能量回收式蓄電池自舉放電法研究

2018-04-09 13:00:53王廷滿魏慶安

通信電源技術 2018年1期

王廷滿，崔　波，魏慶安

(大慶油田信息技術公司，黑龍江大慶 163113)

0　引　言

蓄電池做為重要的后備保障電源，在通信、信息、電力等諸多領域都有大量使用，它的運行狀況關乎系統的安全運行。為了掌握蓄電池的真實容量，規程要求定期對蓄電池進行必要的放電試驗，并據此來考量它的蓄電保障能力。但在幾種傳統的放電方式中，卻存在如下一些缺陷和弊端。

(1)假負載放電法：該法是用阻性放電器對退出運行的一組蓄電池進行放電試驗(另一組保持浮充供電)，將電能轉換成熱能后釋放掉。其缺陷是造成能源浪費和環境溫度上升。一些較大且重要的系統為確保供電安全，一般采用此法進行放電實驗。

(2)實際負荷放電法：該法是將整流設備關掉，由兩組蓄電池為負載供電。此法可以避免能源浪費，但存在放電末期電池能量幾乎耗盡時，如遇個別電池電壓急劇下降或市電停電情況下，將給系統帶來非常大的供電風險。因此一般只在市電可靠的小系統中采用此法，并且要求操作人員有較高的判斷處理能力。

(3)整流設備低壓熱備式實際負荷放電法：該法與實際負荷放電法基本相同，區別只是將整流設備輸出調低至蓄電池終止電壓以下，來防止放電末期電池電壓突降造成的供電中斷。但此法不能避免由于放電末期電池能量幾乎耗盡時，遭遇市電停電帶來的供電風險。

總體來看，上述三種放電方式各有利弊。要么放電設備笨重且浪費能源，要么存在嚴重的供電風險。因此，尋求一種既不浪費能源，又能避免供電風險的全新放電模式是本次研究的目標。

1　抬升放電蓄電池電壓構建浮充供電環境

1.1　可行性分析與基礎試驗

浮充狀態是蓄電池運行的最佳環境，幾乎所有領域的蓄電池組大都處于這種浮充環境下。正常情況，浮充供電環境都是由整流設備構建的，但大量的理論分析和各種基礎實驗證明，對于蓄電池而言，只要提供的電壓符合要求，這種最佳環境就建立了。從物理學可知，用兩根長短不一具有一定伸縮性的立柱一起支撐重物時，長的一根將首先受力。當長柱所受重力超過極限而發生回縮時，另一根立柱自然來分擔多余的重力。基于這一現象我們聯想到：能否將放電電池的電壓抬升到浮充電壓的標準，并由其首先承擔負載電流與另一組電池所需的充電電流呢？那么原本電壓相同的一組電池如何為另一組電池和負載建立浮充供電環境呢？問題的關鍵就在于此，理論上講，對其中一組蓄電池增加幾節電池或由市電降壓整流后與放電電池串聯就可把電壓抬升到另一組蓄電池浮充電壓的標準。

1.2　放電蓄電池構建浮充供電模式

在上述兩種抬升電壓方式中，都是增加新的電源，與本文充分利用放電能量的初衷不符。并且串聯幾節電池的基本理論在實踐中是行不通的，由于其電壓無法調節，不能在放電電池電壓降落時保持建立的浮充電壓恒定不變。因此，如何利用放電電池的能量來抬升其自身的電壓，才是本文重點研究和解決的核心問題。

2　蓄電池自舉放電方式實現能量回收技術

圖1為蓄電池自舉放電方式實現能量回收利用的示意圖。由圖1可以看出，由放電蓄電池構建的浮充供電環境與以往的區別僅僅是在原結構中增加一個“自舉電源”設備。這個自舉電源，賦予原本普通的浮充供電模式以全新的內含和質的變化。由圖1的結構可以看出，原本處于被浮充的放電電池，在自舉電源的抬升下，其輸出電壓已高出另一組電池和整流設備的浮充電壓。正是這種改變，使得放電電池和整流設備的主從關系發生了如下改變：(1)對于電池放電電流大于負載電流的系統，負載電流和另一組電池的浮充電流均由放電電池提供，此時的整流設備將處于無輸出的熱備狀態；(2)對于電池放電電流小于負載電流的系統，放電電流優先供應負載，不足的部分將由整流設備自動補足。也就是說，對于負載的通信設備而言，無論電源系統上述關系如何變化，其獲得合格電源保障的要求不會改變。至此，放電過程發生了本質的改變，由傳統放電方式中白白消耗的能量變成通信設備優先使用的負載電流，這也正是該項研究的精髓所在。

圖1　蓄電池自舉放電方式實現能量回收利用示意圖

在基礎試驗中，用串聯可調電源的方法將放電電池的電壓舉升到略高于浮充電壓的標準，成功實現了為另一組電池和負載優先供電的目的。對于放電電池而言，無論是負載電流還是另一組電池的充電電流都是用來考量其蓄電能力的放電電流。實踐中，本文的做法是，利用放電電池的一部份能量，通過DC-DC變換方式產生一個0～10 V的自適應電源，并將這一電源與放電電池疊加后建立另一組電池和負載所需的浮充供電環境。當然，這個自舉電源應能根據放電電池電壓的降落情況，自動調節舉升量來保證所構建浮充電壓的穩定。為了使操作更為簡便，讓這個新建立的浮充電壓(53.8 V)略高于標準浮充電壓(53.5 V)的要求，實現優先整流設備承擔負載電流的目的。當放電電流小于負載電流時，自舉電源將進入限流工作狀態，負載所需電流的不足部分將由整流設備自動補足，即讓整流設備處于無輸出或少輸出的接應狀態。

由于這個舉升電源是取自放電電池本身，所以將其命名為“自舉電源”，而把這種能量回收模式命名為“蓄電池自舉放電能量回收模式”。

3　蓄電池自舉放電能量回收機的設計

3.1　主電路

如圖2所示，本方案采用了兩組并聯推挽式高頻逆變技術，通過脈寬調制(PWM)方式實現自動調節輸出電壓(即舉升量)，從而達到穩定舉升后的浮充電壓。

主電路包括以下幾部分。(1) 輸入濾波電路。為防止逆變部分產生的干擾脈沖污染電源系統，設計了LC型濾波電路，最大限度地隔絕各種雜波倒灌；(2)功率變換電路。該電路是整個“自舉電源”的核心與關鍵。從圖1可以看出，電池放電電壓是被該電源疊加后才具有了優先向系統供電的電壓條件。盡管該電源的電壓很低，最大輸出為10 V，但通過的電池放電電流卻很大，樣機設計為50 A。為了減少變換損耗，采取了兩方面措施，一是采用了IGBT開關元件作為推挽式DC-DC變換器的開關元件，使變換效率和可靠性大大提高；二是采取雙電源并聯結構，以進一步提高電流能力和易于加工制作。為了確保兩個逆變電源輸出電流的均衡性，在挑選變換器IGBT開關元件時，一定要進行測試，盡量選擇參數一致或相近的元件組合；(3)整流濾波電路。為了減少整流元件的壓降損耗，選用了大功率的肖特基整流元件，以及開關電源專用電容實現LC濾波。在選擇肖特基整流元件時，也要求進行測試，盡量選擇參數一致或相近的元件組合。

在自舉放電技術的安全性方面，也是有充分考慮的，安全性是電路設計的基礎和先決條件。由于電池組(48 V)的放電低限約為44 V左右，為此把自舉電源的最大輸出設計為10 V。也就是說，在電池放電末期由其和自舉電源疊加后所建立的浮充電壓也能保持在53.8 V。從另一方面講，即使在裝置失控飛車的極端情況下，這個最大10 V的舉升電壓與44～48 V電池電壓疊加后，其總電壓也在54～58 V的安全供電范圍內。自舉電源的最大輸出與放電電池(43～48 V)疊加后，總電壓也在安全供電范圍內。如果自舉電源因故障沒有輸出，更不存在安全問題，僅僅是沒有實施放電而已。

3.2　控制電路

為確保安全，該自舉電源除具有穩壓、限流功能外，還增設了過流、過壓和欠壓保護功能。因此，相比主電路而言，控制電路相對復雜一些，控制電路原理圖如圖3。

3.2.1集成脈寬控制電路

該電路是為高頻逆變電路中開關元件提供觸發脈沖的，本設計采用電壓脈寬調制(PWM)專用芯片SM3525作為核心元件。首先，放電電池建立的浮充電壓，通過取樣電路中的R2、W1、R3后，將取樣信號送入比較放大器TL431，經過TL431比較放大后，由光耦隔離輸出到專用控制模塊WTM2011的2腳，該輸入信號是一個正比于浮充電壓的變化量，該變化量進一步使WTM2011的1腳輸出一個與之相匹配的調節信號到SM3525的1腳，再由SM3525的11腳和14腳分別輸出(PWM)信號，送到兩組逆變開關元件的控制極。至此，完成了從取樣—處理—控制—調整的整個控制過程。由于該電路屬于常規的脈寬觸發電路，其他幾種調整過程不再贅述。

圖2　自舉電源主電路圖

圖3　自舉電源控制電路原理圖

3.2.2限流、過流保護電路

由于蓄電池的容量不盡相同，為了適應不同容量的蓄電池放電要求，電路中設計了限流功能，以及過流保護功能，其取樣信號取自主電路的輸出分流器。該信號首先送入控制模塊WTM2011的5、7腳進行放大、調理，然后由其3腳以電壓的形式輸出限流調節信號到SM3525的1腳，以實現調節脈寬目的。而WTM2011的6腳也輸出與電流對應的電壓信號供電流表頭顯示，同時作為過流取樣信號送入IC3-B比較器，當信號大于6腳的參考電壓時，IC3-B比較器將輸出高電平直接關閉SM3525，從而實現過流保護。通過調機電位器W3、W4,可以改變限流和過流點。

3.2.3過壓、欠壓保護電路

為防止變換器工作異常而輸出過高，以及防止蓄電池過放電。控制電路設計了輸出過壓和輸入欠壓保護電路。當變換器工作異常使疊加后的輸出過壓時(55 V)，經R25的取樣信號將觸發由IC3-A等組成的過壓保護比較器，其輸出的高電平經D6將電源保持電路IC4復位而關閉脈寬調制電路的電源，使系統停機。欠壓保護信號通過R4也是取自疊加后的輸出電壓。當放電到末期(43.5 V)取樣信號小于設定值時，欠壓保護比較器翻轉，輸出的高電平首先經D1解除對報警電路的控制而發出報警，提示人員做好放電結束前的數據測試。另一方面，比較器輸出的高電平經R6和C5及施密特反相器的延時(約40 s)后，通過D7將電源保持電路IC4復位而關閉脈寬調制電路的電源，使系統停機。

3.2.4控制電源保持電路

為了更方便地實現上述保護功能，本控制電路的電源沒有采用傳統的硬開關電路，而是設計了由D型觸發器等元件組成的雙穩態電路。當系統上電時，正15 V電源首先通過C17使D型觸發器IC4置位，即輸出高電平使BG1和BG2截止，脈寬調制電路處于啟動前的狀態。當需要開機按下AN時，送入D型觸發器CP端的高電平將使其翻轉而輸出低電平。該低電平通過R29使BG1和BG2飽和導通，使脈寬調制電路進入工作狀態。當需要人工停機時，只要再次按下AN使D型觸發器再次翻轉就可實現停機。圖中C18和C19為濾波電容。LD為變換器工作指示燈。

4　比較優勢與應用

本文所研究的“能量回收式蓄電池自舉放電法”，是對傳統“能量消耗型放電法”的一次顛覆性改變。而對于其他能量回收式放電法，如回饋電網法等，因其都是采用了將放電能量全部加工轉換的方法進行回收利用，因此回收效率只能做到60～80%，并且“回饋電網法”的安全性和使用環境廣受質疑，而其他方法也僅僅局限于蓄電池制造廠的特定環境，且是一個復雜的成套系統。而這種能量回收式蓄電池自舉放電模式，只需加工放電能量中的一小部分，由其形成一個小的抬升電壓，就可動員大部分電池能量直接釋放出來。從根本上改變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%。也就是說，該項技術是針對蓄電池應用領域的一項節能技術，試驗樣機應用情況參見圖4。