蓄電池組防止過充電保護控制

宋江頌

（江蘇德力化纖有限公司，江蘇 宿遷　223800）

蓄電池組被廣泛應用于交通、電氣、通信及自動化等領域，需要存儲電能供電的設備，可起到移動式或固定安裝式直流供電的作用。在蓄電池組存儲的電能釋放完后，需要對其進行充電，以便再次使用。蓄電池組一般是以2～40只單只蓄電池串聯或并聯使用（充電或放電），電動汽車電池組有的可能是以96只串聯使用。即便是同種規格的蓄電池串聯充電，蓄電池的電性能也各有差異（比如容量、內阻、工作電壓等），充電回路是將蓄電池組看作單個高壓蓄電池，每次都對整個蓄電池組進行充電。如果蓄電池組中的某個蓄電池容量稍微低于其他的蓄電池，那么經過多個充電/放電周期后，其充電狀態將逐漸偏離其他蓄電池。如果這個蓄電池的充電狀態沒有周期性地與其他蓄電池平衡，那么最終將進入深度放電狀態，從而導致損壞。這時，如果繼續對蓄電池組進行充電，就會出現有的蓄電池還遠沒有充滿電，而有的蓄電池已經發生過充電的現象。蓄電池長期過充電對蓄電池的危害非常大[1-2]，甚至會引起蓄電池的燃燒或爆炸。所以，為防止這種情況發生，防止蓄電池的過充電非常地必要。而目前串聯蓄電池組充電中防止單只蓄電池過充電的技術只在電動汽車的電池管理控制系統中有應用[3-4]，是一個快速充電和連續的放電過程。在充電過程中，并不能保證串聯蓄電池組內的每只蓄電池電壓保持一致，在充電過程中和使用過程中經過多次均衡才能達到各只蓄電池電壓基本一致[5-6]。并不能實現充、放電全過程的均壓控制。當發生過充和電壓不平衡時，進行多次的能量轉移，經歷一定的時間才能達到均壓。這在快速充電時，會發生個別蓄電池的過電壓或使整組蓄電池不能充滿電的情況，是事后的及時補救。

本文論述的是，應用于動力 UPS[7]防止串聯蓄電池組在充電過程中任意一只蓄電池過充電，與電動汽車蓄電池組的工作過程有很大的不同。

1　概述

動力 UPS應用于抗電網閃絡[8-9]，是化工生產裝置抗電網閃絡的一種很好的解決方案，有越來越多的化工生產裝置應用動力UPS。動力UPS的儲能設備是由 2～40只額定電壓 2～36V鉛酸蓄電池串聯組成的。其工作特性是一個長時期的浮充電和瞬間大電流放電的過程。要求在蓄電池放電后，在較短的時間內（0～12h內，視蓄電池組的放電深度而定）就能一次對蓄電池組充滿電，然后一直處于浮充電狀態，直到蓄電池組再次放電為止。蓄電池組工作放電時，持續時間只有幾秒鐘甚至是毫秒級的，但放電電流是幾倍于蓄電池組 I3[10]的大電流放電，然后又快速充滿電，如此重復工作[11]。蓄電池組工作放電是在動力UPS檢測到電網閃絡時向其所帶負載供電的過程。從這里可以看出，動力UPS的各只蓄電池，只要在充電時不會發生過充電，由于長時期的浮充電狀態，就能保證每只蓄電池都能充滿電。只有在蓄電池都充滿電時，才能保證動力UPS能夠可靠的工作。

動力UPS蓄電池組充電時，是否充滿電是按整組的額定電壓進行判定。分兩個充電階段，起初是以恒流充電，當電池組電壓達到一定值后進行恒壓充電。目前，動力UPS的充電控制系統并不能保證串聯蓄電池組內每個蓄電池都能充電到其額定電壓。一旦個別蓄電池性能變差，充不上電或充不滿電，在總電壓一定的情況下，根據串聯分壓原理，就會導致其他的蓄電池過充電，或過充電的蓄電池會導致其他的蓄電池不能充滿電。蓄電池過充電對其損害很大，蓄電池經常充不滿電不僅影響蓄電池的性能，也使動力 UPS工作的可靠性下降，這將影響動力UPS的抗電網閃絡的能力。因此，動力 UPS串聯蓄電池組的充電系統就要具有在一套充電電源的情況下，滿足每一只蓄電池都能夠在快速充電時不會發生過充電，進入浮充狀態時都能夠充滿電的控制設備。

從動力UPS的工作過程可以看出，電動汽車的蓄電池管理控制系統，由于應用的對象不同，并不適用于動力UPS串聯蓄電池組的充電要求，其本身的優缺點[12]不是本文討論的重點，這里不再做詳細的分析。目前動力UPS蓄電池組的管理控制系統，還不是很完善。如果不解決好動力UPS蓄電池組的充放電管理控制問題，將不能保證動力UPS的功能的可靠性。

以某型標稱12V額定電壓的鉛酸蓄電池（以下簡稱蓄電池）為例，由6個額定2V的單格（單體）蓄電池串聯組成。按照該型蓄電池的技術規范，在0℃～40℃范圍內，推薦的充電電壓一個單格蓄電池是2.27V，放電終止電壓是1.75V。這樣，一只蓄電池在充滿電時的允許最大電壓是 13.6V，放電允許最低電壓是10.5V。那么，以40只蓄電池串聯使用為例，其充滿電時的總電壓就是544V，最低允許放電電壓是420V。

以某動力UPS的蓄電池組的充電為例，采用如圖1所示的充電回路，是用恒電流充電和恒電壓充電相結合的方法來進行的，在蓄電池充電的后期一般都是恒電壓的充電方式。

圖1　蓄電池串聯充電原理圖

在圖1中，蓄電池組根據充電需要，是用多臺或一臺充電機對其進行充電，或者多臺、一臺充電機對多組蓄電池組進行充電，采用恒電流充電和恒電壓充電相結合的方法，以及相應的蓄電池組管理系統構成，目前還沒有配置均壓控制的功能[11-12]。

在實際應用中，由于長時期的浮充電，經常發現個別蓄電池溫度同同組的其他蓄電池的溫度相比偏高，測量溫度偏高的蓄電池的內阻也基本在正常的范圍內。未進行放電時其正負極間的電壓也在正常范圍內。

進行維護放電時發現其電壓迅速下降，充電時電壓迅速回升，而有的蓄電池一直充不到正常的電壓值（測量蓄電池內阻明顯偏大），如圖2所示。

圖2　未進行限壓控制時蓄電池充滿電后的電壓情況

用來測試的UPS裝置配置了兩組蓄電池，蓄電池組1和蓄電池組2。由于蓄電池組1的運行狀況目前比較良好，各個蓄電池的電壓比較均衡，因此用蓄電池組 2來做測試。蓄電池的規格是 12V 120Ah。

從圖2可以看出，40只串聯充電的蓄電池，當充電結束時，即電池組總電壓達到 544V的理論值時。（圖2中的總電壓是蓄電池的檢測總電壓，同充電機設定值 544V存在著檢測偏差，所以圖中的總電壓顯示是 546V），不是有些蓄電池過充電（其中有 5只已經充到 14V以上），就是有些蓄電池欠充電（最低的不足11V）。盡管蓄電池出廠時電性能基本一致，但使用一段時間后，必然會產生一定的偏差，這種偏差會隨著使用時間的增加越來越大。如果多只蓄電池串聯充電，使蓄電池容量的差異等的增大，就必然會存在相同的充電時間和充電電流，不同的蓄電池電壓上升的快慢就不一樣。充電時又沒有對單只蓄電池進行限壓，出現串聯蓄電池組中有些蓄電池過充電，而有些蓄電池欠充電的結果就是必然的了。

對于后備式供電的蓄電池組來說[13]，經常處于浮充電的狀態。每個串聯的蓄電池的性能、狀態雖然在投用初期相對比較一致，但隨著使用時間的增加總會出現狀態的差異。電壓的差異一旦超出安全范圍，這種浮充電的工作狀態就會加速蓄電池間的差異，這個差異又會進一步加大蓄電池之間的電壓的差異，這是一個惡性循環。通過對充電結束時電壓過低的蓄電池的解剖分析來看，個別單格蓄電池已經極間短路，很可能是鉛絨短路造成的[14]。如果有多個這種單格蓄電池發生短路等情況，根據串聯分壓原理，就要由其他的蓄電池來分擔這些電壓，從而造成這些蓄電池的過充電現象，使危害范圍擴大。這就迫切需要限制單只蓄電池的充電電壓。

根據上述的分析，對于動力UPS的蓄電池，其充放電的保護，在放電階段的均壓控制沒有意義，在充電階段依靠比較長的時間才能實現均壓的方法也不太可靠，因此必須具有在充電階能實時地限壓控制。這里設計一種串聯蓄電池組的充電保護控制，能夠防止單個蓄電池的過充電，如圖3所示。

圖3　標稱額定電壓12V蓄電池防過充電控制原理

圖3中的電壓控制單元是2～40個獨立的控制單元，每個單元對應一只蓄電池，實現對單只蓄電池防止過充電的保護和故障報警及控制回路的短路保護。蓄電池以單只標稱12V額定電壓的蓄電池為例來說明。對于標稱12V額定電壓的蓄電池，一般要求充滿電時的電壓為13.6V。

電壓控制單元用晶體管電路限制an、bn兩點之間的電壓（n=2,…,40），當 an、bn之間的電壓低于13.3V時，可正常對an、bn之間的蓄電池進行充電，在an、bn之間的電壓達到13.3V后，電壓控制單元控制充電回路來分流an、bn之間的蓄電池的充電電流，對未滿13.3V的其他蓄電池不會產生分流作用，從而起到防止蓄電池過充電的保護。蓄電池充放電檢測控制單元監測電壓控制單元、故障指示及短路保護單元的故障并進行指示和聲光報警。

每個蓄電池防止過充電電壓控制單元最大允許電流0～30A，適用于2～40只蓄電池串聯充電控制回路。蓄電池的充電電流一般控制在 I10，0～30A的充電電流范圍可以滿足絕大多數蓄電池的充電要求。另一方面，在充電的前期，雖然充電電流可能會比較大，但蓄電池電壓都比較低，充電保護回路分流的電流幾乎沒有。而在充電的后期，才是該保護控制回路真正起作用的時候，但這時的充電電流已經很小了，一般不會超過10A。

對于更大充電電流和超過 40只蓄電池串聯使用的蓄電池組，可以進一步對充電保護回路的允許最大電流和保護控制單元回路數進行擴充。根據蓄電池的最高充電電壓的要求，通過調整電壓控制回路的控制電壓，以滿足標14V以下各種規格的蓄電池的過充電保護。

對于初次充電，由于要達到均衡充電，單個蓄電池充電電壓將達到 14.4V，就需要暫時隔離這一保護控制。

根據規范要求[1]，需要對蓄電池組內每個蓄電池進行電壓監測和表面溫度監測。這在大多數的蓄電池組的管理系統中已經具有，這里不再贅述。

大多數動力UPS的充電機的充電電壓是預設定的，為了方便討論，本文就以這種充電機對蓄電池的充電為例來討論。對于標稱 12V額定電壓由 40只蓄電池串聯使用的蓄電池組，如果把充電機的充電電壓設置為 544V，當發生單格蓄電池極間短路時，就會發生其他的蓄電池已經充滿電了（由于過充電保護控制，電壓被限制在13.6V），充電機還一直對這一故障蓄電池進行充電。由于沒有其他的蓄電池來分擔這一電壓，只能由這一蓄電池內的其他單格蓄電池來分擔，這就會造成這些蓄電池內單格蓄電池的過電壓。為了避免發生這種情況，就需要對充電機的充電電壓進行手動調整。動力UPS是無人值守運行[15]的，很難及時發現這一問題，會造成該只蓄電池的進一步損壞。

對于標稱12V額定電壓的40只串聯蓄電池組的充電電壓本例中設定的充電電壓是532V，即平均每只蓄電池的電壓是 13.3V，最大限制電壓是13.6V。有個別蓄電池充不滿電，低于13.3V，由于有12V的可調整電壓范圍（其他狀態較好的蓄電池可以提高0.3V的充電電壓進行調整），即便存在狀態不太好的蓄電池，充電機也不會對蓄電池組內狀態不太好的蓄電池一直進行充電，從而避免這些蓄電池內單格蓄電池的過電壓。這樣，在滿足絕大多數的情況下，都能使蓄電池進行正常的充放電。在少數特殊情況下，比如，有過多的蓄電池充不滿電或電壓過低，12V的調整電壓滿足不了需要，就需要有報警甚至聯鎖停機的設置。對于具有充電電壓自動調節功能的充電機就不存在這個問題[16-17]，但是，不具有對蓄電池組內狀態不好的蓄電池單獨進行充電的功能。

充電電壓設置到532V，可能會造成大多數的蓄電池充不到13.6V的電壓。從使用經驗來看，蓄電池充電到13.3V左右的電壓對蓄電池更有利，實際容量下降得也不多。這樣，在532V的充電電壓下，當蓄電池狀態比較均勻時，都能充到13.3V左右的電壓。當個別蓄電池由于性能的下降不能充電的13.3V的電壓時，就由其他的蓄電池的充電電壓的升高來分擔這些電壓，但每一只蓄電池的充電電壓都不會超過13.6V的最大允許電壓的要求。

蓄電池充放電檢測控制單元能夠對整個蓄電池組的充放電進行控制。在本方案中預設的特殊情況是，是否有超過一半的蓄電池（所占比例根據實際運行情況進行調整）已經達到額定的充滿電的電壓，一旦達到就認為是已經完成整組蓄電池的充電，處于浮充電狀態。如果此時的充電電流仍然大于 5A（根據實際運行情況進行調整）并連續超過 5min（根據實際運行情況進行調整），蓄電池充放電檢測控制單元就會進行聲光報警，提醒維護人員進行處理。蓄電池充放電檢測單元已有成熟的技術和設備[11,13]，本文不再贅述。

2　投用運行效果

2.1　保護控制板調試運行情況

該保護控制裝置安裝于某動力 UPS，分別在1A、10A、30A充電電流下運行，充電機充電電壓532V，各限壓單元的設定電壓 13.3V。30A下運行8h，主要元器件在環境溫度 30℃下表面溫度都在75℃以下，符合這些元器件的溫度工作條件限制。當充電機的充電電流是 10A，被限壓充電的蓄電池的電壓從 13.3～13.6V變化時，與之并聯的限壓控制單元的電流從0.1～10A變化，蓄電池的充電電流則是從 10～0.1A對應變化，這與設計的情況完全一致。

2.2　增加保護控制設備后對蓄電池的充電情況

圖4所示是蓄電池組增加這一保護控制后，在充電結束時各個蓄電池的電壓情況。該組蓄電池和圖2所示的是同一組蓄電池。

從圖4可以看出，各個蓄電池在充電結束時的電壓都在13V以上，最低為13.16V，最高為13.57V。圖 2中 16#、21#、26#、36#、29#、39#、40#電壓超過14V的蓄電池，經過限壓控制后，都被控制在了13.6V以內。而圖2中06#蓄電池的電壓低于11V，經過限壓控制后，充電電壓達到了13.16V。蓄電池充電限壓控制前、后電壓的一致性的對比如圖5所示。從圖5可以看出，經過限壓控制后，同組的蓄電池電壓的一致性明顯好于限壓控制前的情況。

圖4　限壓控制后蓄電池充滿電時的電壓情況

圖5　限壓控制前后蓄電池電壓一致性對比

用標稱20Ω放電電阻對第2組蓄電池先進行未限壓控制時在充電結束后（總電壓532V）進行放電，當蓄電池組的放電電壓下降到 460V時，放電電流是23.50A，放電時間是165min。然后進行限壓控制在充電結束后（總電壓532V）同樣放電165min時，此時的放電電流為 23.90A，蓄電池組的電壓為467V。檢測工具是FLUKE125表。

為了避免蓄電池實際充電容量受充、放電先后順序的影響，之后再次進行未限壓控制時在充電結束后進行放電試驗，仍使用上述的放電電阻，當放電時間達到165min時，蓄電池組的放電電壓下降到461V，放電電流是23.53A，這種微小的變化基本不能改變對比實驗的結果。

實驗結果表明，沒有增加充電保護的蓄電池組，無論是蓄電池的充電電壓的一致性和實際儲能容量，都沒有增加充電保護后的蓄電池組的好。

因此，在增加充電保護后，還可以一定程度地提高蓄電池組的有效放電容量，只不過不是很明顯。有效放電容量在這里是對于變頻器負載來說的，因為一般變頻器的關斷電壓是 420～440V，蓄電池組的電壓就需要在440V以上，本方案是按460V作為蓄電池組放電終止電壓的參考點，留有一定的安全余量。所以單只蓄電池并不能深度放電到10.5V。

3　結論

增加這一限壓保護控制設備后，會有以下的有益效果：

1）2～40只蓄電池串聯充電時該保護控制設備可對每一只蓄電池進行防止過充電保護，即能夠對24～544V的充電電壓范圍內的儲能單元進行全過程的、實時的防止過充電保護，這在客觀上保證了各只蓄電池的最終充電電壓基本保持一致，能夠保證整組蓄電池充滿電。

2）過充電會加速蓄電池的老化或報廢。由于該過充電保護控制設備能夠使串聯蓄電池組中的每一只蓄電池在充電結束時的充電電壓基本保持一致和在允許的安全充電電壓范圍內，這就減小了蓄電池組自燃、爆炸的風險，保證每只蓄電池都能充滿電，從而提高了蓄電池組的工作效能和使用壽命。對于長時間不能充滿電的蓄電池，就需要特殊的維護保養或更換。

3）具有完善的故障診斷和保護功能。控制電路簡潔可靠，實用性強，經濟性好，維護簡單。

本限壓控制設備，經過實際運行實驗，達到了預期的目的。

當然，受實驗條件的限制，用來對比測試的動力UPS是處于在線運行當中，為了減小對生產的影響，對蓄電池組進行限壓控制前、后的充電電壓分別使用了 544V（原來的運行條件）和 532V（限壓控制的運行條件）做比對，存在一定的缺陷。同時，上述對比實驗數據還不是很充分。目前，實現了±0.3V的均壓控制，有待進一步控制偏差范圍。對于以后實際應用中出現的問題，還將會進一步完善。