關(guān)于蓄電池組充電的認(rèn)識

　
　　本文根據(jù)我們多年從事直流系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，試圖對后備蓄電池組的充電方式進(jìn)行一些探討，，希望能起到拋磚引玉的作用，研究出一種更加合理的蓄電池組充電方法。


2　現(xiàn)今蓄電池組充電方式存在的缺陷

　　在現(xiàn)今大部分后備電源（直流系統(tǒng)，ups等）中能量的存儲都是用蓄電池組來實(shí)現(xiàn)的。那么作為不間斷供電的最后一道保障的蓄電池組的性能就顯得至關(guān)重要了。囿于半導(dǎo)體變流技術(shù)及成本的原因我們一直采用的充電方式是如下圖所示的單充電機(jī)對整組串聯(lián)蓄電池充電。

　　充電機(jī)以恒壓限流方式永遠(yuǎn)與電池組并聯(lián)在一起，理論上當(dāng)電池組容量損失后，充電機(jī)將自動(dòng)補(bǔ)充，但在實(shí)際應(yīng)用中我們發(fā)現(xiàn)這種系統(tǒng)存在以下幾方面問題。
　　
　　首先，單體蓄電池特性存在較大差異，即便是同一批出廠的蓄電池其特性也偏差較大（在國產(chǎn)電池中表現(xiàn)的尤為突出），因此在運(yùn)行中將其作為一個(gè)整體一起充放電，無法根據(jù)單電池運(yùn)行參數(shù)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行充放電，勢必造成某些電池過充電或欠充電，也可能引起過放電，這也是為什么蓄電池在成組運(yùn)行時(shí)普遍達(dá)不到標(biāo)稱壽命的重要原因之一。

　　其二，在此種運(yùn)行方式中檢測單體蓄電池的電壓、內(nèi)阻是比較困難的?，F(xiàn)在普遍采用的是單獨(dú)加裝蓄電池檢測裝置，但蓄電池檢測裝置又不能很好的和充電機(jī)配合。從以上兩點(diǎn)我們可以看出在此系統(tǒng)中按蓄電池狀態(tài)（電壓、內(nèi)阻、剩余容量、溫度等參數(shù)）及充電曲線對蓄電池進(jìn)行管理只不過是一句空話。另外單獨(dú)加裝蓄電池檢測裝置也勢必造成成本的上升。

　　其三，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，高頻開關(guān)電源以其體積小，重量輕，效率高，噪聲小的優(yōu)勢大有取代傳統(tǒng)晶閘管整流電源的趨勢，但是采用如方案一中的充電方式，因?yàn)槌潆姍C(jī)需要提供較高的充電電壓和較大的輸出容量，對器件和技術(shù)以及工藝要求很高，大家都知道IGBT是很難超過20KHz的，而MOS-FET如果用于大電流回路中起結(jié)壓降又很大，發(fā)熱量也就很大，所以限于器件及工藝原因單體高頻開關(guān)電源（>20KHz）目前輸出容量超過6KW是很困難的，所以大多采用小模塊并聯(lián)均流的運(yùn)行方式，但模塊數(shù)量和復(fù)雜程度的增加也就帶來了可靠性的降低，為此又提出了N+1冗余備分的概念，這就陷入了一個(gè)技術(shù)上的惡性循環(huán)，頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳。

　　其四，請大家注意由于鎘鎳蓄電池存在記憶效應(yīng)，它并不適于此種運(yùn)行方式。但因?yàn)殒k鎳蓄電池的高倍率放電能力，為了追求低成本我們在為數(shù)不少的此種系統(tǒng)中采用了鎘鎳蓄電池，這是錯(cuò)誤的。因此鎘鎳蓄電池不適用于浮充電方式運(yùn)行，我們也就不過多討論了。


3　關(guān)于蓄電池組充電方式的一種理想的解決方案

　　那么是否有一種更加完善的解決方案呢？筆者經(jīng)過多次推敲思考，提出以下方案供大家探討，稱不上嚴(yán)密，僅僅是一種思路。其原理如下：

　　大家可以看到在此系統(tǒng)中蓄電池的充電和檢測是以每節(jié)為單位進(jìn)行的，所有充電及電池檢測模塊都含有處理單元，自行處理充電及檢測過程。所有模塊均由監(jiān)控單元通過通訊總線根據(jù)電池運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)統(tǒng)一協(xié)調(diào)進(jìn)行。正常運(yùn)行時(shí)每組充電模塊串聯(lián)形成一個(gè)整體電源為負(fù)荷供電，并且對每個(gè)蓄電池進(jìn)行浮充電，當(dāng)交流電源停電時(shí)蓄電池將為負(fù)荷提供電源。所有充電模塊及電池采用熱插拔可抽出式結(jié)構(gòu)，對模塊及蓄電池的更換和檢修將不會影響系統(tǒng)的運(yùn)行。在本系統(tǒng)中以上三方面問題將會得到很好的解決。

　　首先，在本系統(tǒng)中單節(jié)蓄電池的充電是獨(dú)立進(jìn)行的，在每個(gè)充電模塊完全可以結(jié)合每節(jié)蓄電池的運(yùn)行參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)科學(xué)的對每解蓄電池進(jìn)行充放電，避免了因蓄電池參數(shù)不一致引起過充電，欠充電，以及過放電等問題的發(fā)生，保證了電池的使用壽命。

　　其二，在本系統(tǒng)中，每節(jié)蓄電池的檢測和充電處于同一模塊中，有機(jī)的結(jié)合在一起。一方面電池檢測部分可以通過控制充電部分輕易實(shí)現(xiàn)電池電壓、內(nèi)阻的檢測。另一方面充電部分又可以根據(jù)檢測單元測得參數(shù)（包括單電池內(nèi)阻、電壓、溫度、PH值）對電池進(jìn)行合理的充電。真正實(shí)現(xiàn)了按蓄電池充電曲線結(jié)合其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行管理的思路。

　　其三，我們知道現(xiàn)在小容量高頻開關(guān)電源的實(shí)現(xiàn)是很容易的，對器件和工藝不需要很高的要求。同時(shí)也具有很高的可靠性。大家可以對比一下在方案一中以現(xiàn)今普遍采用220V/10A模塊比較，其輸出功率為最高電壓280V*10A=2800W，而在蓄電池容量超過800AH系統(tǒng)中我們還需要采用輸出電流為20A的模塊，其輸出功率更高達(dá)5600W，大的輸出容量自然對高頻器件和制造工藝提出了更高的要求，同時(shí)使可靠性降低。

　　而在方案二中以可能采用的最大電池容量來講如采用2V/1000AH電池那么單模塊容量為

　　0.1C（10小時(shí)充電率）A*2.5V(蓄電池最高電壓)=250W式中C為蓄電池容量，
　
　　而如果采用300AH/12V蓄電池系統(tǒng)中，單模塊容量為

　　0.1C（10小時(shí)充電率）A*15V（蓄電池最高電壓）=450W

　　*注意超過300AH的蓄電池多為2V每節(jié)

　　可以看出在方案二中單模塊容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于方案一中的單模塊容量，所以實(shí)現(xiàn)起來非常容易，對器件和制造工藝沒有太高要求，可靠性也就得到了提高。

　　大家應(yīng)該注意到本方案二中沒有備分的概念，其原因之一是本身小容量充電設(shè)備的高可靠性使得它不需要備分，原因之二在于熱插拔抽出式結(jié)構(gòu)的采用，和二極管D*的存在在更換檢修模塊和電池時(shí)只是系統(tǒng)的電壓會降低一些（在允許范圍內(nèi)），將不會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此本系統(tǒng)不需要額外的冗余備分。


4　成本是否會增加？

　　下面我們將就大家比較關(guān)心的系統(tǒng)成本的問題進(jìn)行一些探討。
在方案中二模塊的數(shù)量將增加很多，但是由于其容量小，其對器件和制造工藝的要求很低，以及量產(chǎn)的原因，較之于方案一其成本非但不會增加反而有可能下降。另外由于方案二中模塊中包括蓄電池檢測部分，不需要單獨(dú)加裝蓄電池檢測裝置，其成本將會進(jìn)一步下降。


5　結(jié)語

　　為了解決問題我提出了對蓄電池充電方式的一點(diǎn)見解，新的方案的提出必然有很多不周到的地方，但技術(shù)總是要不斷進(jìn)步和完善的，希望各位同行給予更多寶貴意見，以使蓄電池管理的技術(shù)更加完善。