蓄電池組防止過充電保護(hù)控制研究

汪宗銀

（國家電投集團(tuán)貴州金元鴨溪發(fā)電有限公司，貴州遵義 563108）

0 引言

近年來，蓄電池在交通、通信、電力等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為了提高輸出電壓，一般將單體蓄電池串聯(lián)起來，在工作過程中常常出現(xiàn)過充電、過放電等情況，導(dǎo)致電池效率降低，使用壽命受到影響，甚至出現(xiàn)安全問題。對此，應(yīng)積極采取有效措施進(jìn)行保護(hù)控制，提高充電安全性、高效性。

1 蓄電池組充電的缺陷

現(xiàn)階段，大多數(shù)備用電源中的能量存儲均依靠蓄電池的作用。為了提高供電持續(xù)性，勢必要提高蓄電池組性能?？紤]到技術(shù)、資金等因素，常用的是采用單充電機(jī)對整組串聯(lián)蓄電池進(jìn)行充電。將充電機(jī)調(diào)整到恒壓限流形式，與電池組并聯(lián)，如果電池組容量損失后，充電機(jī)將自動對其進(jìn)行補(bǔ)充，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，卻存在以下問題。

1.1 蓄電池差異

對于單體蓄電池來說，即使是同一批次出廠，在電池特性方面也存在差異，特別是國產(chǎn)電池更加明顯，因此在電池工作過程中，將其看成一個(gè)整體充電或者放電，難以根據(jù)電池工作參數(shù)、狀態(tài)進(jìn)行充放電，必然導(dǎo)致部分電池出現(xiàn)過充電，部分電池欠充電，部分電池過放電情況，這也可以解釋為何蓄電池在整體運(yùn)行過程中普遍無法滿足標(biāo)準(zhǔn)壽命的問題。

1.2 充電檢測

在電池運(yùn)行過程中，要想對其電壓、內(nèi)阻等進(jìn)行檢測難度系數(shù)較大。目前，應(yīng)用較為頻繁的是額外加裝蓄電池檢測裝置的方式，但后安裝的裝置與充電機(jī)之間的配合不夠緊密。由此可見，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中無法根據(jù)蓄電池狀態(tài)、充電曲線等對電池進(jìn)行管理，加上額外安裝檢測裝置還會導(dǎo)致成本增加，因此得不償失。

1.3 充電方式缺陷

在半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展之下，高頻開關(guān)電源誕生，具有體積小、自重輕、效率高、噪音小等優(yōu)勢，可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)晶閘管電源的弊端，獲得廣泛應(yīng)用。但是，如若采用傳統(tǒng)安裝方案，由于充電機(jī)所需的電壓、輸出容量相對較大，且對技術(shù)、器件、工藝具有嚴(yán)格要求，IGBT 幾乎無法超過20 kHz，但MOS-FET 在應(yīng)用到大電流回路中后，起結(jié)壓降較大，導(dǎo)致發(fā)熱量上升，因此受工藝、器件等因素影響，輸出容量要想大于6 kW 難度較大，因此往往采用小模塊并聯(lián)均流的方式。但是，由于模塊數(shù)量較多，又較為繁雜，導(dǎo)致可靠性受到影響，因此提出N+1 冗余備份，導(dǎo)致技術(shù)上陷入死循環(huán)。

2 蓄電池組充電特性的影響因素

在離網(wǎng)型光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)展系統(tǒng)運(yùn)行過程中，蓄電池常常出現(xiàn)提早失效情況，給用戶帶來不良影響。究其原因，主要受控制器性能影響，不但會降低系統(tǒng)發(fā)電效率，減少發(fā)電量，還會對蓄電池的使用壽命產(chǎn)生不良影響，如若充電保護(hù)器長期無法對蓄電池中的過充電進(jìn)行保護(hù)，長此以往，蓄電池中的可用容量隨之減少，勢必加速電池組失效。對此，本文針對電池組充電特性的主要影響因素進(jìn)行分析，具體如下。

2.1 充電特性

以鉛酸蓄電池為例，電池充電共計(jì)經(jīng)歷3 個(gè)階段（圖1）：首先是OA 階段，電壓的數(shù)值不斷升高；然后是ABC 階段，電壓值緩慢上升且持續(xù)時(shí)間較長；C 點(diǎn)為充電的末期，此時(shí)的電化反應(yīng)已經(jīng)進(jìn)入尾聲；在與D 點(diǎn)相近的位置，電壓數(shù)值飛速提升，負(fù)極析出氫氣，正極析出氧氣，水被分解。通過上述情況可知，D 點(diǎn)代表的是電池已經(jīng)充滿電，應(yīng)立即停止充電，以免對電池造成損壞。

2.2 電流影響

對于鉛酸蓄電池來說，電池的充電特性與電流大小之間存在緊密聯(lián)系。在相同溫度下，當(dāng)電流數(shù)值增加時(shí)，充電終點(diǎn)電壓的數(shù)值將升高，充電時(shí)長將縮短；反之，當(dāng)電流數(shù)值減小時(shí)，充電終點(diǎn)的電壓值將降低，充電市場將延長。在光伏與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，電池組中的電流與日照、風(fēng)力等因素還存在聯(lián)系，由此可推斷出，蓄電池充電終點(diǎn)的電壓也隨之發(fā)生改變。

圖1 鉛酸蓄電池充電特性

2.3 溫度影響

以鉛酸蓄電池為例，該電池的充電特性與電解液溫度之間存在緊密聯(lián)系。在相同電流大小的情況下，當(dāng)溫度降低時(shí)，充電終點(diǎn)的電壓將提高，充電時(shí)間縮短。反之，當(dāng)溫度升高時(shí)，終點(diǎn)電壓將下降，充電時(shí)間會延長。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，電池中的電解液溫度還會受到季節(jié)因素影響，呈現(xiàn)出周期性的改變，還可能受到充電影響而產(chǎn)生經(jīng)常性的波動，以此為依據(jù)可對電池終點(diǎn)電壓的變化情況進(jìn)行分析和判斷[1]。

3 蓄電池組防止過充電保護(hù)控制實(shí)驗(yàn)

動力UPS 主要在抗電網(wǎng)閃絡(luò)中得以應(yīng)用，可使化工生產(chǎn)裝置的閃絡(luò)問題得到有效解決，為生產(chǎn)裝置提供動力UPS。UPS 儲能設(shè)備主要由2～40 只電壓為2～36 V 的鉛酸蓄電池串聯(lián)而成，由于應(yīng)用的對象有所區(qū)別，蓄電池管控系統(tǒng)無法滿足電池組的充電要求，因此需要采取有效措施解決UPS 蓄電池組充放電管理問題，以此提高UPS 的高效運(yùn)行。

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

以某型號的12 V 電壓鉛酸蓄電池為例，主要包括6 個(gè)2 V的單格蓄電池，以串聯(lián)的形式組合而成。根據(jù)技術(shù)規(guī)范，在0～40 ℃，充電電壓一個(gè)單格蓄電池為2.27 V，放電電壓為1.75 V，由此可知滿電狀態(tài)下的蓄電池電壓最大值為13.6 V，放電時(shí)電壓最小值為10.5 V。將20 只蓄電池以串聯(lián)的形式結(jié)合，在滿電狀態(tài)下電壓總量為544 V，電壓最小值為420 V。以UPS 蓄電池組為例，采用恒電流與恒電壓聯(lián)合充電的方式，在電池充電后續(xù)通常為恒電壓充電。根據(jù)實(shí)際充電需求，可采用一臺充電機(jī)對蓄電池進(jìn)行充電，也可采用多臺充電，將恒電流與恒電壓結(jié)合起來，形成蓄電池管理系統(tǒng)。

3.2 問題產(chǎn)生

在應(yīng)用過程中，因長期處于浮充電狀態(tài)，一些電池的溫度與同組其他電池相比較高，但內(nèi)阻仍處于正常狀態(tài)，在沒有放電時(shí)，正負(fù)極之間的電壓也處于正常范圍。在維護(hù)放電過程中，發(fā)現(xiàn)電壓急速降低，但在充電狀態(tài)下電壓又飛速上升，個(gè)別蓄電池的電壓卻無法恢復(fù)到正常狀態(tài)，內(nèi)阻數(shù)值也相對較大。在實(shí)驗(yàn)中的UPS 裝置中安裝兩組蓄電池，分別計(jì)為1#和2#，與2#相比，1#的運(yùn)行狀態(tài)較佳，電壓均衡性較強(qiáng)，因此采用2#進(jìn)行測試，電池規(guī)格為電壓12 V，蓄能為120 A·h。將40只蓄電池串聯(lián)起來，在充電結(jié)束后，也就是當(dāng)電池電壓總數(shù)達(dá)到544 V 時(shí)，并非全部電池均存在過充電情況，只有5 只達(dá)到14 V 以上，還有一些電池處于欠充電狀態(tài)，最低電壓值在11 V 以下。蓄電池在出廠時(shí)充電性能大致相同，但經(jīng)過一段時(shí)間的應(yīng)用后，勢必會產(chǎn)生偏差，且隨著時(shí)間的不斷推移，偏差值不斷擴(kuò)大。當(dāng)多只蓄電池以串聯(lián)的形式同時(shí)充電時(shí)，電池容量的差異增加，勢必出現(xiàn)相同充電時(shí)間與電流對于不同電壓來說數(shù)值上升的速度也不盡相同。在充電過程中，未對單只蓄電池進(jìn)行限壓，一些電池組出現(xiàn)過充電情況，一些則出現(xiàn)欠充電情況。

3.3 解決方法

在本實(shí)驗(yàn)中，將標(biāo)稱為12 V 電壓的40 只蓄電池串聯(lián)起來，最大限制電壓為13.6 V，一些蓄電池狀態(tài)并非滿電，電壓值小于13.3 V，由于預(yù)留一定的可調(diào)整范圍，即使存在非滿電的電池，充電機(jī)也不會對其一直充電，從而可有效防止單個(gè)電池出現(xiàn)過電壓情況。這樣做不但可使大部分情況得以滿足，還可確保蓄電池充放電正常。在特殊情況下，如若存在許多電池電壓過低且12 V 調(diào)整電壓不符合需求的情況，則應(yīng)安裝報(bào)警或者聯(lián)鎖停機(jī)等裝置。一些充電機(jī)具有自動調(diào)節(jié)功能，則無需考慮此類問題，但是不具備對所有非滿電狀態(tài)的蓄電池進(jìn)行單獨(dú)充電的功能。在本方案設(shè)計(jì)中，對充電電壓進(jìn)行調(diào)整，將數(shù)值設(shè)置到532 V，這樣可以使大部分電池?zé)o法充到最高電壓。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，蓄電池電壓的最佳狀態(tài)為13.3 V，實(shí)際容量降低的數(shù)值不多。由于蓄電池的性能不同，對于未充到13.3 V 左右的電壓，可發(fā)揮其他電池的作用，對剩余電壓進(jìn)行分配，但每只電池的電壓均低于13.6 V。蓄電池充電檢測單元可對充電行為進(jìn)行有效控制，在本方案中，如若有超過50%的蓄電池已經(jīng)達(dá)到滿電的標(biāo)準(zhǔn)，便認(rèn)已經(jīng)完成本次充電任務(wù)，處于浮充電狀態(tài)。如若此次充電的電流數(shù)值超過5 A，且保持5 min，此時(shí)充電檢測單元便會自動發(fā)生報(bào)警，提醒管理者對其進(jìn)行處理[2]。

3.4 應(yīng)用效果

3.4.1 控制板運(yùn)行狀態(tài)

將保護(hù)控制裝置設(shè)置在動力UPS 中，將充電電流分為3 個(gè)階段，分別為1 A、10 A 和30 A，在充電電流的背景下實(shí)施，電壓數(shù)值為532 V，將限壓單元設(shè)置為13.3 V。在電流為30 A 的狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)行8 h，室溫30 ℃，關(guān)鍵器件溫度均低于75 ℃，與器件的運(yùn)行溫度條件相符合。在電流為10 A 的狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，被限壓充電的蓄電池電壓數(shù)值發(fā)生變化，在13.3～13.6 V，與之并聯(lián)的限壓控制單元中電流在0.1～10 A 之間浮動，電池電流則在10 A 到0.1 A 之間浮動，與設(shè)計(jì)情況充分符合。

3.4.2 蓄電池充電情況

將保護(hù)控制安裝到蓄電池后，在充電結(jié)束時(shí)便可對不同蓄電池的電壓情況進(jìn)行觀察和分析。從結(jié)果可以看出，對于不同蓄電池來說，在充電結(jié)束后電壓值均超過13 V，電壓最低值13.16 V、最高值13.57 V。其中，16#、21#、26#、36#、39%與40#電池經(jīng)過限壓控制之后，均被控制在13.6 V 之內(nèi)；06#蓄電池的電壓不超過11 V，在限壓控制后電壓數(shù)值達(dá)到13.16 V。在電壓被限制之前與之后進(jìn)行對比可知，限壓后的電池電壓一致性明顯優(yōu)于限壓之前。采用20 Ω 放電電阻對第2 組電池在充電后進(jìn)行放電，當(dāng)電壓降低到460 V 時(shí)，電流為23.50 A，持續(xù)放電165 min，再對其進(jìn)行限壓控制；在充電完畢后，持續(xù)放電165 min，此時(shí)電流數(shù)值為23.90 A，電壓為467 V。為了減少蓄電池充電的實(shí)際電量受到充電先后次序的影響，在充電結(jié)束后開展放電實(shí)驗(yàn)，仍然采用20 Ω 的放電電阻，當(dāng)放電時(shí)間為165 min 時(shí)，放電電壓數(shù)值降低到461 V 時(shí)，電流為23.53 A，但由于變化過小可以忽略不計(jì)，不會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生太大影響。

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在蓄電池組中未安裝充電保護(hù)時(shí)，無論是電壓一致性還是儲能情況，均沒有安裝保護(hù)裝置的效果好。因此，應(yīng)將充電保護(hù)裝置安裝其中，使蓄電池組中的放電容量得以提升。對于變頻器負(fù)載來說，通常關(guān)斷電壓在420～440 V，要求電池組的電壓超過440 V。在本方案中采用460 V 電池組為終止電壓，應(yīng)預(yù)留安全余量，確保安全可靠。

4 結(jié)論

綜上所述，在日常蓄電池應(yīng)用中，為了提高輸出電壓通常將多個(gè)電池串聯(lián)起來使用，針對在工作過程中出現(xiàn)的過充電、過放電等情況，應(yīng)通過安裝充電保護(hù)裝置的方法，有效防止過充電情況發(fā)生，降低蓄電池自燃、自爆的風(fēng)險(xiǎn)，提高電池使用效率與壽命，滿足現(xiàn)實(shí)需求。