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(chē)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(guò)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(méi)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(méi)有充滿電，而有的蓄電池已經(jīng)發(fā)生過(guò)充電的現(xiàn)象,。蓄電池長(zhǎng)期過(guò)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āＫ?，為防止這種情況發(fā)生,，防止蓄電池的過(guò)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(guò)充電的技術(shù)只在電動(dòng)汽車(chē)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(guò)程,。在充電過(guò)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(guò)程中和使用過(guò)程中經(jīng)過(guò)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(guò)程的均壓控制,。

當(dāng)發(fā)生過(guò)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(guò)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(guò)程中任意一只蓄電池過(guò)充電，與電動(dòng)汽車(chē)蓄電池組的工作過(guò)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(lái)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(zhǎng)時(shí)期的浮充電和瞬間大電流放電的過(guò)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(guò)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(guò)充電,，由于長(zhǎng)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(guò)充電,，或過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程可以看出，電動(dòng)汽車(chē)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(wèn)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(lái)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(méi)有配置均壓控制的功能[11-12],。

在實(shí)際應(yīng)用中,，由于長(zhǎng)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(lái)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(lái)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(guò)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(lái)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(méi)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(guò)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(lái)說(shuō)[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(guò)對(duì)充電結(jié)束時(shí)電壓過(guò)低的蓄電池的解剖分析來(lái)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(lái)分擔(dān)這些電壓,，從而造成這些蓄電池的過(guò)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(méi)有意義，在充電階段依靠比較長(zhǎng)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(guò)充電，如圖3所示,。

圖3  標(biāo)稱額定電壓12V蓄電池防過(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)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(lái)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(guò)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(guò)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(méi)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(guò)10A,。

對(duì)于更大充電電流和超過(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(méi)有其他的蓄電池來(lái)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(lái)分擔(dān),，這就會(huì)造成這些蓄電池內(nèi)單格蓄電池的過(guò)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(wú)人值守運(yùn)行[15]的,，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)這一問(wèn)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(guò)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(guò)多的蓄電池充不滿電或電壓過(guò)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(wèn)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)14V的蓄電池,，經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(méi)有增加充電保護(hù)的蓄電池組,，無(wú)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(méi)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(guò)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(lái)說(shuō)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,。