蓄电池组防止过充电保护控制研究

汪宗银

（国家电投集团贵州金元鸭溪发电有限公司，贵州遵义 563108）

0 引言

近年来，蓄电池在交通、通信、电力等多个领域得到广泛应用。为了提高输出电压，一般将单体蓄电池串联起来，在工作过程中常常出现过充电、过放电等情况，导致电池效率降低，使用寿命受到影响，甚至出现安全问题。对此，应积极采取有效措施进行保护控制，提高充电安全性、高效性。

1 蓄电池组充电的缺陷

现阶段，大多数备用电源中的能量存储均依靠蓄电池的作用。为了提高供电持续性，势必要提高蓄电池组性能。考虑到技术、资金等因素，常用的是采用单充电机对整组串联蓄电池进行充电。将充电机调整到恒压限流形式，与电池组并联，如果电池组容量损失后，充电机将自动对其进行补充，但是在实际应用过程中，却存在以下问题。

1.1 蓄电池差异

对于单体蓄电池来说，即使是同一批次出厂，在电池特性方面也存在差异，特别是国产电池更加明显，因此在电池工作过程中，将其看成一个整体充电或者放电，难以根据电池工作参数、状态进行充放电，必然导致部分电池出现过充电，部分电池欠充电，部分电池过放电情况，这也可以解释为何蓄电池在整体运行过程中普遍无法满足标准寿命的问题。

1.2 充电检测

在电池运行过程中，要想对其电压、内阻等进行检测难度系数较大。目前，应用较为频繁的是额外加装蓄电池检测装置的方式，但后安装的装置与充电机之间的配合不够紧密。由此可见，在系统运行过程中无法根据蓄电池状态、充电曲线等对电池进行管理，加上额外安装检测装置还会导致成本增加，因此得不偿失。

1.3 充电方式缺陷

在半导体技术飞速发展之下，高频开关电源诞生，具有体积小、自重轻、效率高、噪音小等优势，可有效弥补传统晶闸管电源的弊端，获得广泛应用。但是，如若采用传统安装方案，由于充电机所需的电压、输出容量相对较大，且对技术、器件、工艺具有严格要求，IGBT 几乎无法超过20 kHz，但MOS-FET 在应用到大电流回路中后，起结压降较大，导致发热量上升，因此受工艺、器件等因素影响，输出容量要想大于6 kW 难度较大，因此往往采用小模块并联均流的方式。但是，由于模块数量较多，又较为繁杂，导致可靠性受到影响，因此提出N+1 冗余备份，导致技术上陷入死循环。

2 蓄电池组充电特性的影响因素

在离网型光伏发电、风力发展系统运行过程中，蓄电池常常出现提早失效情况，给用户带来不良影响。究其原因，主要受控制器性能影响，不但会降低系统发电效率，减少发电量，还会对蓄电池的使用寿命产生不良影响，如若充电保护器长期无法对蓄电池中的过充电进行保护，长此以往，蓄电池中的可用容量随之减少，势必加速电池组失效。对此，本文针对电池组充电特性的主要影响因素进行分析，具体如下。

2.1 充电特性

以铅酸蓄电池为例，电池充电共计经历3 个阶段（图1）：首先是OA 阶段，电压的数值不断升高；然后是ABC 阶段，电压值缓慢上升且持续时间较长；C 点为充电的末期，此时的电化反应已经进入尾声；在与D 点相近的位置，电压数值飞速提升，负极析出氢气，正极析出氧气，水被分解。通过上述情况可知，D 点代表的是电池已经充满电，应立即停止充电，以免对电池造成损坏。

2.2 电流影响

对于铅酸蓄电池来说，电池的充电特性与电流大小之间存在紧密联系。在相同温度下，当电流数值增加时，充电终点电压的数值将升高，充电时长将缩短；反之，当电流数值减小时，充电终点的电压值将降低，充电市场将延长。在光伏与风力发电系统中，电池组中的电流与日照、风力等因素还存在联系，由此可推断出，蓄电池充电终点的电压也随之发生改变。

图1 铅酸蓄电池充电特性

2.3 温度影响

以铅酸蓄电池为例，该电池的充电特性与电解液温度之间存在紧密联系。在相同电流大小的情况下，当温度降低时，充电终点的电压将提高，充电时间缩短。反之，当温度升高时，终点电压将下降，充电时间会延长。在风力发电系统中，电池中的电解液温度还会受到季节因素影响，呈现出周期性的改变，还可能受到充电影响而产生经常性的波动，以此为依据可对电池终点电压的变化情况进行分析和判断[1]。

3 蓄电池组防止过充电保护控制实验

动力UPS 主要在抗电网闪络中得以应用，可使化工生产装置的闪络问题得到有效解决，为生产装置提供动力UPS。UPS 储能设备主要由2～40 只电压为2～36 V 的铅酸蓄电池串联而成，由于应用的对象有所区别，蓄电池管控系统无法满足电池组的充电要求，因此需要采取有效措施解决UPS 蓄电池组充放电管理问题，以此提高UPS 的高效运行。

3.1 实验材料

以某型号的12 V 电压铅酸蓄电池为例，主要包括6 个2 V的单格蓄电池，以串联的形式组合而成。根据技术规范，在0～40 ℃，充电电压一个单格蓄电池为2.27 V，放电电压为1.75 V，由此可知满电状态下的蓄电池电压最大值为13.6 V，放电时电压最小值为10.5 V。将20 只蓄电池以串联的形式结合，在满电状态下电压总量为544 V，电压最小值为420 V。以UPS 蓄电池组为例，采用恒电流与恒电压联合充电的方式，在电池充电后续通常为恒电压充电。根据实际充电需求，可采用一台充电机对蓄电池进行充电，也可采用多台充电，将恒电流与恒电压结合起来，形成蓄电池管理系统。

3.2 问题产生

在应用过程中，因长期处于浮充电状态，一些电池的温度与同组其他电池相比较高，但内阻仍处于正常状态，在没有放电时，正负极之间的电压也处于正常范围。在维护放电过程中，发现电压急速降低，但在充电状态下电压又飞速上升，个别蓄电池的电压却无法恢复到正常状态，内阻数值也相对较大。在实验中的UPS 装置中安装两组蓄电池，分别计为1#和2#，与2#相比，1#的运行状态较佳，电压均衡性较强，因此采用2#进行测试，电池规格为电压12 V，蓄能为120 A·h。将40只蓄电池串联起来，在充电结束后，也就是当电池电压总数达到544 V 时，并非全部电池均存在过充电情况，只有5 只达到14 V 以上，还有一些电池处于欠充电状态，最低电压值在11 V 以下。蓄电池在出厂时充电性能大致相同，但经过一段时间的应用后，势必会产生偏差，且随着时间的不断推移，偏差值不断扩大。当多只蓄电池以串联的形式同时充电时，电池容量的差异增加，势必出现相同充电时间与电流对于不同电压来说数值上升的速度也不尽相同。在充电过程中，未对单只蓄电池进行限压，一些电池组出现过充电情况，一些则出现欠充电情况。

3.3 解决方法

在本实验中，将标称为12 V 电压的40 只蓄电池串联起来，最大限制电压为13.6 V，一些蓄电池状态并非满电，电压值小于13.3 V，由于预留一定的可调整范围，即使存在非满电的电池，充电机也不会对其一直充电，从而可有效防止单个电池出现过电压情况。这样做不但可使大部分情况得以满足，还可确保蓄电池充放电正常。在特殊情况下，如若存在许多电池电压过低且12 V 调整电压不符合需求的情况，则应安装报警或者联锁停机等装置。一些充电机具有自动调节功能，则无需考虑此类问题，但是不具备对所有非满电状态的蓄电池进行单独充电的功能。在本方案设计中，对充电电压进行调整，将数值设置到532 V，这样可以使大部分电池无法充到最高电压。根据以往经验，蓄电池电压的最佳状态为13.3 V，实际容量降低的数值不多。由于蓄电池的性能不同，对于未充到13.3 V 左右的电压，可发挥其他电池的作用，对剩余电压进行分配，但每只电池的电压均低于13.6 V。蓄电池充电检测单元可对充电行为进行有效控制，在本方案中，如若有超过50%的蓄电池已经达到满电的标准，便认已经完成本次充电任务，处于浮充电状态。如若此次充电的电流数值超过5 A，且保持5 min，此时充电检测单元便会自动发生报警，提醒管理者对其进行处理[2]。

3.4 应用效果

3.4.1 控制板运行状态

将保护控制装置设置在动力UPS 中，将充电电流分为3 个阶段，分别为1 A、10 A 和30 A，在充电电流的背景下实施，电压数值为532 V，将限压单元设置为13.3 V。在电流为30 A 的状态下持续运行8 h，室温30 ℃，关键器件温度均低于75 ℃，与器件的运行温度条件相符合。在电流为10 A 的状态下运行时，被限压充电的蓄电池电压数值发生变化，在13.3～13.6 V，与之并联的限压控制单元中电流在0.1～10 A 之间浮动，电池电流则在10 A 到0.1 A 之间浮动，与设计情况充分符合。

3.4.2 蓄电池充电情况

将保护控制安装到蓄电池后，在充电结束时便可对不同蓄电池的电压情况进行观察和分析。从结果可以看出，对于不同蓄电池来说，在充电结束后电压值均超过13 V，电压最低值13.16 V、最高值13.57 V。其中，16#、21#、26#、36#、39%与40#电池经过限压控制之后，均被控制在13.6 V 之内；06#蓄电池的电压不超过11 V，在限压控制后电压数值达到13.16 V。在电压被限制之前与之后进行对比可知，限压后的电池电压一致性明显优于限压之前。采用20 Ω 放电电阻对第2 组电池在充电后进行放电，当电压降低到460 V 时，电流为23.50 A，持续放电165 min，再对其进行限压控制；在充电完毕后，持续放电165 min，此时电流数值为23.90 A，电压为467 V。为了减少蓄电池充电的实际电量受到充电先后次序的影响，在充电结束后开展放电实验，仍然采用20 Ω 的放电电阻，当放电时间为165 min 时，放电电压数值降低到461 V 时，电流为23.53 A，但由于变化过小可以忽略不计，不会对实验结果产生太大影响。

3.5 实验结果

实验结果表明，在蓄电池组中未安装充电保护时，无论是电压一致性还是储能情况，均没有安装保护装置的效果好。因此，应将充电保护装置安装其中，使蓄电池组中的放电容量得以提升。对于变频器负载来说，通常关断电压在420～440 V，要求电池组的电压超过440 V。在本方案中采用460 V 电池组为终止电压，应预留安全余量，确保安全可靠。

4 结论

综上所述，在日常蓄电池应用中，为了提高输出电压通常将多个电池串联起来使用，针对在工作过程中出现的过充电、过放电等情况，应通过安装充电保护装置的方法，有效防止过充电情况发生，降低蓄电池自燃、自爆的风险，提高电池使用效率与寿命，满足现实需求。