张 健1, 冉建国2, 陈胜军2
      (1.唐山供电公司 河北 唐山 063000)
      (2.北京集能伟业电子科技公司 北京100083)

摘 要:探讨了电源系统中浮充电压对阀控式铅酸蓄电池寿命的影响,要保证蓄电池的使用寿命,必须有合适的浮充电压。讨论了传统的均衡充电不适合阀控式铅酸蓄电池的原因，提出了蓄电池组主动均衡的方法。通过主动均衡,可以使电池电压达到足够的均衡精度,保证电池的安全稳定和延长电池的使用寿命。

关键词:阀控式铅酸电池;浮充电压;主动均衡

Research on the Active Equalization for Standby Power Supply VRLA Battery
ZHANG Jian1, RAN Jian-guo2, CHEN Sheng-jun2

(1. Tangshan Power Supply Company, Hebei Tangshan 063000,China)

(2. Beijing Intelligent Power System Co.,Ltd.Beijing 100083,China)

Abstract:This paper discusses VRLA battery life related to the floating voltage in standby power supply. To ensure the battery life, there must be appropriate floating voltage. We analyze the reason why the traditional equalizing charge method is not suitable for the VRLA battery. Based on the analysis, a way named by the battery active equalization is proposed. Through the active equalization, battery voltage can achieve a sufficient balance accuracy, which ensures the security and stability of the battery.
Keywords: VRLA Battery;Active Equalization

Keywords: VRLA Battery;Active Equalization

电力电源、通信电源、UPS/EPS是广泛使用的电源系统。无论哪种电源系统都是用户负载安全运行的重要保障。

近年来,随着高频开关电源的普及,阀控式铅酸蓄电池已在电源系统得到广泛应用。由于其全密封、无需加水及调酸等维护,俗称“免维护”蓄电池。但在实际使用中,许多电池远未达到设计寿命,甚至使用一年左右就报废的也有。造成电池不能达到额定使用寿命的原因除了电池本身的质量问题以外,充电不当是其主要原因。因此,正确使用和维护阀控式铅酸蓄电池,提高其使用寿命,具有十分重要的意义。

1   浮充电压对电池寿命的影响

电池在充电时的端电压等于电池的开路电压与极板的极化电压之和,对于阀控铅酸蓄电池,在浮充状态下主要是正极板极化电压。图1为J.J.Lander在1951～1956年间在美国海军研究中心的研究成果。图中表明极板的极化电压与腐蚀系数之间的关系。正常的腐蚀系数为1,随着极化电压的增高和降低都会加速极板的腐蚀。最佳的极化电压应限制在方框之内,即极化电压应在50～120mV之间。

                             图1  极板的极化电压与腐蚀系数的关系曲线 

                              图2  浮充电压与极化电压的关系曲线

图2表明浮充电压与极化电压的关系。随着浮充电压的提高,极化电压也增高,因此浮充电压必须限制在一定范围之内,应在2.23～2.27V之间。

除了极板腐蚀外，过高的浮充电压也会造成电池的失水，过低的浮充电压会造成电池硫化。因此，极板腐蚀、电池失水、电池硫化是电池失效的主要模式。因此对电池设定精确的浮充电压对保证使用寿命是十分必要的。

但在电池组中各个电池的浮充电压是不平衡的。造成电池电压不均衡的原因是电池间的漏电流不同。由于串联电池组的浮充电流相同,不同的漏电流长期积累必然引起电池电压的不同,有些电池欠充、有些电池过充。电池漏电流不同的原因有以下几种:

(1)制造的原因。两个电池之间在制造过程中必然存在某种差异,造成漏电流不同;

(2)电池室中温度差异。由于光照、空调等原因,电池室内不同地点的温度存在差异,通常电池组中最高和最低温度相差5℃左右。电池在不同的温度下有不同的漏电流,温度越高漏电流越大；

(3)软短路。电池在使用过程中,有些电池中的活性物质会在相邻极板中逐渐形成通路,造成自放电加大。长时间会使该电池电压降低,而使其他电池电压升高。

欲保证电池有精确的浮充电压,达到电池额定使用寿命,要满足以下条件:

(1)充电机输出的浮充电压要精确,纹波要小;

(2)要根据电池室环境温度调整浮充电压;

(3)电池室环境温度不能太高或太低,最好维持在20℃～30℃之间;

(4)电池之间电压要均衡。

前两个条件目前都可以满足,第3个条件通过室内设置空调也不难满足,目前问题最大的是第4个条件,电池之间的电压存在较大的不均衡。

2   目前充电方法存在的问题

2.1   目前使用的充电方法

如图3所示,目前的充电方法采用三段式,先以0.1C的电流恒流充电,当蓄电池电压上升到均充电压(2.35×N)时,变为恒压充电,充电电流逐渐下降,当降到0.01C时开始计时,三小时后转浮充电。

                                             图3  三段式充电法充电曲线

目前,智能直流电源采用自动均衡充电的方式运行,如图4所示。每隔一段时间(一般为三个月)充电机自动转入均衡充电,重复上述充电过程,充满后转浮充。当交流电源中断后由电池供电,交流电源恢复后重复上述充电过程。

                                            图4  自动均衡充电法充电曲线

2.2   传统的充电方式对阀控铅酸蓄电池的影响

(1)较高的均衡充电电压对电池的影响

所谓均衡充电,就是均衡电池特性的充电,是指在电池的使用过程中,因为电池的个体差异、温度差异等原因造成电池端电压不平衡,为了避免这种不平衡趋势的恶化,需要提高蓄电池组的充电电压,对蓄电池进行均衡充电,达到各个单只电池的端电压相等。

毫无疑问,这个定义是在传统的铅酸电池维护中提出来的,并不适用于免维护电池。

在以前的电池维护中，伴随着均衡充电的过程是进行电池比重的调整，也就是说采用添加蒸馏水的办法补充水量，以保持电池的均衡性。但在免维护电池中，在现有的维护制度下是不能加水的，这样一来，将不可避免造成电池的失水、电池干枯。

事实上，均衡充电电压，对于大多数电池来说,都是较高的浮充电压。在这种情况下，对于大多数正常的电池来说，无疑是处于过充电状态。这将产生大量的O2和H2。理论上讲，阀控密封电池是不失水的，但事实是不可避免的:首先，化学反应效率是不可能达到100%的，不能复合的气体在电池内部形成一定的压力，压力超过安全控制阀阀值时，阀门打开，气体从控制阀中排出。其次,电池是不可能完全密封的，电池失水是一个缓慢的过程。

免维护电池失水会与普通铅酸电池一样,会造成电池的伤害,影响电池的容量与寿命,还存在免维护电池独特的故障特点。免维护电池的失水,必然引起电池内部胶体电解液液面的降低,当电解液的高度低于极板时,由于系统的复合效率不可能是100%,因此将有部分氧气在正极板电解液浸泡处发生下列反应:

O2+2H2SO4+2Pb=2PbSO4+2H2O

产生后的PbSO4、H2O将流回电解液中,在充电过程中上述反应不断产生,这样一来,极板上部的铅被不断地转移到下部,在长期使用后,极板汇流条慢慢地被腐蚀,直致电池最终出现断路。

(2)传统的均衡充电方法并不能达到电池均衡

                             图5  传统方法提高充电电压进行电池均衡的电压曲线

图5所示采用传统的提高充电电压进行电池均衡的方法。从图中看出均衡充电85h后电池并未均衡。在实际运行的电池组中,同样存在类似情况,电池之间存在较大的电压差,最高电池与最低电池电压差甚至超高1V。所以传统的均衡方式并不能解决免维护电池的均衡问题。很多供电部门已取消了均衡充电,如唐山供电公司。

图6是采用均衡器对电池作主动均衡,十几个小时后,电池电压趋于一致。

                                 图6  采用均衡器对电池作主动均衡的电压曲线

3   电池不均衡现状及对电池产生的影响

表1是美国对有线电视用12V铅酸电池组所做的统计。检测846组,总共2538只电池。

                                 表1  12V阀控式铅酸蓄电池组电压偏差统计表

如表中所示,第一列为电池电压与标准电压的偏差值,从-0.8V到+1.1V,第二列为对应的电池个数,第三列为占总数的百分比,第四列为换算成25℃时的电池寿命,第五列为电池极板腐蚀的加速系数。从中可以看出,随着电池充电电压偏差的加大,极板腐蚀加速系数增大,电池寿命缩短。因此,对电池组各单体电池之间做电压均衡是非常必要的,它可以使电池组中各电池寿命趋于一致,避免电池的早期失效。12V电池组中电池之间的电压差应限制在60mV之内。

图7为根据上表作出的电压偏差分布图。

                                                  图7  电池电压偏差分布图

图8为电池电压偏差对电池寿命的影响。从中可以看出,12V电池偏离标准电压100mV以上就会对电池寿命产生明显影响。

                                       图8  电池浮充电压偏差对电池寿命的影响

4   充电方法和优点

4.1   主动均衡器的原理及采用主动均衡后的充电方法

如上所述，传统的均衡充电不能使阀控式电池达到电压均衡的目的，必须使用主动均衡的方式使电池电压达到平衡。主动均衡的方法很多,主要有:

(1)电阻放电法。每只电池通过一个开关并联一个电阻,当充电电压大于电池的最高限压时,使开关闭合,通过电阻使充电电流旁路,而其他电池继续充电,直到所有电池都充满。此电路的优点是方法简单,缺点是要将多余的能量消耗掉,转变成热量,效率低,对电池组又带来了散热的新问题。此方法只适用于小容量电池,因为放电电流不可能太大,一般限制在100～200mA之间。

(2)“开关电容”法。在每两只电池间或多只电池间通过双向开关并联一个电容,在两只电池间频繁切换电容,使电压高的电池电量流向电压低的电池。

(3)“变压器”法。变压器原边接电池组电压,副边为多个相同绕组,每个电池对应一个绕组。原边接控制开关控制均衡过程。均衡时,副边输出电压相同,SOC低的电池会接受更多电流,从而使电池组达到均衡。缺点是线圈存在漏感和互感,做到各绕组输出电压完全一致较困难。

(4)DC/DC转换法。通过DC/DC转换将SOC高的电池能量向SOC低的电池转移。

在经过深入研究各种均衡方法后,提出了解决方案。此方案不需对现有直流电源做任何改动,将均衡器与电池电压巡检仪集成在一起,接线方式与电压巡检仪相同,同时兼有电池电压均衡和电压巡检的功能。每个模块负责8只电池的电压检测和均衡,对于多于8只的电池组,通过通讯线将模块级联起来实现整组电池的检测和均衡。数据可通过通讯总线传到主机，如图9所示。

                                                          图9  接线原理图

均衡器采用能量变换的方式,将电压高的电池能量转移到电压低的电池上,从而达到电压平衡,使整组电池的各个电池电压趋于一致。笔者在唐山供电公司220kV变电站安装测试,整组共103只2V,400Ah电池。采用13个检测和均衡模块及一台监控主机。图10是安装主动均衡前后电池浮充电压对比图。

                                                         图10  均衡效果对比图

采用主动均衡后,充电机无需升高电压均衡充电,不需要对充电机的设置进行调整,取消均衡充电。最高充电电压由原来的2.35×N的均充电压降为2.25×N的浮充电压,也无需定期对电池进行均衡充电,从而避免了电池失水、热失控等问题。采用主动均衡后的充电方式如图11所示。

                                               图11  采用主动均衡后的充电方法

4.2   采用电池均衡装置的优点

采用电池均衡装置具有以下优点:

(1)各个单电池电压都均衡的电池组,其性能和寿命与单个电池类似,不会有巨大差异;

(2)可以摆脱由于电池不均衡造成的电池失效,常见的是某些电池长期处于欠充状态下极板硫化失效和过充电造成电池失水;

(3)加主动均衡的电池组不再需要被动均衡的高压过充电,可降低最高充电电压,这样可以使电池失水更少,延长电池寿命,并且大大降低电池热失控的可能性;

(4)当电池组中某只电池损坏后,只需将该只电池更换,而不需整组更换,可节约可观的费用。均衡器将使新旧电池电压保持一致,正常工作。

5   结束语

要增加阀控式铅酸电池组的安全可靠性，提高使用寿命，正确充电是非常重要的。由于备用电源电池长期处于浮充状态,所以,精确的浮充电压对电池寿命至关重要。要有精确的浮充电压,必须使充电机浮充电压准确,并随环境温度的变化进行调节,最后要使各单电池的电压一致,才能保证正确的充电电压。传统的均衡充电方法通过升高充电电压达到电池均衡的目的,这种方法适合老式开口式铅酸电池,并不适合阀控式铅酸电池。因此必须采用主动均衡的方法使电池达到均衡状态。通过对各种均衡方法的深入研究,研制了适合阀控式铅酸电池的均衡器,达到了12V电池组最大压差在100mV之内,2V电池组最大压差在20mV之内的目标。满足了电池均衡的要求,提高了电池组的安全可靠性和使用寿命。

参考文献

[1] LOHNER A,KARDEN E,DEDONCKER R W.Charge equalizing and lifetime increasing with a new charging method for VRLA batteries.in Proc.IEEE Int.l. Telecommunications Energy Conf.,1997,407-411. Melbourne,Vic.,Australia.

[2] OLSON J B, SEXTON E D.Operation of lead-acid batteries for HEV applications. in Proc. IEEE Ann. Battery Conf.Appl.Advances, 2000,205-210.Long Beach, CA, USA.

[3] Nasser H. Kutkut Remy Trouche Improving the performance of stationary battery strings via individual battery equalization. white paper, Power Designers, Inc., Madison, WI53703, USA,2004.

[4] 赵进科,北京电力公司直流电源设备运行管理情况分析[J],电力设备,2005 Vol.6 No.9.

[5] 冉建国,陈胜军,通过电池均衡提高铅酸电池组寿命[J].电源技术,2006 ,Vol.30 No.7 P.576-57.

作者简介

张 健（1957-),男,河北唐山人,工程师,主要研究方向为电力系统及自动化。