铅酸电池充放电机的选型及应用

2015-08-01汪敏

电源技术 2015年4期

关键词：可控硅线电压充放电

汪敏

(江苏先特能源装备有限公司，江苏南京211100)

铅酸电池充放电机的选型及应用

汪敏

(江苏先特能源装备有限公司，江苏南京211100)

化成是蓄电池生产过程中一道重要的工序，而其中充放电设备的选择也是至关重要的。随着铅酸蓄电池准入条件的实施，绿色、节能、环保深入了行业内的每一个企业，充放电设备类型有多种，可控硅充放电设备、母线式充放电设备、母线式并网逆变充放电设备、整流逆变一体机充放电设备、电压巡检配组等，将通过数据对比选择适合企业的性价比高的充放电设备。

母线式；配组；并网逆变一体

铅酸蓄电池的化成：简单的说是将涂膏后的生极板进行固化干燥后放于稀硫酸电解液中，经过电化学的氧化和还原，使正极板的大部分活性物质转化为二氧化铅，而负极板的大部分活性物质转化为海绵状金属铅的一种过程[1]。

极板的化成方法普遍使用的有两种：(1)使用化成槽的化成方法，通常称作外化成；(2)直接将生板放在电池壳内进行的电池化成方法，通常称作内化成。由于环保的因素，目前新上项目原则上不能使用外化成方法，故内化成成为一种必然的选择。

化成的实现，必然要使用到充放电机，可是面对市场上各种各样功能的设备，使得蓄电池企业花了不少时间去分析、了解及选型，所以研究充放电机充放电的区别及该如何选型的注意事项是很有必要的。

1 不同规格的对比

近两年介绍得最多的是并网逆变放电，对此我们在理论分析的基础上还从实际生产状况中进行了判断。

1.1 可控硅和IGBT的比较

360 VDC-30A设备在相同工作回路数、相同的电池和数量、同样的工艺参数在充电的条件下测量的可控硅式充放电机和IGBT母线式充放电机比较如图1及图2所示。表1为360VDC-30A共三回路工作时数据对比。

图1 可控硅测试数据

图2 IGBT测试数据

表1 36OVDC-3OA 共三回路工作时数据对比

由此我们可从三个方面具体分析：

(1)提高了变压器利用率

以额定电压220 V，总功率为5 000 kV·A的变压器为例；能带电压为220 VAC，功率为5 kVA的设备数量如表2所示。

表2 配电变压器总功率不变情况下用可控硅与IGBT所用台数

同样容量的变压器在不增加成本的情况下，用可控硅的充放电机时设备数量比用IGBT的充放电机少351.8台，如果用可控硅充放电机设备数量要用到961.5台，工厂变压器就要容量提高57.7%，必然增加成本。

(2)减少供电线路压降和能量损耗

表3 可控硅与IGBT所做设备线损对比

(3)避免因为功率因素低被供电方罚款

由此可见，选用IGBT的充放电机更好。

1.2 IGBT母线式充放电机电阻放电和并网逆变放电的比较

以测试的母线式充放电机的部分数据如表4所示，如：0.8 A充电(台数)表示在某一时刻以0.8 A充电的充电机台数(每台30回路)，通过同一时间测量统计的充电和放电功率来记录的数据。

表4 12 V12 Ah充放电瞬时功率记录

通过连续一周的数据测试得出以下结论：(1)车间充放电机的母线上充电的功率需求大于放电的输出功率，放电控制系统始终没有工作过(逆变系统和电阻丝均没工作过),也就是说不是所有的母线式充放电机都需配逆变，因为没有多余电能放出；(2)选择配逆变的母线式充放电机的配套数不是固定的，根据工厂实际工艺和生产状况配比，也就是我们常说的普通的和带逆变的配比数；(3)理论上能量逆变回馈比电阻放电省电，但前提是母线上有多余的电能，同时逆变回电网的电有负载使用。

1.3 IGBT母线并网逆变和整流逆变一体机的比较

(1)IGBT母线并网逆变功能是：只有当母线电压高于我们设定的母线电压时，并网逆变器开始工作，使母线电压不会高于某个设定电压值。只有当实际生产工艺中存在放出的电高于充电的需求时才需要配此类逆变器。

(2)整流逆变一体机功能是：当充电工作开始时，此设备处于整流状态，为充电机提供能量；当放电工作开始时，此设备处于逆变状态，把能量释放回电网。这个设备完全可以独立充放电并网工作。

1.4 电压巡检配组仪在电动自行车的应用

蓄电池组不配组的不利处为：在同一蓄电池组内如果某只电池内阻偏大，当整组电池充满的时侯该只电池充电会过充，反过来当整组电池放完电时该只电池会过放。如此就造成了恶性循环，并且会加速该只电池老化，故而整组电池就发挥不了正常的效能了。

电压巡检测量的电池电压数值间接反映了电池的容量，此时的电压配组实际上就是容量配组。因此可用两种方法进行配组：首先针对10～22只电池串联起来形成电池组，根据电池个数设定终止电压和放电电流，当放电到平均每只电池电压9.6～10.5 V时终止，并自动记录每只电池端电压，取端电压相近(一般要求≤0.05 V)的为一组。另外一种方法是对单只电池进行工作的充放电机，设定一个放电终止电压值可取l0.5 V，放电终止后根据终止时记录的时间进行配组，可允许时间误差≤0.5 min内。配组时将符合设定条件的电池放在一起，这是配组的第一步；第二步是电池的端电压配组，容量配组好的电池静置24 h后，测量电池的端电压，端电压一致(规定每组误差≤0.02 V)的电池才可以，最后配成一组包装后出厂。所有这些设定条件都可在电脑上设置，并自动传送到巡检配组系统，在工作过程中如果上位机出现各种原因的断线或故障，所有记录数据全部存于中位机，电脑恢复后可自动读取。

2 系统实现

2.1 工作框图

母线充放电控制组成的设计采用带AD转换的DSP去控制[2]。主要组成部分包括：(1)IGBT整理、逆变模块；(2)母线电压、电流互感器；(3)母线电压、电流调理电路；(4)三相电压、电流互感器；(5)三相电压、电流调理电路；(6)PWM驱动模块；(7) DSP控制器CPU模块；(8)PWM驱动模块；(9)485通讯、报警、启动、复位等由不同的模块组成，如图3所示。

图3 母线充放电控制组成示意图

2.2 工作原理

(1)根据设定母线电压的大小，通过电压、电流传感器的反馈，在整流、逆变控制器的PWM电路作用下，使母线电压稳定，电流控制在额定范围内，并且采样三相电压使之与电网同步形成，采样三相电流使三相负载平衡，不管是整流还是逆变，功率因素都可以做到接近1。

(2)当母线电压控制成功后，充放电系统按照Buck电路和Boost电路工作在设定的工作程序中，充放电系统和母线控制系统组成了IGBT母线一体机，谐波和功率因素都得到了进一步优化。

图4 IGBT-PWM逆变驱动电路工作原理图

3 硬件设计

3.1 IGBT-PWM驱动硬件设计

图4所示的是IGBT逆变驱动电路工作原理图，该驱动电路包含了过流检测、软启动、上下桥保护、及一些辅助电路构成三相全桥整流逆变控制系统[3-4]。

图5所示的是输入三相交流电流经过电流互感器流入R405、R205电阻采样后，经过运放后到达AD模块，送给CPU采样处理数据[5-6]。

图5 三相交流电流调理电路

图6所示的是输入母线直流电流经过电流互感器流入R96、R101电阻采样后，经过运放后到达AD模块，送给CPU采样处理数据，确保变压器母线功率在额定范围内工作[5]。

图6 母线回路电流调理电路

3.2 通讯接口单元

本单元使用RS-485标准数据信号，硬件主要为485通讯IC和附加的保护电路，120 Ω可选择并联电阻。能通过通讯设定P、I调节数据，电压标定、电流标定、标幺值显示、功率因素显示、功率大小显示每相电流显示、每相电压显示等数据送到触摸屏显示或上位机进行记录以方便以后查询[7]。

4 结论

充放电机在电池化成中是一道不可或缺的工序，我们在选型时一定要根据实际情况来配比逆变系统，不是说用了并联逆变器系统就能节电，而且还要有必要的条件下才能达到节能的效果；使用IGBT的充放电功率因素肯定比可控硅的高，好处主要体现在提高功率因素、提高变压器利用率、降低线路损耗，所以IGBT是首选；为了减少人工因素的影响和提高数据的及时性、可靠性，巡检配组的选择也是势在必行。我们不仅要重视了解设备工作原理，而且要掌握选型技巧，只有这样对于用户来说会达到事半功倍的效果，对提高电池产品品质和减少设备的投入有着不可估量的作用。

[1] 刘广林.铅酸蓄电池工艺学概论[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2] 刘陵顺.TMS320F28335DSP原理及开发编程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[3]WU B.风力发电系统的功率变换与控制[M].卫三民，译.北京：机械工业出版社，2012.

[4] 何启晨.电动汽车车载充放电机功率变换拓扑及其控制策略研究[D].重庆：重庆大学，2012.

[5]郭东亮.模拟电路[M].北京：清华大学出版社，2011.

[6]王选民.基于采样值平方分配的交流信号测量[J].电气自动化，2007(5)：45-47.

[7]ANDREW N，SLOSS.ARM嵌入式系统开发：软件设计与优化[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

Selection and application of lead-acid battery charging and discharging machine

WANG Min

Formation is an important procedure in the process of battery making,and the choosing of charger and discharger plays a crucial role.With the implementation of the lead-acid battery access conditions,Green,energy saving and environmental protection concept go deep into every battery making company in the industry.The charger and discharger has many types,such as SCR,busbar,busbar grid connected with inversion,rectification and inversion all in one machine charger and discharger and voltage monitor matching group machine.The suitable and high cost-effective chargers and discharger was chosen through data comparison.

busbar type；matching group；grid connected with inversion machine

TM 912

1002-087 X(2015)04-0790-03