应急电源的选择及电量估算①

张吉洋

(陆军军事交通学院汽车士官学校,安徽 蚌埠 233000)

1 工程蓄电池的确定

1.1 蓄电池种类选择

由于液流蓄电池的能量密度大，性能可靠，被广泛用作为工程中的应急电源。其具有设备规模大；造价便宜且耐久使用；自身结构简单，价格低廉，维修更换便宜；无毒，有利于环保；可以深度放电，而且无需保护；响应速度快等优点。

最为常见的蓄电池的种类有：铅酸蓄电池、镍镉电池、锂离子电池、胶体蓄电池等。目前所广泛使用的阀控式铅酸蓄电池，由于其没有记忆功能，即初次充电时可以中断，而不会影响到后面电池的使用容量，因此常常与逆变装置配合使用，作为EPS应急电源。这样，即使在充电过程中因特殊情况而断开对蓄电池的充电，也不会影响之后作为应急电源对工程中电机的供电情况[1]。

对于蓄电池而言，其参数的确定必须要考虑到工程所驱动设备的实际需要情况。此外，结合工程的实际要求，蓄电池的经济性，尺寸，充电时间等参数也都是需要考虑到的。

1.2 蓄电池参数确定

在与其他设备配合的参数方面，蓄电池的输出电压必须满足逆变电源的输入电压，由于目前三相交流逆变电源大多为24V直流输入，而很少有铅酸蓄电池为24V直流输出，因此必须考虑转换为多个铅酸蓄电池串联，以此作为逆变电源的输入电源。而串联会导致少部分能量的丢失，因此蓄电池串联的个数越少越好，且为了减少供电过程对蓄电池造成的伤害，所串联的蓄电池最好为同一厂家生产的同一产品。因而，较为合适的选择是将两枚12V直流输出的蓄电池串联，作为应急电源与逆变电源相连接。

在配合工程的实际需要方面，蓄电池的容量必须满足工程特殊情况下的工况条件。然而，不能一味的追求延长工作时间而盲目增加蓄电池的容量。容量的增加不仅增加蓄电池的体积、重量，还会导致携带、安装的困难，以及充电时间的增加。以一个容量为150Ah的蓄电池为例，其最佳充电电流为15A；考虑到充电前期对电池过放电的保护以及充电后期防止电流过大对蓄电池造成的损坏，这个两个阶段的充电电流应低于最佳充电电流值15A，即约为10A左右。也就是说，这样一枚蓄电池，其充电时间大约为13小时～14小时。因此，合理的选择蓄电池的容量是非常重要的。

2 蓄电池剩余容量分析

2.1 归一化曲线分析剩余电量

由于蓄电池供电方式的特殊性，若能快速的在线检测到其运行时的剩余容量或者荷电状态，则方便使用者或着检修人员及时了解到蓄电池的运行状态，以便采取措施，选择驱动设备的运行状态，从而防止蓄电池过放电，延长蓄电池的使用寿命。

目前对于蓄电池载荷比(SOC)的研究测量方法有许多，比如电导测量法、电解液密度测量法、放电实验法以及A·h法等。但其都存在着一些问题，例如电导测量法由于侧重于分析蓄电池的放电电流和内阻之间的关系，因而计算误差较大；电解液密度测量法在分析开口式铅酸蓄电池上较为合适，而对工程中使用的阀控式密闭铅酸蓄电池不适用；放电实验法在实验过程中易发生短路，且仅适合离线测量，无法对蓄电池的容量进行在线预测；A·h法在其定义中，蓄电池的额定容量受放电电流的变化较大，很难在线预估蓄电池的容量，产生较大误差。[2-3]

根据李强撰写的《一种蓄电池剩余容量测试方法的研究》可以得出，当铅酸蓄电池的性能处于完全稳定的工作状态时，电池两端的开路电压与电池所剩余的电量之间呈线性关系，并且此特性不容易因外部环境温度变化和电池老化而发生改变。因此，可以推算出在蓄电池的放电过程中，其放电电压V(t)与其载荷比之间也应该保持某种特性关系，从而进一步分析出可以通过测量带负载的蓄电池的端电压来计算出蓄电池容量的方法。

既然蓄电池的开路电压与其所剩余电量的关系受外部影响很小，那么可以认为只要是同一枚蓄电池，其放电是具有统一性的，也就是说无论其放电率是多少，其电压，时间归一化后应基本为同一条曲线。

因此，可以构建如下时间、电压归一化公式：

(1)

(2)

其中，为检测数据时的放电时间，单位为h；T为总共放电长度，单位为h；tu为归一化时间；V(t)为t时刻，蓄电池的放电电压，单位为V；Vend为蓄电池的终止电压，单位为V；V0为蓄电池放电时初始电压，单位为V；V(tu)为归一化电压。

因此，当在线检测到实时的放电电压V(t)时，就可以凭借之前计算出的公式求得在归一化条件下的电压V(tu)。再根据之前绘制成的归一化放电曲线找出其对应的归一化时间tu，最后根据以下电池载荷比估算公式求得当前时刻蓄电池的载荷比。

SOC=(1-tu)×100%

(3)

利用此方法，只要完整的检测到一组放电率情况下，该蓄电池的放电电压与放电时间的实验数据，并绘制出归一化放电曲线图，就可以简单高效的实时估计出之后任意时刻该蓄电池的载荷比，提高蓄电池的使用效率[4]。

2.2 实验数据分析

本文以三菱FR-E700系列变频器驱动1.1kW的Y90S-4风机在30Hz转速下运行的实验数据为例进行分析。由实验可知，蓄电池可驱动该风机连续工作7.6h，其端电压由初始的12V降低到10.27V。因此，结合上述的归一化曲线分析方法可得以下图表。

表1 带负载端电压法测得蓄电池载荷比表

图1 阀控式密闭铅酸蓄电池实验测量放电曲线

图2 阀控式密闭铅酸蓄电池归一化放电曲线

根据实验可知，如果将蓄电池长时间处于过度放电，即SOC经常低于20%的状态下使用，则会对蓄电池带来很大损害，严重缩减蓄电池的使用寿命；相反，如果将蓄电池长时间处于浅度放电，即SOC始终高于50%的状态下工作，则会有效地保护到蓄电池，充分延长蓄电池的使用寿命；且根据实验所得数据可知，当蓄电池的剩余电量低于25%时，其电压会有明显下降。因此，结合理论与实验分析，在工程实际运行时一般要保证蓄电池的剩余电量不得低于25%，以确保蓄电池的工作状态和使用寿命。

分析小结

本文经过分析确定最适合作为应急电源的蓄电池种类，并在分析蓄电池工作特性和工程实际需要的基础上给出如何合理地确定出蓄电池参数的方法，提出安装、选择、使用蓄电池时相应的注意事项。基于理论研究，本文给出简单易行的蓄电池剩余电量的估算方法，并通过实验数据加以验证。此外，还结合实验数据给出蓄电池最佳的工作范围，以此来提高蓄电池的工作状态。

但值得注意的是，本文在蓄电池剩余电量估算方法选择时进行了最大程度的简化，其理论计算数据与实验结果数据之间还存在着少许误差。在具体的工程实际应用中，还需反复试验来减少误差，从而确保蓄电池的工作效率。

[1] 李强,仰蕾伊.一种蓄电池剩余容量测试方法的研究[J].汽车工业研究,2014,(11): 60-63.

[2] 金晓东,丁明,茆美琴.分布式发电系统中的蓄电池模型[J].仪器仪表用户,2008, 15(2):88-90.

[3] 易映萍,王国志,姚为正.电力系统中蓄电池放电技术的探讨[J].湖南工程学院学报,2006,16(1):1-4.

[4] 金晓东,丁明,茆美琴.分布式发电系统中的蓄电池模型[J].仪器仪表用户,2008,(15):88-90.