蓄電池均衡維護(hù)系統(tǒng)

1、 蓄電池均衡維護(hù)系統(tǒng)王創(chuàng)社深圳市強(qiáng)能電氣有限公司內(nèi)容提要：蓄電池一般成組使用，由于制造和使用因素，蓄電池組中各個(gè)單體電池性能存在不一致性，而現(xiàn)有電池使用和維護(hù)是對(duì)整組蓄電池進(jìn)行的，由于不一致性的存在，導(dǎo)致蓄電池組中單體蓄電池在充電、放電過(guò)程中存在過(guò)充電、欠充電和過(guò)放電現(xiàn)象，從而影響蓄電池組的使用壽命。本文針對(duì)電池組中各個(gè)單體電池電壓不一致問(wèn)題，介紹了一種蓄電池均衡維護(hù)電路方案及設(shè)備，并介紹了由此設(shè)備組成的蓄電池均衡維護(hù)系統(tǒng)，設(shè)備通過(guò)一種雙向功率變換電路，使電池組中各個(gè)單體電池電壓時(shí)刻保持均衡一致，防止蓄電池組中單體出現(xiàn)過(guò)充電、欠充電和過(guò)放電，從而減緩電池極板腐蝕，預(yù)防蓄電池硫化，延長(zhǎng)電池組的使

2、用壽命。關(guān)鍵詞：蓄電池均衡 雙向變換器0 前言隨著信息、能源、 交通、 電子技術(shù)的快速發(fā)展, 蓄電池目前已被廣泛地應(yīng)用于郵電、通信、電力、電動(dòng)汽車、交通、船舶、航空航天、應(yīng)急照明等諸多領(lǐng)域。我國(guó)是全球蓄電池的產(chǎn)銷大國(guó)，廢舊電池所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題非常突出，國(guó)內(nèi)每年報(bào)廢的蓄電池達(dá)1.2 億只以上，一般中小城市達(dá)10 萬(wàn)只以上，大中型城市則達(dá)幾十萬(wàn)乃至數(shù)百萬(wàn)只，而廢舊蓄電池的回收工作基本處于無(wú)序狀態(tài)，大量的硫酸被任意倒置，廢鉛酸電池也常常因?yàn)樘幚聿划?dāng)或保管不當(dāng)而隨意遺棄。蓄電池的過(guò)早報(bào)廢不僅嚴(yán)重浪費(fèi)能源資源，而且嚴(yán)重污染了生態(tài)環(huán)境，危害人們的身體健康。蓄電池實(shí)際上是一個(gè)“活”的物體，有一定的壽命，

3、從一誕生就時(shí)刻需要人們的維護(hù)照料，否則就會(huì)性能下降，壽命說(shuō)短。蓄電池使用過(guò)程中經(jīng)過(guò)精心的維護(hù)保養(yǎng)，就能充分發(fā)揮蓄電池的性能，使其壽命達(dá)到或接近理論壽命。蓄電池組的使用壽命受多種因素影響，如果電池組壽命低于單體平均壽命的一半以下，可以推斷都是由于使用技術(shù)不當(dāng)造成的，首要原因當(dāng)推過(guò)充電、欠充電和過(guò)放電導(dǎo)致單體電池提前失效。過(guò)充 電 會(huì) 使 鉛 酸 電 池 極 板 腐 蝕加 速 ，脫落、變形，使蓄電池失水甚至干枯，并使蓄電池發(fā)熱甚至出現(xiàn)熱失控，從而降低電池性能和壽命。過(guò)放電或充電不足，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部有大量的硫酸鉛被吸附到蓄電池的陰極表面，使蓄電池的內(nèi)阻變大，充放電性能變差，甚至個(gè)別電池因深度放電引起

4、極性顛倒，導(dǎo)致了電池組的使用壽命嚴(yán)重下降。蓄電池的實(shí)際使用往往需要多個(gè)單節(jié)蓄電池串連起來(lái)才能達(dá)到所需的電壓值。從技術(shù)上講現(xiàn)有蓄電池組使用維護(hù)存在一些缺陷，都是用充電機(jī)對(duì)一組串聯(lián)的蓄電池進(jìn)行整組充電，放電是整組一起放電，并不是對(duì)每個(gè)單節(jié)電池單獨(dú)控制充放電的，這樣，在浮充狀態(tài)下，即使電池組浮充電壓嚴(yán)格按照要求電壓設(shè)定，并根據(jù)溫度對(duì)浮充電壓進(jìn)行補(bǔ)償，由于單節(jié)蓄電池的內(nèi)阻容量等性能不一致，導(dǎo)致各個(gè)單節(jié)蓄電池的實(shí)際承受電壓與要求的浮充電壓發(fā)生偏離，造成部分電池充電電壓過(guò)高處于過(guò)充狀態(tài)，部分電池充電電壓過(guò)低處于欠充狀態(tài)。多次充放電后，單體電池的差異進(jìn)一步放大，單體差異造成電池組中的任何一節(jié)電池不是處于過(guò)充

5、就是欠充，進(jìn)一步導(dǎo)致單體電池性能惡化，形成惡性循環(huán)，降低電池組使用壽命，而且單體電池惡化造成整組電池在“充滿”時(shí)的充電電量低于標(biāo)稱值， 降低電池組的有效存儲(chǔ)電量。鉛酸蓄電池組充電管理的定期（720h）均衡充電，目的是對(duì)蓄電池組中的性能落后蓄電池進(jìn)行補(bǔ)償性充電，但這種充電方式往往把蓄電池組中好的蓄電池過(guò)充電了。并不能有效解決蓄電池組均衡為題。在電池組放電時(shí)，雖然可以精確設(shè)置電池組總的放電截止電壓，但由于電池組中各個(gè)單節(jié)電池的不一致，造成放電后期，有的單節(jié)電池被過(guò)放電，而有的電池的電量并沒(méi)有放完，使電池組的有效使用電量降低。過(guò)充電會(huì)加速蓄電池極板的腐蝕速度等，降低蓄電池的使用壽命；充電不足和過(guò)放電

6、會(huì)造成蓄電池硫化，降低蓄電池性能。為了能夠最大限度的使用蓄電池組的容量，延長(zhǎng)電池組的使用壽命, 就必須對(duì)蓄電池組進(jìn)行有效的均衡管理，必須使電池組中的所有電池在充電時(shí)能夠充滿電而不過(guò)充電，浮充時(shí)每節(jié)電池的電壓精確等于設(shè)計(jì)浮充電壓，放電時(shí)能夠放完電而不過(guò)放電，并且電池組在充放電使用過(guò)程中一旦某節(jié)電池出現(xiàn)過(guò)充電和過(guò)放電現(xiàn)象，能夠及時(shí)糾正，防止電池浮充時(shí)因充電不足出現(xiàn)硫化現(xiàn)象，一旦電池組中某節(jié)電池出現(xiàn)硫化內(nèi)阻增大能夠及時(shí)修復(fù)。電池組的均衡方案分析已經(jīng)有許多對(duì)于電池組均衡管理技術(shù)的相關(guān)研究，其中有的通過(guò)電阻放電將高電壓電池的電能損耗掉，有的則是采用電能的多路輸出方式，將高電壓電池多余的能量傳送給電池組或

7、者傳遞給相鄰的電池，有的方案其電路組成和控制結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)并且維護(hù)不方便，因而使用面較窄。要實(shí)現(xiàn)電池組的有效均衡維護(hù)，均衡器是電池管理系統(tǒng)的核心部件，離開均衡器，管理系統(tǒng)即使得到了電池組測(cè)量數(shù)據(jù)，也無(wú)所作為，也就無(wú)所謂管理。均衡管理方案主要有以下幾種：串聯(lián)型與并聯(lián)型，串聯(lián)型是指在監(jiān)控單體電壓變化的基礎(chǔ)上，通過(guò)串聯(lián)在電池組中的開關(guān)，在滿足一定條件時(shí)把單體電池的充電或負(fù)載回路斷開，使電池電壓均衡。如果蓄電池組使用時(shí)電流很大而且雙極性變化，串聯(lián)型的實(shí)施難度極大。并聯(lián)型并不斷開電池的工作回路，而是給每只電池各增加一個(gè)并聯(lián)旁路裝置，來(lái)實(shí)現(xiàn)電池電壓均衡。能耗型與轉(zhuǎn)移型，能耗型指給各單體電池提供并聯(lián)

8、電流支路，將電壓過(guò)高的單體電池通過(guò)分流消耗電能達(dá)到均衡目的。與能耗不同，轉(zhuǎn)移型是依據(jù)高頻開關(guān)電源（SMPS）勺原理和技術(shù)，通過(guò)電壓變換器將單體之間的偏差能量饋送回電池組或組中某些單體。靜態(tài)型與動(dòng)態(tài)型，靜態(tài)型均衡包括兩種，一種是充電均衡，充電過(guò)程后期，單體電池電壓達(dá)到或超過(guò)截止電壓時(shí)，減小單體電流，限制單體電壓不高于充電截止電壓；另一種是放電均衡，電池組輸出功率時(shí)，通過(guò)補(bǔ)充電能限制單體電壓不低于預(yù)設(shè)的放電終止電壓。動(dòng)態(tài)均衡不論在充電狀態(tài)、放電狀態(tài)，還是浮置靜置狀態(tài)，都可以通過(guò)能量轉(zhuǎn)換的方法實(shí)現(xiàn)組中單體電壓的平衡，使每節(jié)電池實(shí)時(shí)保持相近的荷電程度。充電均衡的可以防止過(guò)充電，而在放電使用中帶來(lái)的負(fù)面

9、影響是：不加充電均衡時(shí)，容量小的電池被一定程度過(guò)充，組內(nèi)任何單體過(guò)放以前，電池組輸出電量略高于單體最小容量；使用充電均衡時(shí)，小容量電池沒(méi)有過(guò)充，能放出的電量小于不用均衡器時(shí)輕度過(guò)充電所能釋放的電能，使得該單體電池放電時(shí)間更短，過(guò)放的可能性就更大了。另外，當(dāng)電池管理以電池組總電壓降低到一定程度為依據(jù)減小或停止輸出功率時(shí)，由于大容量電池因充電均衡被充入更多電能而表現(xiàn)出較高的平臺(tái)電壓，淹沒(méi)和淡化了小容量電池的電壓跌落，將出現(xiàn)組電壓足夠高，而小容量單體已經(jīng)過(guò)放。放電均衡與充電均衡情形相似，大容量淺充足放，小容量過(guò)充足放，加速單體性能差異性變化的結(jié)果是相同的，都不能形成真正實(shí)用的產(chǎn)品。只有動(dòng)態(tài)均衡集中了

10、兩種均衡的優(yōu)點(diǎn)，盡管單體之間初始容量有差異，工作中卻能保證相對(duì)的充放電強(qiáng)度和深度的一致性，漸進(jìn)達(dá)到共同的壽命終點(diǎn)。單向型和雙向型，單向型是均衡工作時(shí)單節(jié)電池電量只能流出或只能流進(jìn)，而雙向型使用雙向變換器，輸入輸出方向動(dòng)態(tài)調(diào)整。比較而言，雙向型更具優(yōu)勢(shì)，基于均衡效率考慮，對(duì)于單向型均衡器，使用自組高壓到單體低壓的變換器適用于放電均衡，使用自單體低壓到組高壓的逆變器適合充電均衡。集中型與分散型，當(dāng)把上述單向和雙向變換器集中一起來(lái)向蓄電池整組充電或放電，就是集中型均衡，優(yōu)點(diǎn)是變換器成本和技術(shù)復(fù)雜度大幅降低，但缺點(diǎn)是均衡電路外部連線復(fù)雜了，均衡電路到各單體之間的導(dǎo)線長(zhǎng)度和形狀不同，電阻有差異，均衡誤差

11、大，而且均衡電路與電池組之間的至少n+1 條功率導(dǎo)線的布線復(fù)雜。集中式可應(yīng)用于中小功率、以及電池組無(wú)振動(dòng)或移動(dòng)的場(chǎng)合。使用單只電容器循環(huán)均衡每只單體的方法即飛渡電容法，也屬于集中式。(6)漸進(jìn)型與并行型，漸進(jìn)型有兩種，一種是每?jī)芍秽徑膯误w實(shí)現(xiàn)均衡，進(jìn)而達(dá)到所 有單體之間的均衡，問(wèn)題是如果組中高壓?jiǎn)误w與低壓?jiǎn)误w之間間隔數(shù)只單體，從高壓?jiǎn)误w導(dǎo) 出能量給低壓?jiǎn)误w，需要多只級(jí)聯(lián)的變換器同時(shí)工作，到達(dá)目的單體的能量轉(zhuǎn)換效率極低， 極端情況與能耗型變換器接近；另一種是對(duì)電池電壓進(jìn)行巡檢，每次只處理最高電壓電池或 最低電壓電池，均衡速度較慢。并行型是從高壓?jiǎn)误w直接把能量變換到低壓?jiǎn)误w，任何一個(gè) 高壓?jiǎn)误w都

12、可以直接傳遞能量到任何一個(gè)低壓?jiǎn)误w，具有最佳的均衡效率和均衡速度。從以上分析可以看出，最優(yōu)秀的均衡方案是：均衡電路分散并聯(lián)在每個(gè)單體電池上，動(dòng) 態(tài)雙向并行將高電壓電池的能量轉(zhuǎn)移到低電壓電池。均衡所采用的電源變換器必須采用最新 技術(shù)和器件，如同步整流、軟開關(guān)等，以實(shí)現(xiàn)高的效率和可靠性。均衡控制方案應(yīng)當(dāng)把電池電化學(xué)特性、電源技術(shù)、控制技術(shù)相結(jié)合，不能僅依據(jù)簡(jiǎn)單公 式計(jì)算，應(yīng)避免往復(fù)均衡，造成電池能源的浪費(fèi)。均衡系統(tǒng)的發(fā)展方向是低成本、高功率密 度、高效率和高可靠性。2蓄電池均衡維護(hù)模塊原理本文提出了一種以高頻脈沖方式工作的分散、并聯(lián)、動(dòng)態(tài)、雙向、并行、能量轉(zhuǎn)移型均 衡維護(hù)方案，根據(jù)這一方案設(shè)計(jì)了一

13、種蓄電池均衡維護(hù)模塊BBM ( BATERYBALANCE MAINTAINER。該方案電路長(zhǎng)期在線以高頻脈沖方式工作，不但能夠?qū)崿F(xiàn)電池組中各個(gè)單節(jié) 電池電壓的動(dòng)態(tài)均衡，而且能夠防止并修復(fù)電池硫化。電路采用諧振技術(shù)和同步整流技術(shù)， 獲得高可靠性和最佳工作效率。圖1為BBMt路原理框圖。均 衡 控 制 線BBMffi連接電池后，系統(tǒng)內(nèi)部電路即開始工作，電路以極高的效率微小的損耗、時(shí)刻以 高頻脈沖方式對(duì)電池進(jìn)行在線活化養(yǎng)護(hù)，一邊檢測(cè)其所連接的電池電壓，一邊通過(guò)均衡線檢 測(cè)其他電池電壓，得出電池組平均電壓，將電池電壓和電池組平均電壓比較，如果電池電壓 大于平均電壓，模塊內(nèi)DC/DC6路將電池電量通過(guò)

14、均衡線并行傳遞到其它電壓低的電池中， 如果電池電壓低于平均電壓，則由其它電壓高的電池通過(guò)均衡線向電池充電，實(shí)現(xiàn)電壓均衡使用BBM使電池電量在各個(gè)單節(jié)電池中動(dòng)態(tài)流動(dòng)，可以使所有的電池充電時(shí)充滿而不 過(guò)充、放電時(shí)放完而不過(guò)放，實(shí)現(xiàn)各個(gè)單節(jié)電池的電量共享，實(shí)現(xiàn)電池容量的最大化利用， 使電池組每節(jié)電池性能一致并處于最佳工作狀態(tài)。充電過(guò)程中，對(duì)每個(gè)單節(jié)電池的充電電流，根據(jù)電壓的高低進(jìn)行再分配，直至每個(gè)不同 的電池被完全均衡充滿，同時(shí)避免充電后期出現(xiàn)的電池過(guò)壓和欠充，消除了充電過(guò)壓對(duì)電池造成的極板腐蝕加速等不利因素，消除了造成蓄電池硫化的欠充電因素。該過(guò)程相對(duì)充放電 完全獨(dú)立，和原來(lái)沒(méi)有接均衡維護(hù)模塊一樣

15、，所以原配的充電器還是一樣能用，沒(méi)有必要更 換任何專用充電器。放電過(guò)程中，對(duì)每個(gè)單節(jié)電池的放電電流，根據(jù)電壓的高低進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電壓高的電池 多放電，電壓低的電池少放電，同時(shí)電池組中電壓高的電池電量向電壓低的電池并行轉(zhuǎn)移，使每節(jié)蓄電池電壓均衡一致，避免單節(jié)電池的過(guò)放電，從而避免了因過(guò)放電而造成的電池硫化， 使用聯(lián)電池回路總體蓄能的釋放被按照各自電池的電量比例分?jǐn)?，而不再取決于落后電池的 性能，充分利用了電池組的總?cè)萘慷辉偃Q于最差電池的容量。在電池組的充電放電過(guò)程中，一旦出現(xiàn)電壓不平衡，出現(xiàn)個(gè)別電池的過(guò)充電或過(guò)放電， BBM不但能在充放電過(guò)程中及時(shí)均衡電池電壓，及時(shí)糾正電池過(guò)充、欠充、過(guò)放現(xiàn)象

16、，降低 過(guò)充電或過(guò)放電的程度，而且能在充放電結(jié)束時(shí)，繼續(xù)對(duì)電池進(jìn)行均衡保養(yǎng)維護(hù)，直到電池 電壓均衡一致。BBM具有四個(gè)引出端子，兩個(gè)引出端子用于連接蓄電池的正極和負(fù)極，另外兩個(gè)引出端 子用于連接兩條均衡線，通過(guò)簡(jiǎn)單的兩條均衡線構(gòu)成電池電壓信號(hào)的傳遞網(wǎng)絡(luò)和電量流動(dòng)網(wǎng) 絡(luò)。圖2是BBMK電池組連接的均衡維護(hù)系統(tǒng)接線示意圖。均衡線1 均衡線2均衡線1 均衡線2(+ $+電池1電池2電池n圖2均衡維護(hù)模塊BBMg線示意圖不同型號(hào)的BBM別可用于由單節(jié)2V鉛酸電池組成的電池組和由單節(jié)12V電池組成的電 池組中，電池組的電池節(jié)數(shù)理論上沒(méi)有限制，可以用于數(shù)百節(jié)電池串聯(lián)組成的高壓電池組。例如通訊基站經(jīng)常通常使

17、用的 24節(jié)2V電池串聯(lián)的48V電池組、120節(jié)2V電池串聯(lián)組成的高 壓直流240V電池組，32節(jié)12V電池串聯(lián)、40節(jié)12V電池串聯(lián)的UPS配套電池。對(duì)于單節(jié)2V的BBM勺應(yīng)用，可以對(duì)電池組取消均衡充電，根據(jù)溫度調(diào)節(jié)電池組的浮充電 壓，可最大限度的延長(zhǎng)電池組的壽命。對(duì)于由單節(jié)12V電池組成的電池組，由于每節(jié)12V電池內(nèi)部是由6節(jié)2V串聯(lián)而成，雖然BBMK以均衡每節(jié)12V電池，但是無(wú)法使每節(jié)電池內(nèi)部的 2V電池均衡，應(yīng)當(dāng)按照常規(guī)要求對(duì)電池組均衡充電。3均衡維護(hù)系統(tǒng)使用效果我們對(duì)一個(gè)12節(jié)2V300AHfe池進(jìn)行t驗(yàn)，力口 BBMf,蓄電池組總電壓為26.408V,各節(jié)電池 電壓如表1所示，最大

18、電壓差為72mV加BBMB,經(jīng)過(guò)24小時(shí)后，總電壓為26.375V,均衡后各 節(jié)電池電壓如表1所示，最大電壓差8mV圖3是電池組各節(jié)電池電壓在均衡前和均衡后的折線 圖。圖3電池均衡前后電壓比較表1電池均衡前后電壓比較:圖3電池均衡前后電壓比較電池編號(hào)123456789101112均衡前電壓2.2152.2022.1512.2202.2112.1992.1852.2142.1852.2232.1982.205均衡后電壓2.1982.1982.1942.1962.2012.1982.1992.1992.1962.2012.1982.1974效益分析新蓄電池組使用BBMK從一開始就對(duì)電池進(jìn)行精細(xì)的維

19、護(hù)管理， 延長(zhǎng)電池組的使用壽命。截止2009年底，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商各省公司基站數(shù)大約1萬(wàn)到5萬(wàn)個(gè)不等，每個(gè)基站一般配置 2組蓄電池（2V、300-500Ah）,以1萬(wàn)個(gè)基站在網(wǎng)使用2萬(wàn)組蓄電池組，每組蓄電池現(xiàn)成本 約為1.5萬(wàn)元左右（含維護(hù)成本費(fèi)用），總費(fèi)用為3億元。蓄電池實(shí)際使用壽命3- 4年（理 論設(shè)計(jì)壽命為10年以上），以4年計(jì)算，則各省公司每年電池更換費(fèi)用為 7500萬(wàn)元。采用 QNBB師，如果電池組使用壽命延長(zhǎng)1年，則各省公司每年電池更換費(fèi)用為 6000萬(wàn)元，每年 電池費(fèi)用節(jié)省1500萬(wàn)元。BBME常使用年限為10年以上，也就是說(shuō)蓄電池使用報(bào)廢后，維 護(hù)儀還可以在新安裝的蓄電池上繼續(xù)使用。如果維護(hù)費(fèi)用 （含購(gòu)置BBM維護(hù)設(shè)備）按新購(gòu)電池 的五分之一計(jì)，每年一個(gè)省的總維護(hù)費(fèi)用為 600萬(wàn)，則每年實(shí)際節(jié)約費(fèi)用900萬(wàn)元。如果蓄 電池壽命延長(zhǎng)更長(zhǎng)，則節(jié)省費(fèi)用更多。采用BBM可節(jié)約人力維護(hù)成本，減少人工維護(hù)工作量。未安裝BBM勺電池組，至少每2-3 個(gè)月需淺放電維護(hù)一次。安裝 BBM勺電池組，每6-8個(gè)月僅需淺放電維護(hù)一次，對(duì)于移動(dòng)通 訊中大量分散而偏僻