蓄電池組被廣泛應(yīng)用于交通,、電氣、通信及自動(dòng)化等領(lǐng)域,，需要存儲(chǔ)電能供電的設(shè)備,，可起到移動(dòng)式或固定安裝式直流供電的作用。在蓄電池組存儲(chǔ)的電能釋放完后,，需要對(duì)其進(jìn)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(lián)或并聯(lián)使用（充電或放電），電動(dòng)汽車電池組有的可能是以96只串聯(lián)使用,。
即便是同種規(guī)格的蓄電池串聯(lián)充電,，蓄電池的電性能也各有差異（比如容量、內(nèi)阻,、工作電壓等）,，充電回路是將蓄電池組看作單個(gè)高壓蓄電池，每次都對(duì)整個(gè)蓄電池組進(jìn)行充電,。如果蓄電池組中的某個(gè)蓄電池容量稍微低于其他的蓄電池,，那么經(jīng)過多個(gè)充電/放電周期后，其充電狀態(tài)將逐漸偏離其他蓄電池,。
如果這個(gè)蓄電池的充電狀態(tài)沒有周期性地與其他蓄電池平衡,，那么最終將進(jìn)入深度放電狀態(tài)，從而導(dǎo)致?lián)p壞,。這時(shí),，如果繼續(xù)對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電，就會(huì)出現(xiàn)有的蓄電池還遠(yuǎn)沒有充滿電,，而有的蓄電池已經(jīng)發(fā)生過充電的現(xiàn)象,。蓄電池長期過充電對(duì)蓄電池的危害非常大[1-2]，甚至?xí)鹦铍姵氐娜紵虮?。所以,，為防止這種情況發(fā)生，防止蓄電池的過充電非常地必要,。
而目前串聯(lián)蓄電池組充電中防止單只蓄電池過充電的技術(shù)只在電動(dòng)汽車的電池管理控制系統(tǒng)中有應(yīng)用[3-4],，是一個(gè)快速充電和連續(xù)的放電過程。在充電過程中,，并不能保證串聯(lián)蓄電池組內(nèi)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(jīng)過多次均衡才能達(dá)到各只蓄電池電壓基本一致[5-6]。并不能實(shí)現(xiàn)充,、放電全過程的均壓控制,。
當(dāng)發(fā)生過充和電壓不平衡時(shí)，進(jìn)行多次的能量轉(zhuǎn)移,，經(jīng)歷一定的時(shí)間才能達(dá)到均壓,。這在快速充電時(shí)，會(huì)發(fā)生個(gè)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(shí)補(bǔ)救,。
本文論述的是，應(yīng)用于動(dòng)力UPS[7]防止串聯(lián)蓄電池組在充電過程中任意一只蓄電池過充電,，與電動(dòng)汽車蓄電池組的工作過程有很大的不同,。
1 概述
動(dòng)力UPS應(yīng)用于抗電網(wǎng)閃絡(luò)[8-9],，是化工生產(chǎn)裝置抗電網(wǎng)閃絡(luò)的一種很好的解決方案，有越來越多的化工生產(chǎn)裝置應(yīng)用動(dòng)力UPS,。動(dòng)力UPS的儲(chǔ)能設(shè)備是由2～40只額定電壓2～36V鉛酸蓄電池串聯(lián)組成的,。
其工作特性是一個(gè)長時(shí)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(shí)間內(nèi)（0～12h內(nèi),，視蓄電池組的放電深度而定）就能一次對(duì)蓄電池組充滿電，然后一直處于浮充電狀態(tài),，直到蓄電池組再次放電為止,。
蓄電池組工作放電時(shí)，持續(xù)時(shí)間只有幾秒鐘甚至是毫秒級(jí)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(fù)工作[11],。蓄電池組工作放電是在動(dòng)力UPS檢測(cè)到電網(wǎng)閃絡(luò)時(shí)向其所帶負(fù)載供電的過程,。
從這里可以看出，動(dòng)力UPS的各只蓄電池,，只要在充電時(shí)不會(huì)發(fā)生過充電,，由于長時(shí)期的浮充電狀態(tài)，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(shí),，才能保證動(dòng)力UPS能夠可靠的工作。
動(dòng)力UPS蓄電池組充電時(shí),，是否充滿電是按整組的額定電壓進(jìn)行判定,。分兩個(gè)充電階段，起初是以恒流充電,，當(dāng)電池組電壓達(dá)到一定值后進(jìn)行恒壓充電,。目前，動(dòng)力UPS的充電控制系統(tǒng)并不能保證串聯(lián)蓄電池組內(nèi)每個(gè)蓄電池都能充電到其額定電壓,。
一旦個(gè)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(jù)串聯(lián)分壓原理,，就會(huì)導(dǎo)致其他的蓄電池過充電，或過充電的蓄電池會(huì)導(dǎo)致其他的蓄電池不能充滿電,。
蓄電池過充電對(duì)其損害很大,，蓄電池經(jīng)常充不滿電不僅影響蓄電池的性能，也使動(dòng)力UPS工作的可靠性下降,，這將影響動(dòng)力UPS的抗電網(wǎng)閃絡(luò)的能力,。因此，動(dòng)力UPS串聯(lián)蓄電池組的充電系統(tǒng)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(shí)不會(huì)發(fā)生過充電,，進(jìn)入浮充狀態(tài)時(shí)都能夠充滿電的控制設(shè)備。
從動(dòng)力UPS的工作過程可以看出,，電動(dòng)汽車的蓄電池管理控制系統(tǒng),，由于應(yīng)用的對(duì)象不同，并不適用于動(dòng)力UPS串聯(lián)蓄電池組的充電要求,，其本身的優(yōu)缺點(diǎn)[12]不是本文討論的重點(diǎn),，這里不再做詳細(xì)的分析。
目前動(dòng)力UPS蓄電池組的管理控制系統(tǒng),，還不是很完善,。如果不解決好動(dòng)力UPS蓄電池組的充放電管理控制問題，將不能保證動(dòng)力UPS的功能的可靠性,。
以某型標(biāo)稱12V額定電壓的鉛酸蓄電池（以下簡(jiǎn)稱蓄電池）為例,，由6個(gè)額定2V的單格（單體）蓄電池串聯(lián)組成。按照該型蓄電池的技術(shù)規(guī)范,，在0℃～40℃范圍內(nèi),，推薦的充電電壓一個(gè)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(shí)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(lián)使用為例，其充滿電時(shí)的總電壓就是544V,，最低允許放電電壓是420V,。
以某動(dòng)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(jié)合的方法來進(jìn)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(lián)充電原理圖
在圖1中,，蓄電池組根據(jù)充電需要,，是用多臺(tái)或一臺(tái)充電機(jī)對(duì)其進(jìn)行充電，或者多臺(tái),、一臺(tái)充電機(jī)對(duì)多組蓄電池組進(jìn)行充電,，采用恒電流充電和恒電壓充電相結(jié)合的方法，以及相應(yīng)的蓄電池組管理系統(tǒng)構(gòu)成,，目前還沒有配置均壓控制的功能[11-12],。
在實(shí)際應(yīng)用中,，由于長時(shí)期的浮充電，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)個(gè)別蓄電池溫度同同組的其他蓄電池的溫度相比偏高,，測(cè)量溫度偏高的蓄電池的內(nèi)阻也基本在正常的范圍內(nèi),。未進(jìn)行放電時(shí)其正負(fù)極間的電壓也在正常范圍內(nèi)。
進(jìn)行維護(hù)放電時(shí)發(fā)現(xiàn)其電壓迅速下降,，充電時(shí)電壓迅速回升,，而有的蓄電池一直充不到正常的電壓值（測(cè)量蓄電池內(nèi)阻明顯偏大），如圖2所示,。
圖2 未進(jìn)行限壓控制時(shí)蓄電池充滿電后的電壓情況
用來測(cè)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(yùn)行狀況目前比較良好,，各個(gè)蓄電池的電壓比較均衡,，因此用蓄電池組2來做測(cè)試。蓄電池的規(guī)格是12V 120Ah,。
從圖2可以看出,，40只串聯(lián)充電的蓄電池，當(dāng)充電結(jié)束時(shí),，即電池組總電壓達(dá)到544V的理論值時(shí),。（圖2中的總電壓是蓄電池的檢測(cè)總電壓，同充電機(jī)設(shè)定值544V存在著檢測(cè)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(jīng)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(shí)電性能基本一致,，但使用一段時(shí)間后，必然會(huì)產(chǎn)生一定的偏差,，這種偏差會(huì)隨著使用時(shí)間的增加越來越大,。如果多只蓄電池串聯(lián)充電，使蓄電池容量的差異等的增大,，就必然會(huì)存在相同的充電時(shí)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(shí)又沒有對(duì)單只蓄電池進(jìn)行限壓,，出現(xiàn)串聯(lián)蓄電池組中有些蓄電池過充電,，而有些蓄電池欠充電的結(jié)果就是必然的了。
對(duì)于后備式供電的蓄電池組來說[13],，經(jīng)常處于浮充電的狀態(tài),。每個(gè)串聯(lián)的蓄電池的性能、狀態(tài)雖然在投用初期相對(duì)比較一致,，但隨著使用時(shí)間的增加總會(huì)出現(xiàn)狀態(tài)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(tài)就會(huì)加速蓄電池間的差異，這個(gè)差異又會(huì)進(jìn)一步加大蓄電池之間的電壓的差異,，這是一個(gè)惡性循環(huán),。
通過對(duì)充電結(jié)束時(shí)電壓過低的蓄電池的解剖分析來看,，個(gè)別單格蓄電池已經(jīng)極間短路,，很可能是鉛絨短路造成的[14]。如果有多個(gè)這種單格蓄電池發(fā)生短路等情況,，根據(jù)串聯(lián)分壓原理,，就要由其他的蓄電池來分擔(dān)這些電壓，從而造成這些蓄電池的過充電現(xiàn)象,，使危害范圍擴(kuò)大,。這就迫切需要限制單只蓄電池的充電電壓。
根據(jù)上述的分析,，對(duì)于動(dòng)力UPS的蓄電池,，其充放電的保護(hù)，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(shí)間才能實(shí)現(xiàn)均壓的方法也不太可靠,，因此必須具有在充電階能實(shí)時(shí)地限壓控制。這里設(shè)計(jì)一種串聯(lián)蓄電池組的充電保護(hù)控制,，能夠防止單個(gè)蓄電池的過充電,，如圖3所示。
圖3 標(biāo)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(gè)獨(dú)立的控制單元,，每個(gè)單元對(duì)應(yīng)一只蓄電池,，實(shí)現(xiàn)對(duì)單只蓄電池防止過充電的保護(hù)和故障報(bào)警及控制回路的短路保護(hù)。蓄電池以單只標(biāo)稱12V額定電壓的蓄電池為例來說明,。對(duì)于標(biāo)稱12V額定電壓的蓄電池,，一般要求充滿電時(shí)的電壓為13.6V。
電壓控制單元用晶體管電路限制an,、bn兩點(diǎn)之間的電壓（n=2,…,40）,，當(dāng)an、bn之間的電壓低于13.3V時(shí),，可正常對(duì)an,、bn之間的蓄電池進(jìn)行充電，在an,、bn之間的電壓達(dá)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(duì)未滿13.3V的其他蓄電池不會(huì)產(chǎn)生分流作用,，從而起到防止蓄電池過充電的保護(hù),。蓄電池充放電檢測(cè)控制單元監(jiān)測(cè)電壓控制單元、故障指示及短路保護(hù)單元的故障并進(jìn)行指示和聲光報(bào)警,。
每個(gè)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(lián)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(shù)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(huì)比較大,，但蓄電池電壓都比較低，充電保護(hù)回路分流的電流幾乎沒有,。而在充電的后期,，才是該保護(hù)控制回路真正起作用的時(shí)候，但這時(shí)的充電電流已經(jīng)很小了,，一般不會(huì)超過10A,。
對(duì)于更大充電電流和超過40只蓄電池串聯(lián)使用的蓄電池組，可以進(jìn)一步對(duì)充電保護(hù)回路的允許最大電流和保護(hù)控制單元回路數(shù)進(jìn)行擴(kuò)充,。根據(jù)蓄電池的最高充電電壓的要求,，通過調(diào)整電壓控制回路的控制電壓，以滿足標(biāo)14V以下各種規(guī)格的蓄電池的過充電保護(hù),。
對(duì)于初次充電,，由于要達(dá)到均衡充電，單個(gè)蓄電池充電電壓將達(dá)到14.4V,，就需要暫時(shí)隔離這一保護(hù)控制,。
根據(jù)規(guī)范要求[1]，需要對(duì)蓄電池組內(nèi)每個(gè)蓄電池進(jìn)行電壓監(jiān)測(cè)和表面溫度監(jiān)測(cè),。這在大多數(shù)的蓄電池組的管理系統(tǒng)中已經(jīng)具有,，這里不再贅述。
大多數(shù)動(dòng)力UPS的充電機(jī)的充電電壓是預(yù)設(shè)定的,，為了方便討論,，本文就以這種充電機(jī)對(duì)蓄電池的充電為例來討論。對(duì)于標(biāo)稱12V額定電壓由40只蓄電池串聯(lián)使用的蓄電池組,，如果把充電機(jī)的充電電壓設(shè)置為544V,，當(dāng)發(fā)生單格蓄電池極間短路時(shí)，就會(huì)發(fā)生其他的蓄電池已經(jīng)充滿電了（由于過充電保護(hù)控制,，電壓被限制在13.6V）,，充電機(jī)還一直對(duì)這一故障蓄電池進(jìn)行充電。
由于沒有其他的蓄電池來分擔(dān)這一電壓，只能由這一蓄電池內(nèi)的其他單格蓄電池來分擔(dān),，這就會(huì)造成這些蓄電池內(nèi)單格蓄電池的過電壓,。為了避免發(fā)生這種情況，就需要對(duì)充電機(jī)的充電電壓進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整,。動(dòng)力UPS是無人值守運(yùn)行[15]的,，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)這一問題，會(huì)造成該只蓄電池的進(jìn)一步損壞,。
對(duì)于標(biāo)稱12V額定電壓的40只串聯(lián)蓄電池組的充電電壓本例中設(shè)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(gè)別蓄電池充不滿電,，低于13.3V,，由于有12V的可調(diào)整電壓范圍（其他狀態(tài)較好的蓄電池可以提高0.3V的充電電壓進(jìn)行調(diào)整）,，即便存在狀態(tài)不太好的蓄電池，充電機(jī)也不會(huì)對(duì)蓄電池組內(nèi)狀態(tài)不太好的蓄電池一直進(jìn)行充電,，從而避免這些蓄電池內(nèi)單格蓄電池的過電壓,。
這樣，在滿足絕大多數(shù)的情況下,，都能使蓄電池進(jìn)行正常的充放電,。在少數(shù)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(diào)整電壓滿足不了需要，就需要有報(bào)警甚至聯(lián)鎖停機(jī)的設(shè)置,。對(duì)于具有充電電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的充電機(jī)就不存在這個(gè)問題[16-17],，但是，不具有對(duì)蓄電池組內(nèi)狀態(tài)不好的蓄電池單獨(dú)進(jìn)行充電的功能,。
充電電壓設(shè)置到532V,，可能會(huì)造成大多數(shù)的蓄電池充不到13.6V的電壓。從使用經(jīng)驗(yàn)來看,，蓄電池充電到13.3V左右的電壓對(duì)蓄電池更有利,，實(shí)際容量下降得也不多。這樣,，在532V的充電電壓下,，當(dāng)蓄電池狀態(tài)比較均勻時(shí)，都能充到13.3V左右的電壓,。
當(dāng)個(gè)別蓄電池由于性能的下降不能充電的13.3V的電壓時(shí),，就由其他的蓄電池的充電電壓的升高來分擔(dān)這些電壓，但每一只蓄電池的充電電壓都不會(huì)超過13.6V的最大允許電壓的要求。
蓄電池充放電檢測(cè)控制單元能夠?qū)φ麄€(gè)蓄電池組的充放電進(jìn)行控制,。在本方案中預(yù)設(shè)的特殊情況是,，是否有超過一半的蓄電池（所占比例根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整）已經(jīng)達(dá)到額定的充滿電的電壓，一旦達(dá)到就認(rèn)為是已經(jīng)完成整組蓄電池的充電,，處于浮充電狀態(tài),。
如果此時(shí)的充電電流仍然大于5A（根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整）并連續(xù)超過5min（根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整），蓄電池充放電檢測(cè)控制單元就會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警,，提醒維護(hù)人員進(jìn)行處理,。蓄電池充放電檢測(cè)單元已有成熟的技術(shù)和設(shè) 備[11,13]，本文不再贅述,。
2 投用運(yùn)行效果
2.1 保護(hù)控制板調(diào)試運(yùn)行情況
該保護(hù)控制裝置安裝于某動(dòng)力UPS,，分別在1A、10A,、30A充電電流下運(yùn)行,，充電機(jī)充電電壓532V，各限壓?jiǎn)卧脑O(shè)定電壓13.3V,。30A下運(yùn)行8h,，主要元器件在環(huán)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(dāng)充電機(jī)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(shí)，與之并聯(lián)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(duì)應(yīng)變化,，這與設(shè)計(jì)的情況完全一致。
2.2 增加保護(hù)控制設(shè)備后對(duì)蓄電池的充電情況
圖4所示是蓄電池組增加這一保護(hù)控制后,，在充電結(jié)束時(shí)各個(gè)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(gè)蓄電池在充電結(jié)束時(shí)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(jīng)過限壓控制后,，都被控制在了13.6V以內(nèi)。
而圖2中06#蓄電池的電壓低于11V,，經(jīng)過限壓控制后,，充電電壓達(dá)到了13.16V。蓄電池充電限壓控制前,、后電壓的一致性的對(duì)比如圖5所示,。從圖5可以看出，經(jīng)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(shí)的電壓情況
圖5 限壓控制前后蓄電池電壓一致性對(duì)比
用標(biāo)稱20?放電電阻對(duì)第2組蓄電池先進(jìn)行未限壓控制時(shí)在充電結(jié)束后（總電壓532V）進(jìn)行放電，當(dāng)蓄電池組的放電電壓下降到460V時(shí),，放電電流是23.50A,，放電時(shí)間是165min。然后進(jìn)行限壓控制在充電結(jié)束后（總電壓532V）同樣放電165min時(shí),，此時(shí)的放電電流為23.90A,，蓄電池組的電壓為467V。檢測(cè)工具是FLUKE125表,。
為了避免蓄電池實(shí)際充電容量受充,、放電先后順序的影響，之后再次進(jìn)行未限壓控制時(shí)在充電結(jié)束后進(jìn)行放電試驗(yàn),，仍使用上述的放電電阻，當(dāng)放電時(shí)間達(dá)到165min時(shí),，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(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，沒有增加充電保護(hù)的蓄電池組，無論是蓄電池的充電電壓的一致性和實(shí)際儲(chǔ)能容量,，都沒有增加充電保護(hù)后的蓄電池組的好,。
因此，在增加充電保護(hù)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(duì)于變頻器負(fù)載來說的,，因?yàn)橐话阕冾l器的關(guān)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(diǎn),，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。
