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适 用 于 小 型 太 阳 能 光 电 以 及 风 力 涡 轮 发 电 机 的 能 源 储 存 系 统Wynne,ADI 公系 统 概 观为 了 让 太 阳 能 光 电 (PV) 设 备 与 风 力 涡 轮 系 统 , 能 够 提 供 较 自 然 条 件 许 可 下 ( 不 论 是在 黑 暗 中 或 是 风 速 不 足 的 状 况 ) 更 长 时 间 的 输 出 电 力 , 将 所 产 生 的 能 源 藉 由 某 些 方 法 予以 储 存 , 以 便 在 稍 后 需 要 使 用 时 可 以 取 得 , 是 有 必 要 性 的 。 本 文 会 着 重 在 将 所 产 生 的 能源 , 储 存 到 锂 离 子 电 池 单 体 组 合 当 中 , 同 时 凸 显 ADI 的 产 品 能 够 在 时 间 和 温 度 的 范 围内 , 提 供 安 全 而 有 效 率 之 系 统 运 作 。图 1 中 所 示 为 太 阳 能 PV 系 统 的 概 要 方 块 图 。 此 处 所 使 用 的 储 存 部 件 与 风 力 涡 轮 系 统 中所 使 用 的 是 完 全 一 样 的 。 小 型 数 组 太 阳 能 板 的 输 出 会 被 升 压 到 一 定 位 准 , 使 得 输 出 变 频器 较 容 易 提 供 所 需 的 ac 输 出 位 准 。 此 升 压 转 换 器 也 可 以 在 本 地 处 理 器 控 制 之 下 支 持MPPT 功 能 。 接 续 于 输 入 升 压 电 路 之 后 的 是 一 组 V/I 充 电 器 电 路 , 用 来 生 成 适 当 的 充 电电 流 , 对 锂 离 子 电 池 单 体 数 组 进 行 充 电 。 锂 离 子 电 池 单 体 通 常 会 以 模 块 或 是 电 池 组 的 方式 来 分 组 , 一 组 会 包 含 有 6~12 个 电 池 单 体 。 这 些 模 块 会 以 串 联 方 式 固 定 在 一 起 ( 建立 电 池 串 ), 以 便 产 生 出 任 何 所 需 要 的 总 体 堆 栈 电 压 (overall stack voltage)。John : 者 作司图 1. 太 阳 能 PV 系 统 的 概 要 方 块 图

堆 栈 电 压 通 常 会 被 用 来 减 轻 dc 对 dc 变 频 器 的 工 作 , 例 如 产 生 110V ac 的 输 出 , 如 此总 体 堆 栈 电 压 大 概 要 达 到 180V dc。 快 速 浏 览 过 各 个 生 产 厂 商 的 技 术 文 件 后 可 以 发 现 ,厂 商 建 议 使 用 在 小 型 UPS 设 备 上 的 典 型 锂 离 子 电 池 单 体 , 一 组 4/5 D 尺 寸 圆 柱 型 单 体的 额 定 电 压 为 3.7 V, 而 其 典 型 容 量 为 4.4 Ah。 这 样 可 以 得 出 由 48 个 单 体 组 成 串 联 电池 串 , 也 就 是 使 用 8 个 电 池 组 , 每 个 电 池 组 是 6 个 电 池 单 体 。 每 个 电 池 串 拥 有 780 Wh的 容 量 。 为 了 要 增 加 电 池 组 的 能 源 储 存 容 量 , 还 会 以 并 联 方 式 增 加 额 外 的 电 池 串 。 要 组装 出 一 组 具 有 足 够 容 量 , 能 够 提 供 一 个 家 庭 用 户 数 个 小 时 用 电 的 电 池 堆 栈 , 可 能 需 要 为数 众 多 的 电 池 串 ; 例 如 26 个 并 联 的 电 池 串 能 够 提 供 20 KWh 的 总 容 量 。 假 设 电 池 堆 栈中 的 可 用 电 力 为 额 定 容 量 的 80%, 那 么 这 将 可 以 产 生 出 接 近 16 KWh 的 可 用 容 量 。 这样 还 不 足 以 说 明 , 也 没 有 清 楚 说 明 如 此 高 电 压 的 电 池 堆 栈 , 具 有 绝 对 的 危 险 性 , 因 此 在任 何 时 间 都 应 该 要 遵 守 适 当 而 且 正 确 的 程 序 。 你 在 高 电 压 堆 栈 上 所 犯 的 第 一 个 错 误 恐 怕就 是 你 的 最 后 一 个 了 。 请 确 保 安 全 性 永 远 都 是 排 在 第 一 顺 位 。20 KWh 的 容 量 需 求 可 以 转 换 为 总 数 1,248 个 锂 离 子 电 池 单 体 的 数 组 。 图 1 中 所 示 为 两个 电 池 串 。 在 这 么 多 的 电 池 串 互 相 并 联 的 情 况 下 , 必 须 要 谨 慎 的 采 用 一 些 手 段 将 单 一 电池 串 与 整 个 数 组 加 以 隔 离 。 也 许 是 使 用 某 些 类 型 的 高 电 流 继 电 器 或 者 是 接 触 器(contactor), 以 串 联 方 式 与 每 一 个 电 池 串 连 结 , 但 是 在 图 中 并 未 将 这 些 部 件 显 示 出来 。 每 一 个 电 池 串 都 具 有 各 自 专 用 的 监 测 电 路 , 其 与 相 邻 的 电 池 串 是 独 立 的 。 这 样 听 起来 似 乎 很 浪 费 , 但 是 为 每 一 个 电 池 串 安 排 专 属 的 监 测 部 件 可 以 使 单 一 电 池 串 ( 所 需 ) 的隔 离 较 容 易 做 , 并 且 能 够 对 电 池 串 中 的 锂 离 子 电 池 单 体 进 行 更 为 严 密 的 监 测 。 对 锂 离 子电 池 过 度 充 电 , 会 造 成 本 体 的 发 热 , 进 而 导 致 全 面 性 的 发 热 , 可 能 会 造 成 温 度 失 控 , 最终 发 生 火 灾 。 紧 密 的 监 测 可 以 避 免 这 种 景 况 的 发 生 。虽 然 电 池 技 术 的 价 格 , 正 随 着 生 产 量 的 提 升 以 及 更 多 供 货 商 的 投 入 市 场 而 降 低 , 但 是 这种 堆 栈 仍 然 是 昂 贵 的 。 举 例 来 说 , 当 所 有 必 要 部 件 ( 像 是 连 接 器 、 扁 平 电 缆 、 机 构 外 壳 、监 测 用 电 子 装 置 等 等 ) 的 价 格 加 总 之 后 , 所 得 到 的 价 钱 介 于 750 美 元 /kW ~ 1,000美 元 /kW 之 间 , 此 价 位 还 算 合 理 。 在 本 例 中 , 堆 栈 的 价 格 最 低 为 15,000 美 元 。 这 样的 投 资 必 须 要 很 小 心 的 加 以 监 测 , 以 确 保 其 具 有 较 长 的 使 用 寿 命 。再 参 照 图 1, 高 度 特 制 化 的 电 池 单 体 监 测 器 产 品 , 像 是 AD7280 以 及 AD8280, 能 够 对电 池 串 中 的 每 一 个 锂 离 子 电 池 单 体 提 供 完 整 的 电 压 与 温 度 监 测 能 力 , 而 在 此 同 时 , 单 一电 池 串 的 电 流 则 是 利 用 ADuC703X 微 控 制 器 (Microcontroller) 加 以 监 测 。 除 了 具 有电 流 与 电 压 监 测 输 入 信 道 之 外 , 每 颗 以 ARM7 为 基 础 的 微 控 制 器 也 能 够 与 其 锂 离 子 电池 单 体 监 测 器 的 电 池 串 进 行 通 信 , 下 载 个 别 的 电 池 单 体 数 据 , 并 执 行 电 池 单 体 平 衡 算 法 。主 要 的 系 统 功 能 乃 是 由 一 颗 Blackfin(BF50X) 数 字 信 号 处 理 器 (DSP) 所 控 制 , 该 部件 使 用 iCouplers(ADuM140x) 与 各 个 系 统 方 块 进 行 通 信 , 可 让 整 个 前 端 系 统 浮 接 ,并 且 使 后 端 与 高 电 压 做 电 气 隔 离 , 以 策 安 全 。当 无 需 产 生 电 力 , 同 时 也 为 了 维 护 期 间 的 安 全 性 , 必 须 要 将 电 池 堆 栈 与 变 频 器 断 开 , 而这 正 是 RL1、RL2、 与 RL33 颗 继 电 器 或 是 接 触 器 的 功 能 。 在 变 频 器 启 动 时 ,RL2 会 保持 开 启 状 态 , 而 RL1 与 RL3 则 预 设 为 关 闭 状 态 , 透 过 R Limit 电 阻 器 限 制 冲 击 电 流(in-rush current), 并 且 在 关 闭 RL2 之 前 , 以 最 终 值 百 分 之 80 或 90 的 相 对 慢 速 ,对 变 频 器 的 电 容 进 行 充 电 。 同 样 是 为 了 安 全 上 的 理 由 , 当 接 触 器 因 为 任 意 原 因 而 开 启 时 ,切 换 到 跨 越 变 频 器 ( 简 图 中 未 显 示 ) 输 入 的 放 电 路 径 是 个 好 方 法 。 这 将 可 以 确 保 变 频 器

电 容 的 电 荷 全 部 放 尽 , 以 避 免 任 何 的 伤 害 。 虽 然 变 频 器 可 能 会 因 为 要 进 行 维 护 而 从 系 统中 移 除 , 但 是 电 容 器 仍 然 保 有 可 以 致 命 的 电 荷 , 这 点 有 时 候 会 被 忽 略 掉 。在 图 1 当 中 , 共 享 电 流 与 电 压 的 量 测 会 ( 至 少 ) 在 3 个 位 置 进 行 , 用 以 协 助 系 统 的 管理 ;I1 以 及 V1 用 来 协 助 MPPT 算 法 则 ;I2 以 及 V2 用 来 协 助 V /I 充 电 电 路 , 而 I3 以及 V3 则 协 助 变 频 器 作 业 。 这 3 组 电 压 都 是 高 电 压 , 而 且 可 以 透 过 电 阻 分 压 器(resistive divider) 对 进 入 ADuC703Xs 之 电 阻 信 道 的 电 压 加 以 量 测 。I1、I2、 与 I3 电流 的 量 测 可 以 利 用 像 是 AD8212 或 是 AD7400 之 类 的 电 流 监 测 产 品 来 进 行 。更 多 监 测 系 统 的 细 节图 2 中 显 示 的 是 在 单 一 电 池 串 之 内 , 电 池 单 体 监 测 电 子 装 置 的 细 节 。 每 一 个 在 电 池 串当 中 的 锂 离 子 电 池 单 体 都 会 以 两 个 监 测 器 加 以 监 视 ; 一 个 主 要 监 测 器 乃 是 以 ADC 信 道将 电 池 单 体 电 压 直 接 转 换 成 12 位 的 字 组 , 而 另 一 个 次 要 监 测 器 则 是 窗 口 比 较 器(window comparator), 用 以 得 到 电 池 单 体 过 电 压 与 欠 电 压 的 偏 移 状 况 。 主 要 监 测 器是 包 含 在 6 通 道 的 AD7280 当 中 , 而 次 要 监 测 器 则 是 包 含 在 AD8280 这 个 搭 配 用 的 6信 道 部 件 当 中 。图 2. 在 单 一 电 池 串 之 内 , 电 池 单 体 监 测 电 子 装 置 的 细 节这 种 方 法 提 供 了 完 整 的 冗 余 量 测 系 统 (redundant measurement system), 举 例 来 说 :假 如 主 要 监 测 部 件 ( 数 字 密 集 型 的 AD7280) 因 为 通 信 问 题 而 停 止 运 作 , 则 次 要 或 称 备用 监 测 器 ( 模 拟 密 集 型 的 AD8280) 仍 然 可 以 运 作 并 维 持 系 统 中 的 安 全 性 。 这 两 个 监 测

器 会 回 报 位 于 个 别 菊 链 界 面 上 的 电 池 单 体 状 态 。 主 要 监 测 器 的 菊 链 会 被 提 供 给ADuC703x 的 串 行 埠 。 此 菊 链 具 有 双 向 能 力 , 微 转 换 器 的 部 件 地 址 与 控 制 信 号 可 以 上传 到 菊 链 上 , 并 且 最 终 电 池 单 体 数 据 , 像 是 单 一 电 池 单 体 的 电 压 , 或 是 单 一 电 池 单 体 的温 度 ( 有 需 要 的 话 ) 也 会 下 传 到 菊 链 上 。 来 自 于 AD8280 部 件 的 菊 链 只 提 供 只 读 的 电池 单 体 状 态 ( 过 电 压 、 欠 电 压 、 温 度 过 高 ), 并 下 传 到 其 菊 链 上 。 为 了 要 坚 持 其 冗 余 性 ,此 数 据 串 流 只 透 过 一 颗 FPGA 直 接 送 入 BF50x 上 的 GPIO 埠 。 此 FPGA 只 是 为 了 要 将来 自 于 所 有 电 池 串 的 数 据 予 以 集 中 , 然 后 送 入 位 于 BF50x 更 易 于 管 理 的 单 端 口 接 口 中 。每 一 颗 微 转 换 器 也 都 会 透 过 相 同 或 是 类 似 的 FPAG 配 置 与 Blackfin 进 行 通 信 。流 入 每 一 组 电 池 串 的 电 流 在 通 过 Rshunt 时 会 出 现 一 个 微 小 的 跨 电 压 , 此 电 压 会 藉 由 微转 换 器 的 电 流 量 测 通 道 加 以 撷 取 。 同 时 间 总 体 堆 栈 电 压 ( 图 2 中 的 V2) 会 由 电 压 量 测信 道 透 过 电 阻 分 压 器 对 R1 与 R2 加 以 撷 取 。 利 用 另 一 颗 微 转 换 器 与 另 一 个 电 阻 分 压 器对 复 制 堆 栈 电 压 量 测 结 果 , 也 是 个 聪 明 的 作 法 , 其 目 的 是 为 了 用 来 做 读 数 的 比 较 , 而 且在 容 许 的 误 差 之 内 应 该 会 相 等 。 其 它 的 微 转 换 器 与 电 阻 分 压 器 对 可 以 用 来 量 测 图 1 当中 的 V1 与 V3 电 压 。 电 压 V3 主 要 是 被 Blackfin 用 来 执 行 dc 对 dc 变 频 器 的 , 但 是 在电 源 启 动 以 监 测 变 频 器 电 容 之 预 充 电 方 面 也 很 有 用 , 而 且 为 了 安 全 的 目 的 下 , 用 来 判 定3 组 接 触 器 (RL1 到 RL3) 的 状 态 时 , 显 然 也 很 有 用 。