應急電源的選擇及電量估算①

張吉洋

(陸軍軍事交通學院汽車士官學校,安徽 蚌埠 233000)

1 工程蓄電池的確定

1.1 蓄電池種類選擇

由于液流蓄電池的能量密度大，性能可靠，被廣泛用作為工程中的應急電源。其具有設備規模大；造價便宜且耐久使用；自身結構簡單，價格低廉，維修更換便宜；無毒，有利于環保；可以深度放電，而且無需保護；響應速度快等優點。

最為常見的蓄電池的種類有：鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鋰離子電池、膠體蓄電池等。目前所廣泛使用的閥控式鉛酸蓄電池，由于其沒有記憶功能，即初次充電時可以中斷，而不會影響到后面電池的使用容量，因此常常與逆變裝置配合使用，作為EPS應急電源。這樣，即使在充電過程中因特殊情況而斷開對蓄電池的充電，也不會影響之后作為應急電源對工程中電機的供電情況[1]。

對于蓄電池而言，其參數的確定必須要考慮到工程所驅動設備的實際需要情況。此外，結合工程的實際要求，蓄電池的經濟性，尺寸，充電時間等參數也都是需要考慮到的。

1.2 蓄電池參數確定

在與其他設備配合的參數方面，蓄電池的輸出電壓必須滿足逆變電源的輸入電壓，由于目前三相交流逆變電源大多為24V直流輸入，而很少有鉛酸蓄電池為24V直流輸出，因此必須考慮轉換為多個鉛酸蓄電池串聯，以此作為逆變電源的輸入電源。而串聯會導致少部分能量的丟失，因此蓄電池串聯的個數越少越好，且為了減少供電過程對蓄電池造成的傷害，所串聯的蓄電池最好為同一廠家生產的同一產品。因而，較為合適的選擇是將兩枚12V直流輸出的蓄電池串聯，作為應急電源與逆變電源相連接。

在配合工程的實際需要方面，蓄電池的容量必須滿足工程特殊情況下的工況條件。然而，不能一味的追求延長工作時間而盲目增加蓄電池的容量。容量的增加不僅增加蓄電池的體積、重量，還會導致攜帶、安裝的困難，以及充電時間的增加。以一個容量為150Ah的蓄電池為例，其最佳充電電流為15A；考慮到充電前期對電池過放電的保護以及充電后期防止電流過大對蓄電池造成的損壞，這個兩個階段的充電電流應低于最佳充電電流值15A，即約為10A左右。也就是說，這樣一枚蓄電池，其充電時間大約為13小時～14小時。因此，合理的選擇蓄電池的容量是非常重要的。

2 蓄電池剩余容量分析

2.1 歸一化曲線分析剩余電量

由于蓄電池供電方式的特殊性，若能快速的在線檢測到其運行時的剩余容量或者荷電狀態，則方便使用者或著檢修人員及時了解到蓄電池的運行狀態，以便采取措施，選擇驅動設備的運行狀態，從而防止蓄電池過放電，延長蓄電池的使用壽命。

目前對于蓄電池載荷比(SOC)的研究測量方法有許多，比如電導測量法、電解液密度測量法、放電實驗法以及A·h法等。但其都存在著一些問題，例如電導測量法由于側重于分析蓄電池的放電電流和內阻之間的關系，因而計算誤差較大；電解液密度測量法在分析開口式鉛酸蓄電池上較為合適，而對工程中使用的閥控式密閉鉛酸蓄電池不適用；放電實驗法在實驗過程中易發生短路，且僅適合離線測量，無法對蓄電池的容量進行在線預測；A·h法在其定義中，蓄電池的額定容量受放電電流的變化較大，很難在線預估蓄電池的容量，產生較大誤差。[2-3]

根據李強撰寫的《一種蓄電池剩余容量測試方法的研究》可以得出，當鉛酸蓄電池的性能處于完全穩定的工作狀態時，電池兩端的開路電壓與電池所剩余的電量之間呈線性關系，并且此特性不容易因外部環境溫度變化和電池老化而發生改變。因此，可以推算出在蓄電池的放電過程中，其放電電壓V(t)與其載荷比之間也應該保持某種特性關系，從而進一步分析出可以通過測量帶負載的蓄電池的端電壓來計算出蓄電池容量的方法。

既然蓄電池的開路電壓與其所剩余電量的關系受外部影響很小，那么可以認為只要是同一枚蓄電池，其放電是具有統一性的，也就是說無論其放電率是多少，其電壓，時間歸一化后應基本為同一條曲線。

因此，可以構建如下時間、電壓歸一化公式：

(1)

(2)

其中，為檢測數據時的放電時間，單位為h；T為總共放電長度，單位為h；tu為歸一化時間；V(t)為t時刻，蓄電池的放電電壓，單位為V；Vend為蓄電池的終止電壓，單位為V；V0為蓄電池放電時初始電壓，單位為V；V(tu)為歸一化電壓。

因此，當在線檢測到實時的放電電壓V(t)時，就可以憑借之前計算出的公式求得在歸一化條件下的電壓V(tu)。再根據之前繪制成的歸一化放電曲線找出其對應的歸一化時間tu，最后根據以下電池載荷比估算公式求得當前時刻蓄電池的載荷比。

SOC=(1-tu)×100%

(3)

利用此方法，只要完整的檢測到一組放電率情況下，該蓄電池的放電電壓與放電時間的實驗數據，并繪制出歸一化放電曲線圖，就可以簡單高效的實時估計出之后任意時刻該蓄電池的載荷比，提高蓄電池的使用效率[4]。

2.2 實驗數據分析

本文以三菱FR-E700系列變頻器驅動1.1kW的Y90S-4風機在30Hz轉速下運行的實驗數據為例進行分析。由實驗可知，蓄電池可驅動該風機連續工作7.6h，其端電壓由初始的12V降低到10.27V。因此，結合上述的歸一化曲線分析方法可得以下圖表。

表1 帶負載端電壓法測得蓄電池載荷比表

圖1 閥控式密閉鉛酸蓄電池實驗測量放電曲線

圖2 閥控式密閉鉛酸蓄電池歸一化放電曲線

根據實驗可知，如果將蓄電池長時間處于過度放電，即SOC經常低于20%的狀態下使用，則會對蓄電池帶來很大損害，嚴重縮減蓄電池的使用壽命；相反，如果將蓄電池長時間處于淺度放電，即SOC始終高于50%的狀態下工作，則會有效地保護到蓄電池，充分延長蓄電池的使用壽命；且根據實驗所得數據可知，當蓄電池的剩余電量低于25%時，其電壓會有明顯下降。因此，結合理論與實驗分析，在工程實際運行時一般要保證蓄電池的剩余電量不得低于25%，以確保蓄電池的工作狀態和使用壽命。

分析小結

本文經過分析確定最適合作為應急電源的蓄電池種類，并在分析蓄電池工作特性和工程實際需要的基礎上給出如何合理地確定出蓄電池參數的方法，提出安裝、選擇、使用蓄電池時相應的注意事項?；诶碚撗芯?，本文給出簡單易行的蓄電池剩余電量的估算方法，并通過實驗數據加以驗證。此外，還結合實驗數據給出蓄電池最佳的工作范圍，以此來提高蓄電池的工作狀態。

但值得注意的是，本文在蓄電池剩余電量估算方法選擇時進行了最大程度的簡化，其理論計算數據與實驗結果數據之間還存在著少許誤差。在具體的工程實際應用中，還需反復試驗來減少誤差，從而確保蓄電池的工作效率。

[1] 李強,仰蕾伊.一種蓄電池剩余容量測試方法的研究[J].汽車工業研究,2014,(11): 60-63.

[2] 金曉東,丁明,茆美琴.分布式發電系統中的蓄電池模型[J].儀器儀表用戶,2008, 15(2):88-90.

[3] 易映萍,王國志,姚為正.電力系統中蓄電池放電技術的探討[J].湖南工程學院學報,2006,16(1):1-4.

[4] 金曉東,丁明,茆美琴.分布式發電系統中的蓄電池模型[J].儀器儀表用戶,2008,(15):88-90.