張吉洋

(陸軍軍事交通學(xué)院汽車士官學(xué)校,安徽 蚌埠 233000)

1 工程蓄電池的確定

1.1 蓄電池種類選擇

由于液流蓄電池的能量密度大，性能可靠，被廣泛用作為工程中的應(yīng)急電源。其具有設(shè)備規(guī)模大；造價(jià)便宜且耐久使用；自身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，維修更換便宜；無(wú)毒，有利于環(huán)保；可以深度放電，而且無(wú)需保護(hù)；響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

最為常見的蓄電池的種類有：鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鋰離子電池、膠體蓄電池等。目前所廣泛使用的閥控式鉛酸蓄電池，由于其沒有記憶功能，即初次充電時(shí)可以中斷，而不會(huì)影響到后面電池的使用容量，因此常常與逆變裝置配合使用，作為EPS應(yīng)急電源。這樣，即使在充電過程中因特殊情況而斷開對(duì)蓄電池的充電，也不會(huì)影響之后作為應(yīng)急電源對(duì)工程中電機(jī)的供電情況[1]。

對(duì)于蓄電池而言，其參數(shù)的確定必須要考慮到工程所驅(qū)動(dòng)設(shè)備的實(shí)際需要情況。此外，結(jié)合工程的實(shí)際要求，蓄電池的經(jīng)濟(jì)性，尺寸，充電時(shí)間等參數(shù)也都是需要考慮到的。

1.2 蓄電池參數(shù)確定

在與其他設(shè)備配合的參數(shù)方面，蓄電池的輸出電壓必須滿足逆變電源的輸入電壓，由于目前三相交流逆變電源大多為24V直流輸入，而很少有鉛酸蓄電池為24V直流輸出，因此必須考慮轉(zhuǎn)換為多個(gè)鉛酸蓄電池串聯(lián)，以此作為逆變電源的輸入電源。而串聯(lián)會(huì)導(dǎo)致少部分能量的丟失，因此蓄電池串聯(lián)的個(gè)數(shù)越少越好，且為了減少供電過程對(duì)蓄電池造成的傷害，所串聯(lián)的蓄電池最好為同一廠家生產(chǎn)的同一產(chǎn)品。因而，較為合適的選擇是將兩枚12V直流輸出的蓄電池串聯(lián)，作為應(yīng)急電源與逆變電源相連接。

在配合工程的實(shí)際需要方面，蓄電池的容量必須滿足工程特殊情況下的工況條件。然而，不能一味的追求延長(zhǎng)工作時(shí)間而盲目增加蓄電池的容量。容量的增加不僅增加蓄電池的體積、重量，還會(huì)導(dǎo)致攜帶、安裝的困難，以及充電時(shí)間的增加。以一個(gè)容量為150Ah的蓄電池為例，其最佳充電電流為15A；考慮到充電前期對(duì)電池過放電的保護(hù)以及充電后期防止電流過大對(duì)蓄電池造成的損壞，這個(gè)兩個(gè)階段的充電電流應(yīng)低于最佳充電電流值15A，即約為10A左右。也就是說，這樣一枚蓄電池，其充電時(shí)間大約為13小時(shí)～14小時(shí)。因此，合理的選擇蓄電池的容量是非常重要的。

2 蓄電池剩余容量分析

2.1 歸一化曲線分析剩余電量

由于蓄電池供電方式的特殊性，若能快速的在線檢測(cè)到其運(yùn)行時(shí)的剩余容量或者荷電狀態(tài)，則方便使用者或著檢修人員及時(shí)了解到蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)，以便采取措施，選擇驅(qū)動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而防止蓄電池過放電，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

目前對(duì)于蓄電池載荷比(SOC)的研究測(cè)量方法有許多，比如電導(dǎo)測(cè)量法、電解液密度測(cè)量法、放電實(shí)驗(yàn)法以及A·h法等。但其都存在著一些問題，例如電導(dǎo)測(cè)量法由于側(cè)重于分析蓄電池的放電電流和內(nèi)阻之間的關(guān)系，因而計(jì)算誤差較大；電解液密度測(cè)量法在分析開口式鉛酸蓄電池上較為合適，而對(duì)工程中使用的閥控式密閉鉛酸蓄電池不適用；放電實(shí)驗(yàn)法在實(shí)驗(yàn)過程中易發(fā)生短路，且僅適合離線測(cè)量，無(wú)法對(duì)蓄電池的容量進(jìn)行在線預(yù)測(cè)；A·h法在其定義中，蓄電池的額定容量受放電電流的變化較大，很難在線預(yù)估蓄電池的容量，產(chǎn)生較大誤差。[2-3]

根據(jù)李強(qiáng)撰寫的《一種蓄電池剩余容量測(cè)試方法的研究》可以得出，當(dāng)鉛酸蓄電池的性能處于完全穩(wěn)定的工作狀態(tài)時(shí)，電池兩端的開路電壓與電池所剩余的電量之間呈線性關(guān)系，并且此特性不容易因外部環(huán)境溫度變化和電池老化而發(fā)生改變。因此，可以推算出在蓄電池的放電過程中，其放電電壓V(t)與其載荷比之間也應(yīng)該保持某種特性關(guān)系，從而進(jìn)一步分析出可以通過測(cè)量帶負(fù)載的蓄電池的端電壓來計(jì)算出蓄電池容量的方法。

既然蓄電池的開路電壓與其所剩余電量的關(guān)系受外部影響很小，那么可以認(rèn)為只要是同一枚蓄電池，其放電是具有統(tǒng)一性的，也就是說無(wú)論其放電率是多少，其電壓，時(shí)間歸一化后應(yīng)基本為同一條曲線。

因此，可以構(gòu)建如下時(shí)間、電壓歸一化公式：

(1)

(2)

其中，為檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)的放電時(shí)間，單位為h；T為總共放電長(zhǎng)度，單位為h；tu為歸一化時(shí)間；V(t)為t時(shí)刻，蓄電池的放電電壓，單位為V；Vend為蓄電池的終止電壓，單位為V；V0為蓄電池放電時(shí)初始電壓，單位為V；V(tu)為歸一化電壓。

因此，當(dāng)在線檢測(cè)到實(shí)時(shí)的放電電壓V(t)時(shí)，就可以憑借之前計(jì)算出的公式求得在歸一化條件下的電壓V(tu)。再根據(jù)之前繪制成的歸一化放電曲線找出其對(duì)應(yīng)的歸一化時(shí)間tu，最后根據(jù)以下電池載荷比估算公式求得當(dāng)前時(shí)刻蓄電池的載荷比。

SOC=(1-tu)×100%

(3)

利用此方法，只要完整的檢測(cè)到一組放電率情況下，該蓄電池的放電電壓與放電時(shí)間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并繪制出歸一化放電曲線圖，就可以簡(jiǎn)單高效的實(shí)時(shí)估計(jì)出之后任意時(shí)刻該蓄電池的載荷比，提高蓄電池的使用效率[4]。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本文以三菱FR-E700系列變頻器驅(qū)動(dòng)1.1kW的Y90S-4風(fēng)機(jī)在30Hz轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。由實(shí)驗(yàn)可知，蓄電池可驅(qū)動(dòng)該風(fēng)機(jī)連續(xù)工作7.6h，其端電壓由初始的12V降低到10.27V。因此，結(jié)合上述的歸一化曲線分析方法可得以下圖表。

表1 帶負(fù)載端電壓法測(cè)得蓄電池載荷比表

圖1 閥控式密閉鉛酸蓄電池實(shí)驗(yàn)測(cè)量放電曲線

圖2 閥控式密閉鉛酸蓄電池歸一化放電曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，如果將蓄電池長(zhǎng)時(shí)間處于過度放電，即SOC經(jīng)常低于20%的狀態(tài)下使用，則會(huì)對(duì)蓄電池帶來很大損害，嚴(yán)重縮減蓄電池的使用壽命；相反，如果將蓄電池長(zhǎng)時(shí)間處于淺度放電，即SOC始終高于50%的狀態(tài)下工作，則會(huì)有效地保護(hù)到蓄電池，充分延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命；且根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可知，當(dāng)蓄電池的剩余電量低于25%時(shí)，其電壓會(huì)有明顯下降。因此，結(jié)合理論與實(shí)驗(yàn)分析，在工程實(shí)際運(yùn)行時(shí)一般要保證蓄電池的剩余電量不得低于25%，以確保蓄電池的工作狀態(tài)和使用壽命。

分析小結(jié)

本文經(jīng)過分析確定最適合作為應(yīng)急電源的蓄電池種類，并在分析蓄電池工作特性和工程實(shí)際需要的基礎(chǔ)上給出如何合理地確定出蓄電池參數(shù)的方法，提出安裝、選擇、使用蓄電池時(shí)相應(yīng)的注意事項(xiàng)。基于理論研究，本文給出簡(jiǎn)單易行的蓄電池剩余電量的估算方法，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。此外，還結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出蓄電池最佳的工作范圍，以此來提高蓄電池的工作狀態(tài)。

但值得注意的是，本文在蓄電池剩余電量估算方法選擇時(shí)進(jìn)行了最大程度的簡(jiǎn)化，其理論計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)之間還存在著少許誤差。在具體的工程實(shí)際應(yīng)用中，還需反復(fù)試驗(yàn)來減少誤差，從而確保蓄電池的工作效率。

[1] 李強(qiáng),仰蕾伊.一種蓄電池剩余容量測(cè)試方法的研究[J].汽車工業(yè)研究,2014,(11): 60-63.

[2] 金曉東,丁明,茆美琴.分布式發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池模型[J].儀器儀表用戶,2008, 15(2):88-90.

[3] 易映萍,王國(guó)志,姚為正.電力系統(tǒng)中蓄電池放電技術(shù)的探討[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào),2006,16(1):1-4.

[4] 金曉東,丁明,茆美琴.分布式發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池模型[J].儀器儀表用戶,2008,(15):88-90.