阀控铅酸蓄电池的充电均衡决策算法

叶欢欢

摘要：变电站现有的运行方式是将蓄电池组直接串联接入直流母线。此运行方式下会导致蓄电池组的电池容量降低。针对现有蓄电池充电控制方式的不足，本文论述我站职工创新项目中对阀控铅酸蓄电池的充电均衡决策算法的探究。

关键词：容量降低；充电均衡；决策算法

0 引言

变电站使用交流站变供用站用电，并使用蓄电池组作为站变的后备电源。站用蓄电池组常用电压为2V，容量为600 AH -800AH；当需要使用蓄电池组进行应急供用站用电时，蓄电池组通常可保证重要负荷正常供应24小时，这样的时间裕度足以保证发电车的救援安排。

变电站现有的运行方式是将蓄电池组直接串联接入直流母线。铅蓄电池内的阳极（PbO2）及阴极（Pb）浸到电解液（稀硫酸），当外加电源时即可储存电量；当蓄电池的充电电流等于最优充电电流值时，电池内将进行充分的化学反应，可存储最大电量。当充电电流大于最优值时（即为过充），会发生副反应，使得电池析出过多气体，将不可逆地降低电池电量；当充电电流小于最优值时（即为欠充），会使得活性物质外生成致密膜阻碍充电，降低电池电量。

对电池端电压进行均衡是一种重要的在线维护蓄电池，增加蓄电池储存容量，提高蓄电池核容合格率的方法。据此，我站申报了惠州供电局2015年度职工创新项目《站用阀控式铅酸蓄电池充电均衡控制装置的研发》，针对蓄电池均衡装置的决策算法进行了研究，决策算法是令蓄电池组的所有单体处于最佳状态的核心。

1均衡电路模块的开发探究和判断指标

本充电均衡装置的实现能量再分配的电量储运的电路进行蓄电池组各个单体的自动均衡，可采用Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、Fly-back电路、飞度电容、带铁心线圈的能量储运电路等，进行自动均衡。开发中发现，除了投切网络复杂但效率很高的飞渡电容和开关电容网络均衡以外，无源型均衡技术已很难达成要求的指标，各类基于开关能量变换的有源型均衡技术是本装置的主体改进方向。在较大能量流吐纳过程中，如何降低均衡损耗、提高均衡速度、简化均衡系统结构以及均衡的实时性、安全性和低成本等问题便是最终方案选择的判断指标。[1]

上图为蓄电池进行三段式充电的工作特性曲线，横坐标为流经整组蓄电池的电流，纵坐标为整组蓄电池的端电压：AB段为开始恒流充电，BC段为恒压充电，当蓄电池容量到达一定程度的时候，进入浮充状态，即为工作特性曲线中的AFDE直线。

显然，基于恒电压值控制的均衡决策算法是最优的控制决策算法。

2. 基于恒电压值控制的充电均衡决策算法实例探究。

职工创新项目中使用的均衡电路模块实例，以三单体均衡电路为例，可拓展至多单体均衡：

1、以叠加去硫化脉冲谐波为技术手段的整组控制式的充电均衡控制装置的开发。

依靠计算机进行最优计算，可精确促使蓄电池组运行在最优状态[2]。

该子元件通过一个用于获取蓄电池充电电流的霍尔电流传感器及用于获取充电电压的霍尔式电压传感器来接收蓄电池本体因内阻不同而致使充电容量不同，充电断电压不同，充电能量的具体状态。该子元件执行算法的决策DSP、以电子开关为执行元件的并联支路控制单片机、实现能量再分配的电量储运的电路模块自动对蓄电池进行均衡 。单片机控制电路使用基于PIC18F2480的单片机控制电路，也可以使用其他控制电路。

2、以对过充单体释能为技术手段的单体控制式的充电均衡控制装置的开发

分布式、独立化的并联支路设计，检修维护简便。

上述电路对每个单体并联唯一的旁路，显而易见的，上述三单体示例可简单便捷地拓展到52单体蓄电池組或104单体蓄电池组，而且在发生某模块旁路故障时，可以简单地更换该部件后继续使用。

3、以并联电能再分配电路为技术手段的分组整合控制式的充电均衡控制装置的开发。

集成电路内部完成决策、储运、执行，可保证能量转换率最高[3]。

蓄电池充电均衡装置及其可视化显示系统均以电子开关为执行元件的并联支路控制单片机，具体包括基于推挽电路和光耦TLP250的驱动电路、CAN总线以及基于PIC18F2480的单片机控制电路。CAN总线还包括单片机中的CAN模块、CAN驱动器PCA82C250芯片、CAN-RS232转换卡等

上述均衡电路模块是在本次职工创新项目中，传输效率较高，发热较小的实例。亦有其他高效优质的均衡电路设计，本文不再赘述。

3 充电均衡决策算法中的精度控制

站用铅酸蓄电池的浮充电压一般在2.20V，蓄电池组内各单体见的电压差至多为300mV，均衡至同一电压，需要决策系统的采样、运算以及执行精度很高。

故此，为克服电池单体因内阻、温度等因素而产生的电压纹波，从而准确快速地采样，采样部分需要加入RC 滤波电路、跟随器，并进行阻抗变换，使前后级之间实现阻抗匹配，同时在后级利用 LM358 搭建差分电路，实现一定的隔离级联。

4 结论

本文提出的阀控铅酸蓄电池的充电均衡决策算法是以基于恒电压值控制的均衡决策算法，进行定量控制，理论误差为零。在此方案下，本职工创新项目只需解决实际工程中的元件误差或干扰。

参考文献

[1] Kutkut N.H， Wiegman H.L.N， Divan D.M. Design considerations for charge equalization of an electric vehicle battery system. IEEE Trans. On Industry Applications. 1999， 35（1）：28～35

[2] Andrew Baughman， Mehdi Ferdowsi. Analysis of the Double-Tiered Three-Battery Switched Capacitor Battery Balancing System. IEEE VPPC. 2006：6～8