光伏发电储能电池放电控制的温度补偿研究

陈义鹏， 焦斌亮，2， 王海明， 王秉荣

(1.燕山大学信息科学与工程学院，河北秦皇岛 066004；2.河北省特种光纤与光纤传感重点实验室，河北秦皇岛 066004；3.河北科技师范学院，河北秦皇岛 066004)

鉴于经济性、安装环境等因素的考虑，在目前应用的独立光伏发电系统中普遍采用VRLA串联电池组作为系统储能部分，由于室外环境温度变化大，未做电池组随环境温度变化进行充放电状态实时补偿而造成电池组寿命缩短的问题已明显暴露了出来[1]。在实际运行中，环境温度对VRLA蓄电池性能的影响比较大，VRLA蓄电池的最佳环境运行温度为25℃，在此温度下，有利于蓄电池达到最长寿命。

如果使用环境温度过高，使VRLA蓄电池在充电过程中产生的热量无法及时扩散到空气中去，加速了电解液的损失，同时也容易通过壳体损失水分，导致电解液的比重升高加速了正极板栅的腐蚀，最终导致VRLA蓄电池未达到电池的设计寿命而提前失效。

蓄电池的浮动充电电压和周围环境温度以及蓄电池温度具有近似的线性相关性，环境温度变化过快会导致蓄电池寿命的缩短[2]。

在一定温度范围内，蓄电池的寿命随温度的升高而延长。在10～35℃间，每升高1℃，大约增加5～6个充放电循环，在35～45℃之间，每升高1℃可延长寿命25个循环以上；高于50℃则因负极硫化容量损失而限制寿命[3]。电池寿命在一定温度范围内随温度升高而增加，是因为容量随温度升高而增加。如果放电容量不变，则在温度升高时其放电深度降低，故寿命延长。串联电池组的可持续放电能力以状况最差的那一块电池的容量值为准，而不是以平均值或额定值(初始值)为准[4]。

因此在实际应用中，如果不同温度下设定相同的放电终止电压，将导致温度高时蓄电池过放电、温度低时蓄电池使用不充分。所以我们在放电控制电路中增加了温度补偿模块，随着温度的变化调节蓄电池的放电终止电压。

1 温度补偿电路的分析

在工业生产过程自动化系统中，在线使用的分析仪器通常需要解决温度补偿问题，采用人工调节控制，既不准确也不方便，因此为确保仪器的测量精度，应采用自动温度补偿控制方法。

1.1 自动温度补偿电路

利用集成运算放大器和铂热电阻可以构成自动温度补偿电路，其原理图见图1。图1中A为集成运算放大器，Rt为Pt100铂热电阻，其阻值随温度的变化而变化。

图1 运算放大器与铂热电阻构成的温度传感电路

在图1中得到输出电压的表达式：

铂热电阻随温度变化，使输出电压V o随温度变化。

1.2 改进的温度补偿电路

阻抗传感器，一般被称作阻抗温度探测器（RTDs），普遍用于温度的检测。RTDs是基于铂金、铜和镍，铂金是传感的要素。

图2中的电阻R s为NTC（负温度系数热敏电阻），当R1*与R1取值相同时，输出电压V o为(V1－V2)=I×R s，随着温度的升高，输出电压逐渐变小。

图2 温度传感电路

图2中的输出电压输入到图3中，通过比较单元、控制单元，控制蓄电池在－15～55℃的环境下终止电压随温度更精确的变化，能有效地维护蓄电池的工作。

图3 放电控制原理框图

2 温度补偿在放电控制中的工作原理

如图4所示的电路结构中,温度补偿电路与放电控制电路一起相辅相成达到本文所述目的,在放电控制电路中，由分压电阻得到蓄电池的实时端电压值，与预先设定的基准电压通过电压比较器LM339中进行比较，当蓄电池端电压高于每段的基准电压时，发光二极管被点亮，当蓄电池端电压低于某段的基准电压时，对应的发光二极管熄灭。通过7个发光二极管的亮灭可直观地知道蓄电池组的放电程度。

图4 温度补偿电路应用结构框

应当注意：（1）虽然温度增加可以增大当蓄电池的输出容量，但超过一定界限时，易使正极板弯曲和减少负极板的容量，同时也增大了蓄电池的局部放电。因而正常使用时，一般使蓄电池工作在其要求范围内；（2）当一个充满电的蓄电池在低温放电时，达到其终止电压，由于硫酸电解液温度降低而引起的放电容量的降低，并不能说明蓄电池损失了一部分容量，只要增大电解液温度，则蓄电池还能恢复其容量。

为了更加有效地保护和使用蓄电池，延长蓄电池的寿命，温度较高时应该减小蓄电池的放电深度、提高其终止端电压，温度较低时应该适度增大蓄电池的放电深度、降低其终止端电压。温度补偿电路在放电控制中的作用即是如此，通过铂热电阻随温度的变化来调节基准电压，温度升高使基准电压随之升高，温度降低时基准电压随之降低，从而达到在不同温度环境下控制蓄电池放电深度的效果。

3 实验及数据

本系统针对标称端电压为12 V，容量38 Ah的VRLA电池进行了实验测试。

（1）R1=R2=1 kΩ，R3=110Ω的情况下，图1中各电阻取值如表1所示。

表1 图1中备申池的取值

通过表1中的数据可以得知在0、25、50℃不同温度下铂热电阻阻值的变化，V o表示不同温度下放电开始时的输出电压，V o'表示不同温度下放电截止时的电压值。

（2）根据图3的实验原理得到的实验数据如表2所示。

表2 图3实验原理得到的实验数据

通过扩大温度范围、减小温度间隔的温度补偿，蓄电池能更有效地工作在低温和高温的环境下。

4 温度补偿电路的应用小结

本文所述自动温度补偿电路可用于在线分析仪器检测信号的温度补偿与信号放大,如数字式工业酸度计测量信号的自动温度补偿等。

改进的温度补偿电路应用于光伏系统中，是对VRLA蓄电池组放电控制环节进一步的完善，使整个光伏系统能够适用于更为复杂多变的环境。

[1]DAVID L，THOMASB R.电池手册[M].北京：化学工业出版社，2007：475.

[2]VALKOVSKA D，DIMITROV M，TODOROV T.Thermal behavior of VRLA battery during closed oxygen cycleoperation[J].Journalof Power Sources，2009，191(1)：122-123.

[3]朱松然.铅蓄电池技术[M].2版.北京：机械工业出版社，2002：78.

[4]张芳，王海明，焦斌亮.VRLA电池组内阻及其对性能影响的分析[J].仪表技术与传感器，2008，11(11)：44-47.