光伏發(fā)電儲(chǔ)能電池放電控制的溫度補(bǔ)償研究

陳義鵬， 焦斌亮，2， 王海明， 王秉榮

(1.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島 066004；2.河北省特種光纖與光纖傳感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004；3.河北科技師范學(xué)院，河北秦皇島 066004)

鑒于經(jīng)濟(jì)性、安裝環(huán)境等因素的考慮，在目前應(yīng)用的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中普遍采用VRLA串聯(lián)電池組作為系統(tǒng)儲(chǔ)能部分，由于室外環(huán)境溫度變化大，未做電池組隨環(huán)境溫度變化進(jìn)行充放電狀態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償而造成電池組壽命縮短的問(wèn)題已明顯暴露了出來(lái)[1]。在實(shí)際運(yùn)行中，環(huán)境溫度對(duì)VRLA蓄電池性能的影響比較大，VRLA蓄電池的最佳環(huán)境運(yùn)行溫度為25℃，在此溫度下，有利于蓄電池達(dá)到最長(zhǎng)壽命。

如果使用環(huán)境溫度過(guò)高，使VRLA蓄電池在充電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)擴(kuò)散到空氣中去，加速了電解液的損失，同時(shí)也容易通過(guò)殼體損失水分，導(dǎo)致電解液的比重升高加速了正極板柵的腐蝕，最終導(dǎo)致VRLA蓄電池未達(dá)到電池的設(shè)計(jì)壽命而提前失效。

蓄電池的浮動(dòng)充電電壓和周?chē)h(huán)境溫度以及蓄電池溫度具有近似的線(xiàn)性相關(guān)性，環(huán)境溫度變化過(guò)快會(huì)導(dǎo)致蓄電池壽命的縮短[2]。

在一定溫度范圍內(nèi)，蓄電池的壽命隨溫度的升高而延長(zhǎng)。在10～35℃間，每升高1℃，大約增加5～6個(gè)充放電循環(huán)，在35～45℃之間，每升高1℃可延長(zhǎng)壽命25個(gè)循環(huán)以上；高于50℃則因負(fù)極硫化容量損失而限制壽命[3]。電池壽命在一定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而增加，是因?yàn)槿萘侩S溫度升高而增加。如果放電容量不變，則在溫度升高時(shí)其放電深度降低，故壽命延長(zhǎng)。串聯(lián)電池組的可持續(xù)放電能力以狀況最差的那一塊電池的容量值為準(zhǔn)，而不是以平均值或額定值(初始值)為準(zhǔn)[4]。

因此在實(shí)際應(yīng)用中，如果不同溫度下設(shè)定相同的放電終止電壓，將導(dǎo)致溫度高時(shí)蓄電池過(guò)放電、溫度低時(shí)蓄電池使用不充分。所以我們?cè)诜烹娍刂齐娐分性黾恿藴囟妊a(bǔ)償模塊，隨著溫度的變化調(diào)節(jié)蓄電池的放電終止電壓。

1 溫度補(bǔ)償電路的分析

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)中，在線(xiàn)使用的分析儀器通常需要解決溫度補(bǔ)償問(wèn)題，采用人工調(diào)節(jié)控制，既不準(zhǔn)確也不方便，因此為確保儀器的測(cè)量精度，應(yīng)采用自動(dòng)溫度補(bǔ)償控制方法。

1.1 自動(dòng)溫度補(bǔ)償電路

利用集成運(yùn)算放大器和鉑熱電阻可以構(gòu)成自動(dòng)溫度補(bǔ)償電路，其原理圖見(jiàn)圖1。圖1中A為集成運(yùn)算放大器，Rt為Pt100鉑熱電阻，其阻值隨溫度的變化而變化。

圖1 運(yùn)算放大器與鉑熱電阻構(gòu)成的溫度傳感電路

在圖1中得到輸出電壓的表達(dá)式：

鉑熱電阻隨溫度變化，使輸出電壓V o隨溫度變化。

1.2 改進(jìn)的溫度補(bǔ)償電路

阻抗傳感器，一般被稱(chēng)作阻抗溫度探測(cè)器（RTDs），普遍用于溫度的檢測(cè)。RTDs是基于鉑金、銅和鎳，鉑金是傳感的要素。

圖2中的電阻R s為NTC（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻），當(dāng)R1*與R1取值相同時(shí)，輸出電壓V o為(V1－V2)=I×R s，隨著溫度的升高，輸出電壓逐漸變小。

圖2 溫度傳感電路

圖2中的輸出電壓輸入到圖3中，通過(guò)比較單元、控制單元，控制蓄電池在－15～55℃的環(huán)境下終止電壓隨溫度更精確的變化，能有效地維護(hù)蓄電池的工作。

圖3 放電控制原理框圖

2 溫度補(bǔ)償在放電控制中的工作原理

如圖4所示的電路結(jié)構(gòu)中,溫度補(bǔ)償電路與放電控制電路一起相輔相成達(dá)到本文所述目的,在放電控制電路中，由分壓電阻得到蓄電池的實(shí)時(shí)端電壓值，與預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)電壓通過(guò)電壓比較器LM339中進(jìn)行比較，當(dāng)蓄電池端電壓高于每段的基準(zhǔn)電壓時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，當(dāng)蓄電池端電壓低于某段的基準(zhǔn)電壓時(shí)，對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管熄滅。通過(guò)7個(gè)發(fā)光二極管的亮滅可直觀(guān)地知道蓄電池組的放電程度。

圖4 溫度補(bǔ)償電路應(yīng)用結(jié)構(gòu)框

應(yīng)當(dāng)注意：（1）雖然溫度增加可以增大當(dāng)蓄電池的輸出容量，但超過(guò)一定界限時(shí)，易使正極板彎曲和減少負(fù)極板的容量，同時(shí)也增大了蓄電池的局部放電。因而正常使用時(shí)，一般使蓄電池工作在其要求范圍內(nèi)；（2）當(dāng)一個(gè)充滿(mǎn)電的蓄電池在低溫放電時(shí)，達(dá)到其終止電壓，由于硫酸電解液溫度降低而引起的放電容量的降低，并不能說(shuō)明蓄電池?fù)p失了一部分容量，只要增大電解液溫度，則蓄電池還能恢復(fù)其容量。

為了更加有效地保護(hù)和使用蓄電池，延長(zhǎng)蓄電池的壽命，溫度較高時(shí)應(yīng)該減小蓄電池的放電深度、提高其終止端電壓，溫度較低時(shí)應(yīng)該適度增大蓄電池的放電深度、降低其終止端電壓。溫度補(bǔ)償電路在放電控制中的作用即是如此，通過(guò)鉑熱電阻隨溫度的變化來(lái)調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓，溫度升高使基準(zhǔn)電壓隨之升高，溫度降低時(shí)基準(zhǔn)電壓隨之降低，從而達(dá)到在不同溫度環(huán)境下控制蓄電池放電深度的效果。

3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)針對(duì)標(biāo)稱(chēng)端電壓為12 V，容量38 Ah的VRLA電池進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

（1）R1=R2=1 kΩ，R3=110Ω的情況下，圖1中各電阻取值如表1所示。

表1 圖1中備申池的取值

通過(guò)表1中的數(shù)據(jù)可以得知在0、25、50℃不同溫度下鉑熱電阻阻值的變化，V o表示不同溫度下放電開(kāi)始時(shí)的輸出電壓，V o'表示不同溫度下放電截止時(shí)的電壓值。

（2）根據(jù)圖3的實(shí)驗(yàn)原理得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 圖3實(shí)驗(yàn)原理得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)擴(kuò)大溫度范圍、減小溫度間隔的溫度補(bǔ)償，蓄電池能更有效地工作在低溫和高溫的環(huán)境下。

4 溫度補(bǔ)償電路的應(yīng)用小結(jié)

本文所述自動(dòng)溫度補(bǔ)償電路可用于在線(xiàn)分析儀器檢測(cè)信號(hào)的溫度補(bǔ)償與信號(hào)放大,如數(shù)字式工業(yè)酸度計(jì)測(cè)量信號(hào)的自動(dòng)溫度補(bǔ)償?shù)取?/p>

改進(jìn)的溫度補(bǔ)償電路應(yīng)用于光伏系統(tǒng)中，是對(duì)VRLA蓄電池組放電控制環(huán)節(jié)進(jìn)一步的完善，使整個(gè)光伏系統(tǒng)能夠適用于更為復(fù)雜多變的環(huán)境。

[1]DAVID L，THOMASB R.電池手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)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.鉛蓄電池技術(shù)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：78.

[4]張芳，王海明，焦斌亮.VRLA電池組內(nèi)阻及其對(duì)性能影響的分析[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008，11(11)：44-47.