能量回收式蓄电池自举放电法研究

王廷满，崔　波，魏庆安

(大庆油田信息技术公司，黑龙江 大庆 163113)

0　引　言

蓄电池做为重要的后备保障电源，在通信、信息、电力等诸多领域都有大量使用，它的运行状况关乎系统的安全运行。为了掌握蓄电池的真实容量，规程要求定期对蓄电池进行必要的放电试验，并据此来考量它的蓄电保障能力。但在几种传统的放电方式中，却存在如下一些缺陷和弊端。

(1)假负载放电法：该法是用阻性放电器对退出运行的一组蓄电池进行放电试验(另一组保持浮充供电)，将电能转换成热能后释放掉。其缺陷是造成能源浪费和环境温度上升。一些较大且重要的系统为确保供电安全，一般采用此法进行放电实验。

(2)实际负荷放电法：该法是将整流设备关掉，由两组蓄电池为负载供电。此法可以避免能源浪费，但存在放电末期电池能量几乎耗尽时，如遇个别电池电压急剧下降或市电停电情况下，将给系统带来非常大的供电风险。因此一般只在市电可靠的小系统中采用此法，并且要求操作人员有较高的判断处理能力。

(3)整流设备低压热备式实际负荷放电法：该法与实际负荷放电法基本相同，区别只是将整流设备输出调低至蓄电池终止电压以下，来防止放电末期电池电压突降造成的供电中断。但此法不能避免由于放电末期电池能量几乎耗尽时，遭遇市电停电带来的供电风险。

总体来看，上述三种放电方式各有利弊。要么放电设备笨重且浪费能源，要么存在严重的供电风险。因此，寻求一种既不浪费能源，又能避免供电风险的全新放电模式是本次研究的目标。

1　抬升放电蓄电池电压构建浮充供电环境

1.1　可行性分析与基础试验

浮充状态是蓄电池运行的最佳环境，几乎所有领域的蓄电池组大都处于这种浮充环境下。正常情况，浮充供电环境都是由整流设备构建的，但大量的理论分析和各种基础实验证明，对于蓄电池而言，只要提供的电压符合要求，这种最佳环境就建立了。从物理学可知，用两根长短不一具有一定伸缩性的立柱一起支撑重物时，长的一根将首先受力。当长柱所受重力超过极限而发生回缩时，另一根立柱自然来分担多余的重力。基于这一现象我们联想到：能否将放电电池的电压抬升到浮充电压的标准，并由其首先承担负载电流与另一组电池所需的充电电流呢？那么原本电压相同的一组电池如何为另一组电池和负载建立浮充供电环境呢？问题的关键就在于此，理论上讲，对其中一组蓄电池增加几节电池或由市电降压整流后与放电电池串联就可把电压抬升到另一组蓄电池浮充电压的标准。

1.2　放电蓄电池构建浮充供电模式

在上述两种抬升电压方式中，都是增加新的电源，与本文充分利用放电能量的初衷不符。并且串联几节电池的基本理论在实践中是行不通的，由于其电压无法调节，不能在放电电池电压降落时保持建立的浮充电压恒定不变。因此，如何利用放电电池的能量来抬升其自身的电压，才是本文重点研究和解决的核心问题。

2　蓄电池自举放电方式实现能量回收技术

图1为蓄电池自举放电方式实现能量回收利用的示意图。由图1可以看出，由放电蓄电池构建的浮充供电环境与以往的区别仅仅是在原结构中增加一个“自举电源”设备。这个自举电源，赋予原本普通的浮充供电模式以全新的内含和质的变化。由图1的结构可以看出，原本处于被浮充的放电电池，在自举电源的抬升下，其输出电压已高出另一组电池和整流设备的浮充电压。正是这种改变，使得放电电池和整流设备的主从关系发生了如下改变：(1)对于电池放电电流大于负载电流的系统，负载电流和另一组电池的浮充电流均由放电电池提供，此时的整流设备将处于无输出的热备状态；(2)对于电池放电电流小于负载电流的系统，放电电流优先供应负载，不足的部分将由整流设备自动补足。也就是说，对于负载的通信设备而言，无论电源系统上述关系如何变化，其获得合格电源保障的要求不会改变。至此，放电过程发生了本质的改变，由传统放电方式中白白消耗的能量变成通信设备优先使用的负载电流，这也正是该项研究的精髓所在。

图1　蓄电池自举放电方式实现能量回收利用示意图

在基础试验中，用串联可调电源的方法将放电电池的电压举升到略高于浮充电压的标准，成功实现了为另一组电池和负载优先供电的目的。对于放电电池而言，无论是负载电流还是另一组电池的充电电流都是用来考量其蓄电能力的放电电流。实践中，本文的做法是，利用放电电池的一部份能量，通过DC-DC变换方式产生一个0～10 V的自适应电源，并将这一电源与放电电池叠加后建立另一组电池和负载所需的浮充供电环境。当然，这个自举电源应能根据放电电池电压的降落情况，自动调节举升量来保证所构建浮充电压的稳定。为了使操作更为简便，让这个新建立的浮充电压(53.8 V)略高于标准浮充电压(53.5 V)的要求，实现优先整流设备承担负载电流的目的。当放电电流小于负载电流时，自举电源将进入限流工作状态，负载所需电流的不足部分将由整流设备自动补足，即让整流设备处于无输出或少输出的接应状态。

由于这个举升电源是取自放电电池本身，所以将其命名为“自举电源”，而把这种能量回收模式命名为“蓄电池自举放电能量回收模式”。

3　蓄电池自举放电能量回收机的设计

3.1　主电路

如图2所示，本方案采用了两组并联推挽式高频逆变技术，通过脉宽调制(PWM)方式实现自动调节输出电压(即举升量)，从而达到稳定举升后的浮充电压。

主电路包括以下几部分。(1) 输入滤波电路。为防止逆变部分产生的干扰脉冲污染电源系统，设计了LC型滤波电路，最大限度地隔绝各种杂波倒灌；(2)功率变换电路。该电路是整个“自举电源”的核心与关键。从图1可以看出，电池放电电压是被该电源叠加后才具有了优先向系统供电的电压条件。尽管该电源的电压很低，最大输出为10 V，但通过的电池放电电流却很大，样机设计为50 A。为了减少变换损耗，采取了两方面措施，一是采用了IGBT开关元件作为推挽式DC-DC变换器的开关元件，使变换效率和可靠性大大提高；二是采取双电源并联结构，以进一步提高电流能力和易于加工制作。为了确保两个逆变电源输出电流的均衡性，在挑选变换器IGBT开关元件时，一定要进行测试，尽量选择参数一致或相近的元件组合；(3)整流滤波电路。为了减少整流元件的压降损耗，选用了大功率的肖特基整流元件，以及开关电源专用电容实现LC滤波。在选择肖特基整流元件时，也要求进行测试，尽量选择参数一致或相近的元件组合。

在自举放电技术的安全性方面，也是有充分考虑的，安全性是电路设计的基础和先决条件。由于电池组(48 V)的放电低限约为44 V左右，为此把自举电源的最大输出设计为10 V。也就是说，在电池放电末期由其和自举电源叠加后所建立的浮充电压也能保持在53.8 V。从另一方面讲，即使在装置失控飞车的极端情况下，这个最大10 V的举升电压与44～48 V电池电压叠加后，其总电压也在54～58 V的安全供电范围内。自举电源的最大输出与放电电池(43～48 V)叠加后，总电压也在安全供电范围内。如果自举电源因故障没有输出，更不存在安全问题，仅仅是没有实施放电而已。

3.2　控制电路

为确保安全，该自举电源除具有稳压、限流功能外，还增设了过流、过压和欠压保护功能。因此，相比主电路而言，控制电路相对复杂一些，控制电路原理图如图3。

3.2.1集成脉宽控制电路

该电路是为高频逆变电路中开关元件提供触发脉冲的，本设计采用电压脉宽调制(PWM)专用芯片SM3525作为核心元件。首先，放电电池建立的浮充电压，通过取样电路中的R2、W1、R3后，将取样信号送入比较放大器TL431，经过TL431比较放大后，由光耦隔离输出到专用控制模块WTM2011的2脚，该输入信号是一个正比于浮充电压的变化量，该变化量进一步使WTM2011的1脚输出一个与之相匹配的调节信号到SM3525的1脚，再由SM3525的11脚和14脚分别输出(PWM)信号，送到两组逆变开关元件的控制极。至此，完成了从取样—处理—控制—调整的整个控制过程。由于该电路属于常规的脉宽触发电路，其他几种调整过程不再赘述。

图2　自举电源主电路图

图3　自举电源控制电路原理图

3.2.2限流、过流保护电路

由于蓄电池的容量不尽相同，为了适应不同容量的蓄电池放电要求，电路中设计了限流功能，以及过流保护功能，其取样信号取自主电路的输出分流器。该信号首先送入控制模块WTM2011的5、7脚进行放大、调理，然后由其3脚以电压的形式输出限流调节信号到SM3525的1脚，以实现调节脉宽目的。而WTM2011的6脚也输出与电流对应的电压信号供电流表头显示，同时作为过流取样信号送入IC3-B比较器，当信号大于6脚的参考电压时，IC3-B比较器将输出高电平直接关闭SM3525，从而实现过流保护。通过调机电位器W3、W4,可以改变限流和过流点。

3.2.3过压、欠压保护电路

为防止变换器工作异常而输出过高，以及防止蓄电池过放电。控制电路设计了输出过压和输入欠压保护电路。当变换器工作异常使叠加后的输出过压时(55 V)，经R25的取样信号将触发由IC3-A等组成的过压保护比较器，其输出的高电平经D6将电源保持电路IC4复位而关闭脉宽调制电路的电源，使系统停机。欠压保护信号通过R4也是取自叠加后的输出电压。当放电到末期(43.5 V)取样信号小于设定值时，欠压保护比较器翻转，输出的高电平首先经D1解除对报警电路的控制而发出报警，提示人员做好放电结束前的数据测试。另一方面，比较器输出的高电平经R6和C5及施密特反相器的延时(约40 s)后，通过D7将电源保持电路IC4复位而关闭脉宽调制电路的电源，使系统停机。

3.2.4控制电源保持电路

为了更方便地实现上述保护功能，本控制电路的电源没有采用传统的硬开关电路，而是设计了由D型触发器等元件组成的双稳态电路。当系统上电时，正15 V电源首先通过C17使D型触发器IC4置位，即输出高电平使BG1和BG2截止，脉宽调制电路处于启动前的状态。当需要开机按下AN时，送入D型触发器CP端的高电平将使其翻转而输出低电平。该低电平通过R29使BG1和BG2饱和导通，使脉宽调制电路进入工作状态。当需要人工停机时，只要再次按下AN使D型触发器再次翻转就可实现停机。图中C18和C19为滤波电容。LD为变换器工作指示灯。

4　比较优势与应用

本文所研究的“能量回收式蓄电池自举放电法”，是对传统“能量消耗型放电法”的一次颠覆性改变。而对于其他能量回收式放电法，如回馈电网法等，因其都是采用了将放电能量全部加工转换的方法进行回收利用，因此回收效率只能做到60～80%，并且“回馈电网法”的安全性和使用环境广受质疑，而其他方法也仅仅局限于蓄电池制造厂的特定环境，且是一个复杂的成套系统。而这种能量回收式蓄电池自举放电模式，只需加工放电能量中的一小部分，由其形成一个小的抬升电压，就可动员大部分电池能量直接释放出来。从根本上改变了全加工模式效率低的弊端，使得能量回收效率大幅提高到95%。也就是说，该项技术是针对蓄电池应用领域的一项节能技术，试验样机应用情况参见图4。

图4　应用现场测试情况

仅以大庆油田信息技术公司通信站现用的二组1 500 Ah蓄电池为例，一次传统放电所浪费能源约为144 kW·h。而采用自举放电能量回收方式放电，可节能137 kW·h，放电能量回收率达95%。更重要的是，该种放电模式可有效规避离线消耗式放电法的能源浪费问题；以及实际负荷放电法带来的供电风险。

目前，应用领域的蓄电池数量巨大，如果全部采用该项能量回收式放电技术，每年节约的电能将以亿计。