脉冲功率负载下阀控铅酸蓄电池供电边界研究

鄢 伦，汪永茂，孙朝晖，李兴东

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引 言

近年来，随着船舶电力系统和电力电子技术的发展，脉冲功率负载在船舶上逐渐增多[1– 3]。脉冲功率负载的能量密度和功率密度往往都极其巨大，高达兆瓦级。为避免如此巨大的瞬态功率冲击影响船舶电力系统运行稳定性，一般需为该类负载配备储能装置，单独作为其供电电源[4–5]。阀控铅酸蓄电池（Valveregulated Lead-acid Battery，VRLA）作为传统开口式铅酸蓄电池的改进提高产品，因其较传统铅酸蓄电池具有免维护、基本不析出氢气、无自由电解液、基本上不排出酸雾、更耐冲击、震动等特点，已经全面取代传统的固定型铅酸蓄电池，在船舶领域得到广泛应用，成为重要的后备动力电源。由于船舶内部空间狭小有限，常常难以为脉冲功率负载额外配置其他需占用较多空间资源的超级电容、飞轮储能等储能设备和充电设施[6 – 7]，需考虑充分利用原已配置的多组大容量阀控铅酸蓄电池为其供电，使阀控铅酸蓄电池兼作船舶脉冲功率负载供电动力源和电力系统后备电源。

与传统负载供电需求不同，由于存在脉冲电能变换环节，对脉冲功率负载供电时要求储能设备不仅需具备相应的大电流放电能力，且供电过程中的电压、电流、功率均需满足脉冲功率电能变换器的要求[3]。因此，采用阀控铅酸蓄电池直接为脉冲功率负载供电时，必须明确影响阀控铅酸蓄电池对脉冲功率负载供电的主要因素和其供电边界条件，辅助船舶操作人员进行供电决策和操作，确保脉冲功率负载的正常工作。

针对当前缺乏对于脉冲功率负载下阀控铅酸蓄电池供电边界深入研究的问题，本文基于典型脉冲功率负载特性，分析影响阀控铅酸蓄电池供电能力的主要因素，并通过在Matlab/Simulink 仿真软件中搭建阀控铅酸蓄电池对脉冲功率负载供电仿真模型，仿真研究不同因素下的供电边界限值，并据此给出在工程上的应用建议。

1 阀控铅酸蓄电池脉冲负载供电系统拓扑

脉冲功率负载供电系统的主要配置包括储能装置、脉冲功率电能变换器和负载等，其中核心的脉冲功率电能变换器将储能装置输入的直流电变换为合适的交流电压和电流[3]。采用阀控铅酸蓄电池为脉冲功率负载供电时，一种典型供电系统的拓扑如图1所示。

图1 阀控铅酸蓄电池脉冲功率负载供电系统拓扑Fig.1 Pulse power load power supply system topology of VRLA battery

在该典型供电系统拓扑中，1 号蓄电池组兼当全船电力系统应急电源和脉冲功率负载的储能设备。当脉冲功率负载不工作时，1 号、2 号蓄电池组与发电机并联运行向全船负载供电，此时开关Q1～Q5均闭合，开关Q6断开；当需要对脉冲功率负载供电时，且判断1 号蓄电池组满足负载供电要求后，为避免脉冲功率负载供电过程中巨大的瞬态功率冲击影响全船电力系统运行稳定性，将开关Q2断开，开关Q6闭合，1 号蓄电池组脱网单独给脉冲功率负载的脉冲功率电能变换器供电，此时全船电力系统切换为日常供电系统和脉冲功率负载供电系统2 个部分，2 个系统运行相互独立，互不干扰。

根据上述典型供电系统的运行方式，判断1 号蓄电池组是否满足脉冲功率负载要求的电压、电流和功率需求是核心问题，也是脉冲功率负载能否正常工作的关键因素，需要重点研究其供电影响因素和供电边界条件，作为辅助决策和操作的依据。

2 阀控铅酸蓄电池供电能力影响因素分析

2.1 阀控铅酸蓄电池自身特性影响分析

阀控铅酸蓄电池作为典型电化学储能设备，当其对外部负载放电时，其放电能力受多种因素的综合影响，其中主要包括大电流放电特性、荷电状态（SOC）、内阻水平和温度等，其中蓄电池SOC、内阻和大电流放电特性直接反映蓄电池的储能和放电能力，其与蓄电池的供电能力直接相关[8]。

某一额定电压为2 V 的阀控铅酸蓄电池在30 ℃时的1 h，3 h 和10 h 的放电特性曲线如图2 所示。

图2 阀控铅酸蓄电池放电特性曲线（30 ℃）Fig.2 Discharge characteristic of VRLA battery (30 ℃)

对于蓄电池荷电状态（SOC），其直接表征蓄电池的剩余容量，反映的是蓄电池在使用一段时间之后仍剩余的容量，在数值上定义为蓄电池剩余容量占总容量的百分比，荷电状态（SOC）越大，则表明蓄电池剩余容量也越大，其放电能力也越强，因此蓄电池SOC 大小成为判断蓄电池是否满足脉冲功率负载供电要求的重要参数之一。

蓄电池内阻水平则是影响蓄电池在对外放电过程中端口电压大小的重要参数，在一定的放电电流下，蓄电池内阻越大，则放电过程中蓄电池端口电压越低，当蓄电池内阻过大导致其放电时端口电压低于一定的阈值时，将导致脉冲功率电能变换器无法工作，因此必须研究蓄电池内阻对其脉冲负载供电能力的影响，确定蓄电池内阻大小限值。

2.2 脉冲功率负载特性影响分析

由于脉冲功率负载工作持续时间往往很短，一般为几秒，而功率需求却很大，高达兆瓦级。在不同的脉冲功率负载下，由于脉冲功率负载持续时间、最大峰值功率、最大输入电流、最小输入电压等负载特性参数的不同，蓄电池将进行不同时间和放电倍率的大电流放电，从而蓄电池的供电能力也将有显著差异。某一船舶脉冲功率负载在工作时的输入电流与时间之间的关系曲线如图3 所示。

可知，该脉冲功率负载工作时输入电流在0～1.6 s时迅速增大，最大达到约11000 A，1.6～2 s 时逐渐减小至0。阀控铅酸蓄电池若要满足该负载脉冲功率电能变换器的供电需求，则其必须具备相应的高倍率大电流放电能力。

图3 脉冲功率负载输入电流随时间变化曲线Fig.3 Input current curve of pulse power load with time

此外，脉冲功率电能变换器进行DC/AC 电能变换时，根据电力电子变换装置工作原理，变换器存在最低输入直流电压要求。当脉冲功率负载的输入电流越大时，则相应的蓄电池内阻和供电线路上的电压降也越大，从而脉冲功率电能变换器端口输入直流电压也越低。因此，脉冲功率负载工作时的负载电流越大，阀控铅酸蓄电池的供电能力将越有限，实际工程应用时必须分析脉冲功率负载特性对阀控铅酸蓄电池供电能力的具体影响，使二者相互匹配。

3 阀控铅酸蓄电池脉冲负载供电仿真分析

3.1 仿真模型设置

根据前述分析，内阻水平和荷电量大小是影响蓄电池脉冲负载供电能力的主要因素，为进一步研究2 种因素下阀控铅酸蓄电池具体供电边界，指导工程应用，根据图1 所示典型拓扑，在Matlab/Simulink 仿真软件中搭建如图4 所示的仿真模型，在该仿真模型中蓄电池组对脉冲功率电能变换器的供电回路中包括隔离开关、保护熔断器和供电电缆。为简化仿真模型，忽略温度影响，并假设蓄电池内阻在供电过程中保持不变，蓄电池模型以Matlab 软件中的通用动态参数模型表示[9]。

图4 蓄电池对脉冲功率负载供电仿真模型Fig.4 Simulation model of pulse power load by VRLA battery

仿真模型中蓄电池组由图2 所示放电特性的400 只额定电压为2 V 的阀控铅酸蓄电池串联组成，成组蓄电池内阻大小为Rbat。隔离开关闭合时的实测内阻Rg=0.09 mΩ，保护熔断器实测内阻Rb=0.02 mΩ，供电电缆实测内阻Rc=1.56 mΩ。仿真模型中设置Rbat=32 mΩ，36 mΩ 和40 mΩ 三种典型情形，荷电量设置从100%～30%变化。供电时间持续2 s，脉冲功率电能变换器特性以受控电流源模拟，其输入电流iin随时间变化曲线如图3 所示。脉冲功率电能变换器输出直流电压为uin，为实现电能变换，其最低直流输入电压限值Uin-min=360 V。

3.2 不同内阻满荷电量蓄电池组单次供电仿真

蓄电池组满荷电量进行单次脉冲功率负载供电时，当蓄电池组内阻Rbat分别设置为40 mΩ、36 mΩ和32 mΩ 三种情形时，脉冲功率电能变换器的直流侧输入电压uin在负载供电过程中的变化波形分别如图5～图7 所示。

图5 Rbat=40 mΩ 时单次供电uin 波形Fig.5 Curve of uin when Rbat=40 mΩ in one time supplication

图6 Rbat=36 mΩ 时单次供电uin 波形Fig.6 Curve of uin when Rbat=36 mΩ in one time supplication

图7 Rbat=32 mΩ 时单次供电uin 波形Fig.7 Curve of uin when Rbat=32 mΩ in one time supplication

分析图5～图7 的仿真结果可知，随着蓄电池组内阻的减小，脉冲功率电能变换器的输入直流电压的最小值逐渐增大。根据其最低直流电压限值Uin-min=360 V，蓄电池组内阻为40 mΩ 时，供电过程中脉冲功率电能变换器最低输入直流电压与限值之间的电压裕度为46 V；内阻为36 mΩ 时，电压裕度为89 V；内阻为32 mΩ 时，电压裕度为132 V。从而可知，蓄电池组内阻越大，其在进行脉冲功率负载供电时的电压裕度越小，越接近供电边界，当蓄电池组内阻增大到一定程度后，将越过供电边界，无法再满足脉冲负载供电需求，因此蓄电池内阻需要求在一定的限值以下，不能过大。

3.3 不同内阻满荷电量蓄电池组连续供电仿真

蓄电池组满荷电量进行连续脉冲功率负载供电，相邻2 次供电时间间隔5s，连续进行5 次供电。设置蓄电池组内阻Rbat分别为40 mΩ，36 mΩ 和32 mΩ 三种情形，脉冲功率电能变换器的直流侧输入电压uin在供电过程中的变化波形分别如图8～图10 所示。

图8 Rbat=40 mΩ 时连续5 次供电uin 波形Fig.8 Curve of uin when Rbat=40 mΩ in five times supplication

图9 Rbat=36 mΩ 时连续5 次供电uin 波形Fig.9 Curve of uin when Rbat=36 mΩ in five times supplication

图10 Rbat=32 mΩ 时连续5 次供电uin 波形Fig.10 Curve of uin when Rbat=32 mΩ in five times supplication

对比分析图8～图10 的仿真结果可知，蓄电池组在40 mΩ，36 mΩ 和32 mΩ 内阻情形下进行连续脉冲负载供电时，脉冲功率电能变换器的最低输入直流电压都随着供电次数的增加而逐渐降低，电压裕度也逐渐减小，但此减小趋势与蓄电池组内阻关系不大。推论可知，当连续供电次数达到一定次数后，由于电压裕度不足，蓄电池组也将无法再满足供电要求，因此存在连续供电次数上限边界。此外，蓄电池组内阻越小，蓄电池组可满足进行连续供电的次数也越多，该上限边界值也越大。

3.4 不同内阻和荷电量蓄电池组单次供电仿真

蓄电池组在不同荷电量时进行单次脉冲负载供电，设置蓄电池组内阻Rbat分别为40 mΩ，36 mΩ 和32 mΩ 三种情形，脉冲功率电能变换器的直流侧最低输入电压Uin-min随蓄电池组荷电量SOC 从100%～30%变化时的变化曲线如图11 所示。

图11 不同内阻时Uin-min 随荷电量变化曲线Fig.11 Curve of Uin-min with different SOC

由图11 的仿真结果可知，脉冲功率电能变换器的直流侧最低输入电压Uin-min随蓄电池组荷电量SOC 的减小而逐渐降低，距离最低电压限值DC360V 的裕度也逐渐减小，蓄电池组内阻越大，相同荷电量SOC 下的Uin-min越小，但其减小趋势与蓄电池组内阻关系不大。当SOC 降低到约30%时，内阻为40 mΩ 的蓄电池组已不满足供电要求。从而可知，对于某一蓄电池组，需确定满足脉冲负载供电要求的蓄电池组荷电量SOC的边界值，作为辅助判断和负载供电操作的依据，当判断SOC 小于此边界值时，禁止对脉冲功率负载供电。

4 结 语

本文针对阀控铅酸蓄电池组进行脉冲功率负载供电时的供电边界问题，分析影响阀控铅酸蓄电池供电能力的主要影响因素，针对蓄电池组内阻水平和荷电量两大主要因素，通过建立典型仿真模型，仿真研究蓄电池组在不同内阻水平、不同荷电量以及单次和连续供电情形下的边界，得到如下结论：

1）蓄电池组内阻水平对其脉冲负载供电能力影响巨大，内阻越大，供电时满足脉冲功率电能变换器输入电压的裕度越小，且存在满足供电要求的蓄电池组内阻上边界限值。由于蓄电池内阻大小也显著影响蓄电池组短路电流水平，实际中需综合考虑后确定蓄电池组内阻水平限值要求。

2）蓄电池组荷电量SOC 的大小直接影响脉冲负载供电时脉冲功率电能变换器的输入电压裕度，SOC越小，则电压裕度也越小，越接近边界值，因此供电时需确保蓄电池组SOC 不低于下限值，考虑到蓄电池SOC 减小时，蓄电池内阻也将变大，实际中SOC 下限值将更大。

3）蓄电池组进行连续脉冲功率负载供电时，随着供电次数的增加，蓄电池组供电能力将逐渐下降，因此存在连续供电次数上限边界值，达到该边界值后，需停止对脉冲功率负载供电。

4）由于蓄电池组内阻上限值和荷电量SOC 下限值存在关联关系，且受温度影响，不固定，在实际工程应用时，须通过模拟试验获得，并采取相应手段对蓄电池组内阻水平和荷电量SOC 大小进行实时动态监测，作为辅助判断操作的重要依据。