汪宗銀

（國家電投集團貴州金元鴨溪發(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行保護控制，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對整組串聯(lián)蓄電池進行充電。將充電機調(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，充電機將自動對其進行補充，但是在實際應(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，將其看成一個整體充電或者放電，難以根據(jù)電池工作參數(shù)、狀態(tài)進行充放電，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行過程中普遍無法滿足標準壽命的問題。

1.2 充電檢測

在電池運行過程中，要想對其電壓、內(nèi)阻等進行檢測難度系數(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之間的配合不夠緊密。由此可見，在系統(tǒng)運行過程中無法根據(jù)蓄電池狀態(tài)、充電曲線等對電池進行管理，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、風力發(fā)展系統(tǒng)運行過程中，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，如若充電保護器長期無法對蓄電池中的過充電進行保護，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，電池充電共計經(jīng)歷3 個階段（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)時間較長；C 點為充電的末期，此時的電化反應(yīng)已經(jīng)進入尾聲；在與D 點相近的位置，電壓數(shù)值飛速提升，負極析出氫氣，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，當電流數(shù)值增加時，充電終點電壓的數(shù)值將升高，充電時長將縮短；反之，當電流數(shù)值減小時，充電終點的電壓值將降低，充電市場將延長。在光伏與風力發(fā)電系統(tǒng)中，電池組中的電流與日照、風力等因素還存在聯(lián)系，由此可推斷出，蓄電池充電終點的電壓也隨之發(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，當溫度降低時，充電終點的電壓將提高，充電時間縮短。反之，當溫度升高時，終點電壓將下降，充電時間會延長。在風力發(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)可對電池終點電壓的變化情況進行分析和判斷[1]。

3 蓄電池組防止過充電保護控制實驗

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 的高效運行。

3.1 實驗材料

以某型號的12 V 電壓鉛酸蓄電池為例，主要包括6 個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)實際充電需求，可采用一臺充電機對蓄電池進行充電，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，正負極之間的電壓也處于正常范圍。在維護放電過程中，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。在實驗中的UPS 裝置中安裝兩組蓄電池，分別計為1#和2#，與2#相比，1#的運行狀態(tài)較佳，電壓均衡性較強，因此采用2#進行測試，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，也就是當電池電壓總數(shù)達到544 V 時，并非全部電池均存在過充電情況，只有5 只達到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。蓄電池在出廠時充電性能大致相同，但經(jīng)過一段時間的應(yīng)用后，勢必會產(chǎn)生偏差，且隨著時間的不斷推移，偏差值不斷擴大。當多只蓄電池以串聯(lián)的形式同時充電時，電池容量的差異增加，勢必出現(xiàn)相同充電時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

在本實驗中，將標稱為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，充電機也不會對其一直充電，從而可有效防止單個電池出現(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)安裝報警或者聯(lián)鎖停機等裝置。一些充電機具有自動調(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)的蓄電池進行單獨充電的功能。在本方案設(shè)計中，對充電電壓進行調(diào)整，將數(shù)值設(shè)置到532 V，這樣可以使大部分電池無法充到最高電壓。根據(jù)以往經(jīng)驗，蓄電池電壓的最佳狀態(tài)為13.3 V，實際容量降低的數(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行有效控制，在本方案中，如若有超過50%的蓄電池已經(jīng)達到滿電的標準，便認已經(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，此時充電檢測單元便會自動發(fā)生報警，提醒管理者對其進行處理[2]。

3.4 應(yīng)用效果

3.4.1 控制板運行狀態(tài)

將保護控制裝置設(shè)置在動力UPS 中，將充電電流分為3 個階段，分別為1 A、10 A 和30 A，在充電電流的背景下實施，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)運行8 h，室溫30 ℃，關(guān)鍵器件溫度均低于75 ℃，與器件的運行溫度條件相符合。在電流為10 A 的狀態(tài)下運行時，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)計情況充分符合。

3.4.2 蓄電池充電情況

將保護控制安裝到蓄電池后，在充電結(jié)束時便可對不同蓄電池的電壓情況進行觀察和分析。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)值達到13.16 V。在電壓被限制之前與之后進行對比可知，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 組電池在充電后進行放電，當電壓降低到460 V 時，電流為23.50 A，持續(xù)放電165 min，再對其進行限壓控制；在充電完畢后，持續(xù)放電165 min，此時電流數(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)束后開展放電實驗，仍然采用20 Ω 的放電電阻，當放電時間為165 min 時，放電電壓數(shù)值降低到461 V 時，電流為23.53 A，但由于變化過小可以忽略不計，不會對實驗結(jié)果產(chǎn)生太大影響。

3.5 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明，在蓄電池組中未安裝充電保護時，無論是電壓一致性還是儲能情況，均沒有安裝保護裝置的效果好。因此，應(yīng)將充電保護裝置安裝其中，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、自爆的風險，提高電池使用效率與壽命，滿足現(xiàn)實需求。