蓄電池組防止過充電保護(hù)控制

宋江頌

（江蘇德力化纖有限公司，江蘇 宿遷　223800）

蓄電池組被廣泛應(yīng)用于交通、電氣、通信及自動化等領(lǐng)域，需要存儲電能供電的設(shè)備，可起到移動式或固定安裝式直流供電的作用。在蓄電池組存儲的電能釋放完后，需要對其進(jìn)行充電，以便再次使用。蓄電池組一般是以2～40只單只蓄電池串聯(lián)或并聯(lián)使用（充電或放電），電動汽車電池組有的可能是以96只串聯(lián)使用。即便是同種規(guī)格的蓄電池串聯(lián)充電，蓄電池的電性能也各有差異（比如容量、內(nèi)阻、工作電壓等），充電回路是將蓄電池組看作單個高壓蓄電池，每次都對整個蓄電池組進(jìn)行充電。如果蓄電池組中的某個蓄電池容量稍微低于其他的蓄電池，那么經(jīng)過多個充電/放電周期后，其充電狀態(tài)將逐漸偏離其他蓄電池。如果這個蓄電池的充電狀態(tài)沒有周期性地與其他蓄電池平衡，那么最終將進(jìn)入深度放電狀態(tài)，從而導(dǎo)致?lián)p壞。這時，如果繼續(xù)對蓄電池組進(jìn)行充電，就會出現(xiàn)有的蓄電池還遠(yuǎn)沒有充滿電，而有的蓄電池已經(jīng)發(fā)生過充電的現(xiàn)象。蓄電池長期過充電對蓄電池的危害非常大[1-2]，甚至?xí)鹦铍姵氐娜紵虮?。所以，為防止這種情況發(fā)生，防止蓄電池的過充電非常地必要。而目前串聯(lián)蓄電池組充電中防止單只蓄電池過充電的技術(shù)只在電動汽車的電池管理控制系統(tǒng)中有應(yīng)用[3-4]，是一個快速充電和連續(xù)的放電過程。在充電過程中，并不能保證串聯(lián)蓄電池組內(nèi)的每只蓄電池電壓保持一致，在充電過程中和使用過程中經(jīng)過多次均衡才能達(dá)到各只蓄電池電壓基本一致[5-6]。并不能實(shí)現(xiàn)充、放電全過程的均壓控制。當(dāng)發(fā)生過充和電壓不平衡時，進(jìn)行多次的能量轉(zhuǎn)移，經(jīng)歷一定的時間才能達(dá)到均壓。這在快速充電時，會發(fā)生個別蓄電池的過電壓或使整組蓄電池不能充滿電的情況，是事后的及時補(bǔ)救。

本文論述的是，應(yīng)用于動力 UPS[7]防止串聯(lián)蓄電池組在充電過程中任意一只蓄電池過充電，與電動汽車蓄電池組的工作過程有很大的不同。

1　概述

動力 UPS應(yīng)用于抗電網(wǎng)閃絡(luò)[8-9]，是化工生產(chǎn)裝置抗電網(wǎng)閃絡(luò)的一種很好的解決方案，有越來越多的化工生產(chǎn)裝置應(yīng)用動力UPS。動力UPS的儲能設(shè)備是由 2～40只額定電壓 2～36V鉛酸蓄電池串聯(lián)組成的。其工作特性是一個長時期的浮充電和瞬間大電流放電的過程。要求在蓄電池放電后，在較短的時間內(nèi)（0～12h內(nèi)，視蓄電池組的放電深度而定）就能一次對蓄電池組充滿電，然后一直處于浮充電狀態(tài)，直到蓄電池組再次放電為止。蓄電池組工作放電時，持續(xù)時間只有幾秒鐘甚至是毫秒級的，但放電電流是幾倍于蓄電池組 I3[10]的大電流放電，然后又快速充滿電，如此重復(fù)工作[11]。蓄電池組工作放電是在動力UPS檢測到電網(wǎng)閃絡(luò)時向其所帶負(fù)載供電的過程。從這里可以看出，動力UPS的各只蓄電池，只要在充電時不會發(fā)生過充電，由于長時期的浮充電狀態(tài)，就能保證每只蓄電池都能充滿電。只有在蓄電池都充滿電時，才能保證動力UPS能夠可靠的工作。

動力UPS蓄電池組充電時，是否充滿電是按整組的額定電壓進(jìn)行判定。分兩個充電階段，起初是以恒流充電，當(dāng)電池組電壓達(dá)到一定值后進(jìn)行恒壓充電。目前，動力UPS的充電控制系統(tǒng)并不能保證串聯(lián)蓄電池組內(nèi)每個蓄電池都能充電到其額定電壓。一旦個別蓄電池性能變差，充不上電或充不滿電，在總電壓一定的情況下，根據(jù)串聯(lián)分壓原理，就會導(dǎo)致其他的蓄電池過充電，或過充電的蓄電池會導(dǎo)致其他的蓄電池不能充滿電。蓄電池過充電對其損害很大，蓄電池經(jīng)常充不滿電不僅影響蓄電池的性能，也使動力 UPS工作的可靠性下降，這將影響動力UPS的抗電網(wǎng)閃絡(luò)的能力。因此，動力 UPS串聯(lián)蓄電池組的充電系統(tǒng)就要具有在一套充電電源的情況下，滿足每一只蓄電池都能夠在快速充電時不會發(fā)生過充電，進(jìn)入浮充狀態(tài)時都能夠充滿電的控制設(shè)備。

從動力UPS的工作過程可以看出，電動汽車的蓄電池管理控制系統(tǒng)，由于應(yīng)用的對象不同，并不適用于動力UPS串聯(lián)蓄電池組的充電要求，其本身的優(yōu)缺點(diǎn)[12]不是本文討論的重點(diǎn)，這里不再做詳細(xì)的分析。目前動力UPS蓄電池組的管理控制系統(tǒng)，還不是很完善。如果不解決好動力UPS蓄電池組的充放電管理控制問題，將不能保證動力UPS的功能的可靠性。

以某型標(biāo)稱12V額定電壓的鉛酸蓄電池（以下簡稱蓄電池）為例，由6個額定2V的單格（單體）蓄電池串聯(lián)組成。按照該型蓄電池的技術(shù)規(guī)范，在0℃～40℃范圍內(nèi)，推薦的充電電壓一個單格蓄電池是2.27V，放電終止電壓是1.75V。這樣，一只蓄電池在充滿電時的允許最大電壓是 13.6V，放電允許最低電壓是10.5V。那么，以40只蓄電池串聯(lián)使用為例，其充滿電時的總電壓就是544V，最低允許放電電壓是420V。

以某動力UPS的蓄電池組的充電為例，采用如圖1所示的充電回路，是用恒電流充電和恒電壓充電相結(jié)合的方法來進(jìn)行的，在蓄電池充電的后期一般都是恒電壓的充電方式。

圖1　蓄電池串聯(lián)充電原理圖

在圖1中，蓄電池組根據(jù)充電需要，是用多臺或一臺充電機(jī)對其進(jìn)行充電，或者多臺、一臺充電機(jī)對多組蓄電池組進(jìn)行充電，采用恒電流充電和恒電壓充電相結(jié)合的方法，以及相應(yīng)的蓄電池組管理系統(tǒng)構(gòu)成，目前還沒有配置均壓控制的功能[11-12]。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于長時期的浮充電，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)個別蓄電池溫度同同組的其他蓄電池的溫度相比偏高，測量溫度偏高的蓄電池的內(nèi)阻也基本在正常的范圍內(nèi)。未進(jìn)行放電時其正負(fù)極間的電壓也在正常范圍內(nèi)。

進(jìn)行維護(hù)放電時發(fā)現(xiàn)其電壓迅速下降，充電時電壓迅速回升，而有的蓄電池一直充不到正常的電壓值（測量蓄電池內(nèi)阻明顯偏大），如圖2所示。

圖2　未進(jìn)行限壓控制時蓄電池充滿電后的電壓情況

用來測試的UPS裝置配置了兩組蓄電池，蓄電池組1和蓄電池組2。由于蓄電池組1的運(yùn)行狀況目前比較良好，各個蓄電池的電壓比較均衡，因此用蓄電池組 2來做測試。蓄電池的規(guī)格是 12V 120Ah。

從圖2可以看出，40只串聯(lián)充電的蓄電池，當(dāng)充電結(jié)束時，即電池組總電壓達(dá)到 544V的理論值時。（圖2中的總電壓是蓄電池的檢測總電壓，同充電機(jī)設(shè)定值 544V存在著檢測偏差，所以圖中的總電壓顯示是 546V），不是有些蓄電池過充電（其中有 5只已經(jīng)充到 14V以上），就是有些蓄電池欠充電（最低的不足11V）。盡管蓄電池出廠時電性能基本一致，但使用一段時間后，必然會產(chǎn)生一定的偏差，這種偏差會隨著使用時間的增加越來越大。如果多只蓄電池串聯(lián)充電，使蓄電池容量的差異等的增大，就必然會存在相同的充電時間和充電電流，不同的蓄電池電壓上升的快慢就不一樣。充電時又沒有對單只蓄電池進(jìn)行限壓，出現(xiàn)串聯(lián)蓄電池組中有些蓄電池過充電，而有些蓄電池欠充電的結(jié)果就是必然的了。

對于后備式供電的蓄電池組來說[13]，經(jīng)常處于浮充電的狀態(tài)。每個串聯(lián)的蓄電池的性能、狀態(tài)雖然在投用初期相對比較一致，但隨著使用時間的增加總會出現(xiàn)狀態(tài)的差異。電壓的差異一旦超出安全范圍，這種浮充電的工作狀態(tài)就會加速蓄電池間的差異，這個差異又會進(jìn)一步加大蓄電池之間的電壓的差異，這是一個惡性循環(huán)。通過對充電結(jié)束時電壓過低的蓄電池的解剖分析來看，個別單格蓄電池已經(jīng)極間短路，很可能是鉛絨短路造成的[14]。如果有多個這種單格蓄電池發(fā)生短路等情況，根據(jù)串聯(lián)分壓原理，就要由其他的蓄電池來分擔(dān)這些電壓，從而造成這些蓄電池的過充電現(xiàn)象，使危害范圍擴(kuò)大。這就迫切需要限制單只蓄電池的充電電壓。

根據(jù)上述的分析，對于動力UPS的蓄電池，其充放電的保護(hù)，在放電階段的均壓控制沒有意義，在充電階段依靠比較長的時間才能實(shí)現(xiàn)均壓的方法也不太可靠，因此必須具有在充電階能實(shí)時地限壓控制。這里設(shè)計(jì)一種串聯(lián)蓄電池組的充電保護(hù)控制，能夠防止單個蓄電池的過充電，如圖3所示。

圖3　標(biāo)稱額定電壓12V蓄電池防過充電控制原理

圖3中的電壓控制單元是2～40個獨(dú)立的控制單元，每個單元對應(yīng)一只蓄電池，實(shí)現(xiàn)對單只蓄電池防止過充電的保護(hù)和故障報(bào)警及控制回路的短路保護(hù)。蓄電池以單只標(biāo)稱12V額定電壓的蓄電池為例來說明。對于標(biāo)稱12V額定電壓的蓄電池，一般要求充滿電時的電壓為13.6V。

電壓控制單元用晶體管電路限制an、bn兩點(diǎn)之間的電壓（n=2,…,40），當(dāng) an、bn之間的電壓低于13.3V時，可正常對an、bn之間的蓄電池進(jìn)行充電，在an、bn之間的電壓達(dá)到13.3V后，電壓控制單元控制充電回路來分流an、bn之間的蓄電池的充電電流，對未滿13.3V的其他蓄電池不會產(chǎn)生分流作用，從而起到防止蓄電池過充電的保護(hù)。蓄電池充放電檢測控制單元監(jiān)測電壓控制單元、故障指示及短路保護(hù)單元的故障并進(jìn)行指示和聲光報(bào)警。

每個蓄電池防止過充電電壓控制單元最大允許電流0～30A，適用于2～40只蓄電池串聯(lián)充電控制回路。蓄電池的充電電流一般控制在 I10，0～30A的充電電流范圍可以滿足絕大多數(shù)蓄電池的充電要求。另一方面，在充電的前期，雖然充電電流可能會比較大，但蓄電池電壓都比較低，充電保護(hù)回路分流的電流幾乎沒有。而在充電的后期，才是該保護(hù)控制回路真正起作用的時候，但這時的充電電流已經(jīng)很小了，一般不會超過10A。

對于更大充電電流和超過 40只蓄電池串聯(lián)使用的蓄電池組，可以進(jìn)一步對充電保護(hù)回路的允許最大電流和保護(hù)控制單元回路數(shù)進(jìn)行擴(kuò)充。根據(jù)蓄電池的最高充電電壓的要求，通過調(diào)整電壓控制回路的控制電壓，以滿足標(biāo)14V以下各種規(guī)格的蓄電池的過充電保護(hù)。

對于初次充電，由于要達(dá)到均衡充電，單個蓄電池充電電壓將達(dá)到 14.4V，就需要暫時隔離這一保護(hù)控制。

根據(jù)規(guī)范要求[1]，需要對蓄電池組內(nèi)每個蓄電池進(jìn)行電壓監(jiān)測和表面溫度監(jiān)測。這在大多數(shù)的蓄電池組的管理系統(tǒng)中已經(jīng)具有，這里不再贅述。

大多數(shù)動力UPS的充電機(jī)的充電電壓是預(yù)設(shè)定的，為了方便討論，本文就以這種充電機(jī)對蓄電池的充電為例來討論。對于標(biāo)稱 12V額定電壓由 40只蓄電池串聯(lián)使用的蓄電池組，如果把充電機(jī)的充電電壓設(shè)置為 544V，當(dāng)發(fā)生單格蓄電池極間短路時，就會發(fā)生其他的蓄電池已經(jīng)充滿電了（由于過充電保護(hù)控制，電壓被限制在13.6V），充電機(jī)還一直對這一故障蓄電池進(jìn)行充電。由于沒有其他的蓄電池來分擔(dān)這一電壓，只能由這一蓄電池內(nèi)的其他單格蓄電池來分擔(dān)，這就會造成這些蓄電池內(nèi)單格蓄電池的過電壓。為了避免發(fā)生這種情況，就需要對充電機(jī)的充電電壓進(jìn)行手動調(diào)整。動力UPS是無人值守運(yùn)行[15]的，很難及時發(fā)現(xiàn)這一問題，會造成該只蓄電池的進(jìn)一步損壞。

對于標(biāo)稱12V額定電壓的40只串聯(lián)蓄電池組的充電電壓本例中設(shè)定的充電電壓是532V，即平均每只蓄電池的電壓是 13.3V，最大限制電壓是13.6V。有個別蓄電池充不滿電，低于13.3V，由于有12V的可調(diào)整電壓范圍（其他狀態(tài)較好的蓄電池可以提高0.3V的充電電壓進(jìn)行調(diào)整），即便存在狀態(tài)不太好的蓄電池，充電機(jī)也不會對蓄電池組內(nèi)狀態(tài)不太好的蓄電池一直進(jìn)行充電，從而避免這些蓄電池內(nèi)單格蓄電池的過電壓。這樣，在滿足絕大多數(shù)的情況下，都能使蓄電池進(jìn)行正常的充放電。在少數(shù)特殊情況下，比如，有過多的蓄電池充不滿電或電壓過低，12V的調(diào)整電壓滿足不了需要，就需要有報(bào)警甚至聯(lián)鎖停機(jī)的設(shè)置。對于具有充電電壓自動調(diào)節(jié)功能的充電機(jī)就不存在這個問題[16-17]，但是，不具有對蓄電池組內(nèi)狀態(tài)不好的蓄電池單獨(dú)進(jìn)行充電的功能。

充電電壓設(shè)置到532V，可能會造成大多數(shù)的蓄電池充不到13.6V的電壓。從使用經(jīng)驗(yàn)來看，蓄電池充電到13.3V左右的電壓對蓄電池更有利，實(shí)際容量下降得也不多。這樣，在532V的充電電壓下，當(dāng)蓄電池狀態(tài)比較均勻時，都能充到13.3V左右的電壓。當(dāng)個別蓄電池由于性能的下降不能充電的13.3V的電壓時，就由其他的蓄電池的充電電壓的升高來分擔(dān)這些電壓，但每一只蓄電池的充電電壓都不會超過13.6V的最大允許電壓的要求。

蓄電池充放電檢測控制單元能夠?qū)φ麄€蓄電池組的充放電進(jìn)行控制。在本方案中預(yù)設(shè)的特殊情況是，是否有超過一半的蓄電池（所占比例根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整）已經(jīng)達(dá)到額定的充滿電的電壓，一旦達(dá)到就認(rèn)為是已經(jīng)完成整組蓄電池的充電，處于浮充電狀態(tài)。如果此時的充電電流仍然大于 5A（根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整）并連續(xù)超過 5min（根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整），蓄電池充放電檢測控制單元就會進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒維護(hù)人員進(jìn)行處理。蓄電池充放電檢測單元已有成熟的技術(shù)和設(shè)備[11,13]，本文不再贅述。

2　投用運(yùn)行效果

2.1　保護(hù)控制板調(diào)試運(yùn)行情況

該保護(hù)控制裝置安裝于某動力 UPS，分別在1A、10A、30A充電電流下運(yùn)行，充電機(jī)充電電壓532V，各限壓單元的設(shè)定電壓 13.3V。30A下運(yùn)行8h，主要元器件在環(huán)境溫度 30℃下表面溫度都在75℃以下，符合這些元器件的溫度工作條件限制。當(dāng)充電機(jī)的充電電流是 10A，被限壓充電的蓄電池的電壓從 13.3～13.6V變化時，與之并聯(lián)的限壓控制單元的電流從0.1～10A變化，蓄電池的充電電流則是從 10～0.1A對應(yīng)變化，這與設(shè)計(jì)的情況完全一致。

2.2　增加保護(hù)控制設(shè)備后對蓄電池的充電情況

圖4所示是蓄電池組增加這一保護(hù)控制后，在充電結(jié)束時各個蓄電池的電壓情況。該組蓄電池和圖2所示的是同一組蓄電池。

從圖4可以看出，各個蓄電池在充電結(jié)束時的電壓都在13V以上，最低為13.16V，最高為13.57V。圖 2中 16#、21#、26#、36#、29#、39#、40#電壓超過14V的蓄電池，經(jīng)過限壓控制后，都被控制在了13.6V以內(nèi)。而圖2中06#蓄電池的電壓低于11V，經(jīng)過限壓控制后，充電電壓達(dá)到了13.16V。蓄電池充電限壓控制前、后電壓的一致性的對比如圖5所示。從圖5可以看出，經(jīng)過限壓控制后，同組的蓄電池電壓的一致性明顯好于限壓控制前的情況。

圖4　限壓控制后蓄電池充滿電時的電壓情況

圖5　限壓控制前后蓄電池電壓一致性對比

用標(biāo)稱20Ω放電電阻對第2組蓄電池先進(jìn)行未限壓控制時在充電結(jié)束后（總電壓532V）進(jìn)行放電，當(dāng)蓄電池組的放電電壓下降到 460V時，放電電流是23.50A，放電時間是165min。然后進(jìn)行限壓控制在充電結(jié)束后（總電壓532V）同樣放電165min時，此時的放電電流為 23.90A，蓄電池組的電壓為467V。檢測工具是FLUKE125表。

為了避免蓄電池實(shí)際充電容量受充、放電先后順序的影響，之后再次進(jìn)行未限壓控制時在充電結(jié)束后進(jìn)行放電試驗(yàn)，仍使用上述的放電電阻，當(dāng)放電時間達(dá)到165min時，蓄電池組的放電電壓下降到461V，放電電流是23.53A，這種微小的變化基本不能改變對比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沒有增加充電保護(hù)的蓄電池組，無論是蓄電池的充電電壓的一致性和實(shí)際儲能容量，都沒有增加充電保護(hù)后的蓄電池組的好。

因此，在增加充電保護(hù)后，還可以一定程度地提高蓄電池組的有效放電容量，只不過不是很明顯。有效放電容量在這里是對于變頻器負(fù)載來說的，因?yàn)橐话阕冾l器的關(guān)斷電壓是 420～440V，蓄電池組的電壓就需要在440V以上，本方案是按460V作為蓄電池組放電終止電壓的參考點(diǎn)，留有一定的安全余量。所以單只蓄電池并不能深度放電到10.5V。

3　結(jié)論

增加這一限壓保護(hù)控制設(shè)備后，會有以下的有益效果：

1）2～40只蓄電池串聯(lián)充電時該保護(hù)控制設(shè)備可對每一只蓄電池進(jìn)行防止過充電保護(hù)，即能夠?qū)?4～544V的充電電壓范圍內(nèi)的儲能單元進(jìn)行全過程的、實(shí)時的防止過充電保護(hù)，這在客觀上保證了各只蓄電池的最終充電電壓基本保持一致，能夠保證整組蓄電池充滿電。

2）過充電會加速蓄電池的老化或報(bào)廢。由于該過充電保護(hù)控制設(shè)備能夠使串聯(lián)蓄電池組中的每一只蓄電池在充電結(jié)束時的充電電壓基本保持一致和在允許的安全充電電壓范圍內(nèi)，這就減小了蓄電池組自燃、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，保證每只蓄電池都能充滿電，從而提高了蓄電池組的工作效能和使用壽命。對于長時間不能充滿電的蓄電池，就需要特殊的維護(hù)保養(yǎng)或更換。

3）具有完善的故障診斷和保護(hù)功能?？刂齐娐泛啙嵖煽?，實(shí)用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好，維護(hù)簡單。

本限壓控制設(shè)備，經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的目的。

當(dāng)然，受實(shí)驗(yàn)條件的限制，用來對比測試的動力UPS是處于在線運(yùn)行當(dāng)中，為了減小對生產(chǎn)的影響，對蓄電池組進(jìn)行限壓控制前、后的充電電壓分別使用了 544V（原來的運(yùn)行條件）和 532V（限壓控制的運(yùn)行條件）做比對，存在一定的缺陷。同時，上述對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還不是很充分。目前，實(shí)現(xiàn)了±0.3V的均壓控制，有待進(jìn)一步控制偏差范圍。對于以后實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，還將會進(jìn)一步完善。