鉛酸電池充放電機(jī)的選型及應(yīng)用

汪敏

(江蘇先特能源裝備有限公司，江蘇南京211100)

鉛酸電池充放電機(jī)的選型及應(yīng)用

汪敏

(江蘇先特能源裝備有限公司，江蘇南京211100)

化成是蓄電池生產(chǎn)過程中一道重要的工序，而其中充放電設(shè)備的選擇也是至關(guān)重要的。隨著鉛酸蓄電池準(zhǔn)入條件的實(shí)施，綠色、節(jié)能、環(huán)保深入了行業(yè)內(nèi)的每一個(gè)企業(yè)，充放電設(shè)備類型有多種，可控硅充放電設(shè)備、母線式充放電設(shè)備、母線式并網(wǎng)逆變充放電設(shè)備、整流逆變一體機(jī)充放電設(shè)備、電壓巡檢配組等，將通過數(shù)據(jù)對比選擇適合企業(yè)的性價(jià)比高的充放電設(shè)備。

母線式；配組；并網(wǎng)逆變一體

鉛酸蓄電池的化成：簡單的說是將涂膏后的生極板進(jìn)行固化干燥后放于稀硫酸電解液中，經(jīng)過電化學(xué)的氧化和還原，使正極板的大部分活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化鉛，而負(fù)極板的大部分活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為海綿狀金屬鉛的一種過程[1]。

極板的化成方法普遍使用的有兩種：(1)使用化成槽的化成方法，通常稱作外化成；(2)直接將生板放在電池殼內(nèi)進(jìn)行的電池化成方法，通常稱作內(nèi)化成。由于環(huán)保的因素，目前新上項(xiàng)目原則上不能使用外化成方法，故內(nèi)化成成為一種必然的選擇。

化成的實(shí)現(xiàn)，必然要使用到充放電機(jī)，可是面對市場上各種各樣功能的設(shè)備，使得蓄電池企業(yè)花了不少時(shí)間去分析、了解及選型，所以研究充放電機(jī)充放電的區(qū)別及該如何選型的注意事項(xiàng)是很有必要的。

1 不同規(guī)格的對比

近兩年介紹得最多的是并網(wǎng)逆變放電，對此我們在理論分析的基礎(chǔ)上還從實(shí)際生產(chǎn)狀況中進(jìn)行了判斷。

1.1 可控硅和IGBT的比較

360 VDC-30A設(shè)備在相同工作回路數(shù)、相同的電池和數(shù)量、同樣的工藝參數(shù)在充電的條件下測量的可控硅式充放電機(jī)和IGBT母線式充放電機(jī)比較如圖1及圖2所示。表1為360VDC-30A共三回路工作時(shí)數(shù)據(jù)對比。

圖1 可控硅測試數(shù)據(jù)

圖2 IGBT測試數(shù)據(jù)

表1 36OVDC-3OA 共三回路工作時(shí)數(shù)據(jù)對比

由此我們可從三個(gè)方面具體分析：

(1)提高了變壓器利用率

以額定電壓220 V，總功率為5 000 kV·A的變壓器為例；能帶電壓為220 VAC，功率為5 kVA的設(shè)備數(shù)量如表2所示。

表2 配電變壓器總功率不變情況下用可控硅與IGBT所用臺(tái)數(shù)

同樣容量的變壓器在不增加成本的情況下，用可控硅的充放電機(jī)時(shí)設(shè)備數(shù)量比用IGBT的充放電機(jī)少351.8臺(tái)，如果用可控硅充放電機(jī)設(shè)備數(shù)量要用到961.5臺(tái)，工廠變壓器就要容量提高57.7%，必然增加成本。

(2)減少供電線路壓降和能量損耗

表3 可控硅與IGBT所做設(shè)備線損對比

(3)避免因?yàn)楣β室蛩氐捅还╇姺搅P款

由此可見，選用IGBT的充放電機(jī)更好。

1.2 IGBT母線式充放電機(jī)電阻放電和并網(wǎng)逆變放電的比較

以測試的母線式充放電機(jī)的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表4所示，如：0.8 A充電(臺(tái)數(shù))表示在某一時(shí)刻以0.8 A充電的充電機(jī)臺(tái)數(shù)(每臺(tái)30回路)，通過同一時(shí)間測量統(tǒng)計(jì)的充電和放電功率來記錄的數(shù)據(jù)。

表4 12 V12 Ah充放電瞬時(shí)功率記錄

通過連續(xù)一周的數(shù)據(jù)測試得出以下結(jié)論：(1)車間充放電機(jī)的母線上充電的功率需求大于放電的輸出功率，放電控制系統(tǒng)始終沒有工作過(逆變系統(tǒng)和電阻絲均沒工作過),也就是說不是所有的母線式充放電機(jī)都需配逆變，因?yàn)闆]有多余電能放出；(2)選擇配逆變的母線式充放電機(jī)的配套數(shù)不是固定的，根據(jù)工廠實(shí)際工藝和生產(chǎn)狀況配比，也就是我們常說的普通的和帶逆變的配比數(shù)；(3)理論上能量逆變回饋比電阻放電省電，但前提是母線上有多余的電能，同時(shí)逆變回電網(wǎng)的電有負(fù)載使用。

1.3 IGBT母線并網(wǎng)逆變和整流逆變一體機(jī)的比較

(1)IGBT母線并網(wǎng)逆變功能是：只有當(dāng)母線電壓高于我們設(shè)定的母線電壓時(shí)，并網(wǎng)逆變器開始工作，使母線電壓不會(huì)高于某個(gè)設(shè)定電壓值。只有當(dāng)實(shí)際生產(chǎn)工藝中存在放出的電高于充電的需求時(shí)才需要配此類逆變器。

(2)整流逆變一體機(jī)功能是：當(dāng)充電工作開始時(shí)，此設(shè)備處于整流狀態(tài)，為充電機(jī)提供能量；當(dāng)放電工作開始時(shí)，此設(shè)備處于逆變狀態(tài)，把能量釋放回電網(wǎng)。這個(gè)設(shè)備完全可以獨(dú)立充放電并網(wǎng)工作。

1.4 電壓巡檢配組儀在電動(dòng)自行車的應(yīng)用

蓄電池組不配組的不利處為：在同一蓄電池組內(nèi)如果某只電池內(nèi)阻偏大，當(dāng)整組電池充滿的時(shí)侯該只電池充電會(huì)過充，反過來當(dāng)整組電池放完電時(shí)該只電池會(huì)過放。如此就造成了惡性循環(huán)，并且會(huì)加速該只電池老化，故而整組電池就發(fā)揮不了正常的效能了。

電壓巡檢測量的電池電壓數(shù)值間接反映了電池的容量，此時(shí)的電壓配組實(shí)際上就是容量配組。因此可用兩種方法進(jìn)行配組：首先針對10～22只電池串聯(lián)起來形成電池組，根據(jù)電池個(gè)數(shù)設(shè)定終止電壓和放電電流，當(dāng)放電到平均每只電池電壓9.6～10.5 V時(shí)終止，并自動(dòng)記錄每只電池端電壓，取端電壓相近(一般要求≤0.05 V)的為一組。另外一種方法是對單只電池進(jìn)行工作的充放電機(jī)，設(shè)定一個(gè)放電終止電壓值可取l0.5 V，放電終止后根據(jù)終止時(shí)記錄的時(shí)間進(jìn)行配組，可允許時(shí)間誤差≤0.5 min內(nèi)。配組時(shí)將符合設(shè)定條件的電池放在一起，這是配組的第一步；第二步是電池的端電壓配組，容量配組好的電池靜置24 h后，測量電池的端電壓，端電壓一致(規(guī)定每組誤差≤0.02 V)的電池才可以，最后配成一組包裝后出廠。所有這些設(shè)定條件都可在電腦上設(shè)置，并自動(dòng)傳送到巡檢配組系統(tǒng)，在工作過程中如果上位機(jī)出現(xiàn)各種原因的斷線或故障，所有記錄數(shù)據(jù)全部存于中位機(jī)，電腦恢復(fù)后可自動(dòng)讀取。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 工作框圖

母線充放電控制組成的設(shè)計(jì)采用帶AD轉(zhuǎn)換的DSP去控制[2]。主要組成部分包括：(1)IGBT整理、逆變模塊；(2)母線電壓、電流互感器；(3)母線電壓、電流調(diào)理電路；(4)三相電壓、電流互感器；(5)三相電壓、電流調(diào)理電路；(6)PWM驅(qū)動(dòng)模塊；(7) DSP控制器CPU模塊；(8)PWM驅(qū)動(dòng)模塊；(9)485通訊、報(bào)警、啟動(dòng)、復(fù)位等由不同的模塊組成，如圖3所示。

圖3 母線充放電控制組成示意圖

2.2 工作原理

(1)根據(jù)設(shè)定母線電壓的大小，通過電壓、電流傳感器的反饋，在整流、逆變控制器的PWM電路作用下，使母線電壓穩(wěn)定，電流控制在額定范圍內(nèi)，并且采樣三相電壓使之與電網(wǎng)同步形成，采樣三相電流使三相負(fù)載平衡，不管是整流還是逆變，功率因素都可以做到接近1。

(2)當(dāng)母線電壓控制成功后，充放電系統(tǒng)按照Buck電路和Boost電路工作在設(shè)定的工作程序中，充放電系統(tǒng)和母線控制系統(tǒng)組成了IGBT母線一體機(jī)，諧波和功率因素都得到了進(jìn)一步優(yōu)化。

圖4 IGBT-PWM逆變驅(qū)動(dòng)電路工作原理圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 IGBT-PWM驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)計(jì)

圖4所示的是IGBT逆變驅(qū)動(dòng)電路工作原理圖，該驅(qū)動(dòng)電路包含了過流檢測、軟啟動(dòng)、上下橋保護(hù)、及一些輔助電路構(gòu)成三相全橋整流逆變控制系統(tǒng)[3-4]。

圖5所示的是輸入三相交流電流經(jīng)過電流互感器流入R405、R205電阻采樣后，經(jīng)過運(yùn)放后到達(dá)AD模塊，送給CPU采樣處理數(shù)據(jù)[5-6]。

圖5 三相交流電流調(diào)理電路

圖6所示的是輸入母線直流電流經(jīng)過電流互感器流入R96、R101電阻采樣后，經(jīng)過運(yùn)放后到達(dá)AD模塊，送給CPU采樣處理數(shù)據(jù)，確保變壓器母線功率在額定范圍內(nèi)工作[5]。

圖6 母線回路電流調(diào)理電路

3.2 通訊接口單元

本單元使用RS-485標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信號(hào)，硬件主要為485通訊IC和附加的保護(hù)電路，120 Ω可選擇并聯(lián)電阻。能通過通訊設(shè)定P、I調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)，電壓標(biāo)定、電流標(biāo)定、標(biāo)幺值顯示、功率因素顯示、功率大小顯示每相電流顯示、每相電壓顯示等數(shù)據(jù)送到觸摸屏顯示或上位機(jī)進(jìn)行記錄以方便以后查詢[7]。

4 結(jié)論

充放電機(jī)在電池化成中是一道不可或缺的工序，我們在選型時(shí)一定要根據(jù)實(shí)際情況來配比逆變系統(tǒng)，不是說用了并聯(lián)逆變器系統(tǒng)就能節(jié)電，而且還要有必要的條件下才能達(dá)到節(jié)能的效果；使用IGBT的充放電功率因素肯定比可控硅的高，好處主要體現(xiàn)在提高功率因素、提高變壓器利用率、降低線路損耗，所以IGBT是首選；為了減少人工因素的影響和提高數(shù)據(jù)的及時(shí)性、可靠性，巡檢配組的選擇也是勢在必行。我們不僅要重視了解設(shè)備工作原理，而且要掌握選型技巧，只有這樣對于用戶來說會(huì)達(dá)到事半功倍的效果，對提高電池產(chǎn)品品質(zhì)和減少設(shè)備的投入有著不可估量的作用。

[1] 劉廣林.鉛酸蓄電池工藝學(xué)概論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2] 劉陵順.TMS320F28335DSP原理及開發(fā)編程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[3]WU B.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率變換與控制[M].衛(wèi)三民，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[4] 何啟晨.電動(dòng)汽車車載充放電機(jī)功率變換拓?fù)浼捌淇刂撇呗匝芯縖D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[5]郭東亮.模擬電路[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[6]王選民.基于采樣值平方分配的交流信號(hào)測量[J].電氣自動(dòng)化，2007(5)：45-47.

[7]ANDREW N，SLOSS.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)：軟件設(shè)計(jì)與優(yōu)化[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

Selection and application of lead-acid battery charging and discharging machine

WANG Min

Formation is an important procedure in the process of battery making,and the choosing of charger and discharger plays a crucial role.With the implementation of the lead-acid battery access conditions,Green,energy saving and environmental protection concept go deep into every battery making company in the industry.The charger and discharger has many types,such as SCR,busbar,busbar grid connected with inversion,rectification and inversion all in one machine charger and discharger and voltage monitor matching group machine.The suitable and high cost-effective chargers and discharger was chosen through data comparison.

busbar type；matching group；grid connected with inversion machine

TM 912

A

1002-087 X(2015)04-0790-03

2014-09-05

汪敏(1973—)，男，江蘇省人，碩士生，電氣總工程師，主要研究方向?yàn)閼?yīng)用電子信息工程。