一般市售 蓄 电池 用于中等功 率 以上电源 的单体电压有 12V 和 6V 两种，蓄电池容量多在 50200Ah。按照标准要求选择单体电压 12V 的蓄电池， 由一定数量的电池串连组成电池组， 根据系统总功率
45、6KW，放电时间 90 分钟， 因为，系统储存能量 系统输出能量， 由能量守恒可以估算出系统所需电池的数量 和容量 ： 系统储存能量 电池组总容量 电池数量 N电池 额定容量 Q （ 3-2） 系统 输出 能量 输出 功率 P 应急 时间 T 放电 总 电压 U 放电电流 I放电时间 T （ 3-3） 放电总电压 U 电池数量 N电池 额定电压 u （ 3-4） 而 额定 容量 与放电电流满足公 式 3-1， 放电时间 最少 可以认为等于 应急时间1.5小时 ， 在计算时要考虑到电池实际 电压的误差和过载的情况 ， 最大 输出 功率可以认为是过载 20%的功率， 即 ： 120 6KW 720
46、0W， 各项数据代 入 上述 公式中 ， 72009060 12NI9060=90 6012N Q/1.5 （ 3-5） 得到 NQ=900Ah，即 需要 电池组总容量 为 900 安时 。 考虑到实际电池的体积、安装 及 电池组 的 总电 压 与 电源 输出电压 ，确定 系统所需最多电池数量为 16节， 则第三章 蓄电池组的设计 13 电池容量 Q 900Ah 16 57Ah， 根据实际电池产品规格，选 定容量为 65Ah 电池既可以满足要求 。 3.2 蓄电池的 充放电 在 EPS系统中， 输入 电压 正常 且电池处于充满电状态 时，逆变器不需要工作，此时电池组不释放能量 ， 处于不工作的
47、静态 ； 当 输入 不正常，则要求应急供电，逆变器将开始工作，此时电池组中的化学能转变为电能释放给负载供电 ，电池处于放电工作状态 ；当电池电压低于某一数值时，系统启动充电器工作，电池进入充电工作状态，可见电池的状态与系统工作状态密切相关。 3.2.1 电池的充电 在实际应用场合，大多时间内蓄电池都无需给负载供电，但由于蓄电池自身的特性导致蓄电池的可用容量及性能会随着贮存时间的延长和外环境的变化而损耗。如果长时间不对电池充电，电池容量将下降，待真正应急供电时，蓄电池组提供的 能量和 应急时间可能 大大少于 预期 要求 ， 造成 严重后果 ， 因此，需要对电池 补充 能量， 进行 充电， 本文中
48、设计了单片机控制的充电环节。 系统采用的 电池 的 标称 额定 电压为 12V， 根据标准规定 ， 电池放电终止电压不小于额定电压的 90%， 即电池电压小于 12V*90%=10.8V， 就应当进行充电。 通常在电池处于 非放电 状态下进行充电，即浮充。 充电环节的 能量 输入 为 系统 输入，本文中系统输入为 AC220V市电， 经过 主控器 MCU对导通角控制产生正向充电电流进行充电 。 充电 环节 电路 原理 图 如下： 第三章 蓄电池组的设计 14 图 3-1 充电 模块 电路 原理 图 基本原理： 电路采用了可控硅组成桥式 整流 电路 ，处于 桥臂 对角线位置的两对可控硅和二极管，
49、受单片机发出的脉冲控制，将 交流 市电输入 转换成直流 给蓄电池组充电。根据电池组电压 检测信号，由单片机按照程序 发出控制脉冲，即通过控制可控硅的导通角来控制充电电压 大小。 充电 的控制：当单片机检测到电池组电压低于额定放电电压 90 ：12V*0.9*16=172.8V 时， 即 控制切换电路将蓄电池组与充电电路接通，进行充电；充电电流通过检测 220V 过零时刻，延时一定时间产生触发脉冲进行控制。 检测到电池组电压 满足 要求电压时，单片机又启动切换电路断开电池组与充电电路的连接，充电结束。 3.2.2 电池的放电 电池的放电 即逆变输出状态，参见第四章逆变器。 3.3 蓄电池的监测 蓄电池在静态下一般 有开路、短路、欠压和正常
