关于100%充满电池与均衡的讨论

1老头

　均衡器按能量回路处理的方式分断流和分流，断流指在监控单体电压变化的基础上，在满足一定条件时把单体电池的充电或负载回路断开，通过机械触点或电力电子部件组成开关矩阵，动态改变电池组内单体之间的连接结构，可能的断流部件有机械、继电器、半导体。电动汽车用电池组功率很大，瞬时电流可达数百安培而且双极性变化，在考虑可行性、性价比、实用性、可靠性等诸多因素，断流的实施难度极大，不适合在电动汽车上使用。

　　分流并不断开电池的工作回路，而是给每只电池各增加一个旁路装置，就象电池伴侣，两者合起来的特性趋于电池组内平均素质的单体电池特性。
　　能耗型指给各单体电池提供并联电流支路，将电压过高的单体电池通过分流转移电能达到均衡目的，实现电流支路的装置可以是可控电阻，或经能量变换器带动空调、风机等耗电设备，其实质是通过能量消耗的办法限制单体电池出现过高或过低的端电压，只适合在静态均衡中使用，其高温升等特点降低了系统可靠性，消耗能源，在动态均衡中不可能使用。

　　与能耗不同，回馈通过能量变换器将单体之间的偏差能量馈送回电池组或组中某些单体。理论上，当忽略转换效率时，回馈不消耗能量，可实现动态均衡。回馈型具有更高的研究价值和使用价值，最有可能达到实用化设计。

1老头

　电池电压均衡利用能量变换装置实现，依据高频开关电源(SMPS)的原理和技术设计，基本的电源电路包括非隔离式的Buck、Boost、Buck Boost、Cuk、Sepic、Zeta，隔离式的有Forward、Flyback、Push Pull、Half Bridge、Full Bridge、Iso-Cuk等。充电时小容量电池充入较少能量，分流电路吸收电能，放电时分流电路补充能量，能量变换器应该实现双向变换。原则上各种电源电路经改进设计都可以实现双向，最简单的方案是用两个电源，输入与输出交叉并联，两个电路分别控制。由于受成本、体积与重量、长期工作的可靠性等因素的影响，双向单变换器比单向双变换器更有优势，是发展方向。
按均衡功能特点分充电、放电和动态均衡。充电均衡在充电过程中后期，单体电压达到或超过截止电压时，均衡电路开始工作，减小单体电流，以期限制单体电压不高于充电截止电压。与充电均衡类似，放电均衡在电池组输出功率时，通过补充电能限制单体电压不低于预设的放电终止电压。充电截止电压和放电终止电压的设置与温度有关联。与充电和放电均衡不同，动态均衡不论在充电态、放电态，还是浮置状态，都可以通过能量转换的方法实现组中单体电压的平衡，实时保持相近的荷电程度。

　　充电均衡的唯一功能是防止过充电，而在放电使用中带来的负面影响使得使用这种均衡得不偿失：不加充电均衡时，容量小的电池被一定程度过充，组内任何单体过放以前，电池组输出Ah计电量略高于单体最小容量。使用充电均衡时，小容量电池没有过充，能放出的电量小于不用均衡器时轻度过充所能释放的电能，使得该单体电池放电时间更短，过放的可能性就更大了。另外，当电机控制器以组电压降低到一定程度为依据减小或停止输出功率时，由于大容量电池因充电均衡被充入更多电能而表现出较高的平台电压，淹没和淡化了小容量电池的电压跌落，将出现组电压足够高，而小容量单体已经过放。

　　放电均衡与充电均衡情形相似，大容量浅充足放，小容量过充足放，加速单体性能差异性变化的结果是相同的，都不能形成真正实用的产品，只有动态均衡集中了两种均衡的优点，尽管单体之间初始容量有差异，工作中却能保证相对的充放电强度和深度的一致性，渐进达到共同的寿命终点。

1老头

电力电源阀控电池组主动均衡探讨



冉建国1，王恒2，张健2，陈胜军1，陈良程1

(1 北京集能伟业电子科技有限公司 10008  2 唐山供电公司 063000)



摘要：本文探讨了直流电源中浮充电压对阀控电池寿命的影响，要保证电池的使用寿命，必须有合适的浮充电压。讨论了传统的均衡充电不适合阀控式铅酸电池。提出了电池组主动均衡的方法。通过主动均衡，可以使电池组电压达到足够的均衡精度，保证电池的安全稳定和使用寿命。

0 引言

电力电源是在变电站中使用的直流电源，是高压断路器关分合闸、保护及自动化装置、通讯设备、变电站事故全停情况下的抢修照明、变电站内重要设备的主要电源及可靠的备用电源。随着电网的快速发展，保证电网的安全可靠运行，直流电源系统得到了广泛地重视，直流电源系统被提到变电站 “心脏”的重要高度。

近十几年来，随着高频开关电源的普及，阀控铅酸蓄电池已在电力系统广泛应用。由于其全密封、无须加水及调酸等维护，俗称为“免维护”蓄电池。但在实际使用中，许多电池远未达到设计寿命，甚至一年左右就报废的也有。造成电池不能达到额定使用寿命的原因除了电池本身的质量问题，没有正确充电是其主要原因。因此，正确使用和维护阀控铅酸蓄电池，提高其使用寿命，具有十分重要的意义。



1 浮充电压对电池寿命的影响

电池在充电时的端电压等于电池的开路电压加极板的极化电压，对阀控铅酸电池，在浮充状态下主要是正极板极化电压。图1为J.J.Lander在1951-1956年间在美国海军研究中心的研究成果。图中表明极板的极化电压与腐蚀系数之间的关系。正常的腐蚀系数为1，随着极化电压的增高和降低都会加速极板的腐蚀。最佳的极化电压应限制在方框之内，即极化电压应在50-120mV之间。

图1

图2表明浮充电压与极化电压的关系。随着浮充电压的提高极化电压也增高，因此浮充电压必须限制在一定范围之内，应在2.23-2.27V之间。

图2

除了极板腐蚀外，过高的浮充电压也会造成电池的失水，过低的浮充电压会造成电池硫化。因此，极板腐蚀、电池失水、电池硫化是电池失效的主要模式。因此对电池设定精确的浮充电压对保证使用寿命是十分必要的。

但在电池组中各个电池的浮充电压是不平衡的。造成电池电压不均衡的原因是电池间的漏电流不同。由于串联电池组的浮充电流相同，不同的漏电流长期累积必然引起电池电压的不同，有些电池欠充、有些电池过充。电池漏电流不同的原因有以下几种：

制造的原因：两个电池之间在制造过程中必然存在某种差异，造成漏电流不同；

电池室中温度差异：由于光照、空调等原因，电池室内不同地点的温度存在差异，通常电池组中最高和最低温度相差5℃左右。电池在不同的温度下有不同的漏电流，温度越高漏电流越大。

软短路：电池在使用过程中，有些电池中的活性物质会在相邻极板中逐渐形成通路，造成自放电加大。长时间会使该电池电压降低，而使其他电池电压升高。



要保证电池有精确的浮充电压，达到电池额定使用寿命，要满足以下条件：

1）充电机输出的浮充电压要精确，纹波要小；

2）要根据电池室环境温度调整浮充电压；

3）电池室环境温度不能太高或太低，最好维持在20-30℃之间；

4）电池之间电压要均衡。



前两个条件目前都可以满足，第3个条件通过室内设置空调也不难满足，目前问题最大的是第4个条件，电池之间的电压存在较大的不均衡。





2目前充电方法存在的问题

2.1 目前使用的充电方法

如图3所示，目前的充电采用三段式，先以0.1CA的电流恒流充电，当电池电压上升到均充电压（2.35*N）时，变为恒压充电，充电电流逐渐下降，当降到0.01CA时开始计时，3h后转浮充电。

图3



目前，智能直流电源采用自动均衡充电的方式运行，如图4所示：每隔一段时间（一般为三个月）充电机自动转入均衡充电，重复上述充电过程，充满后转浮充。当交流中断后由电池供电，交流恢复后重复上述充电过程。



图4



2.2传统的充电方式对阀控铅酸蓄电池的影响

2.2.1 较高的均衡充电压对电池的影响
     所谓均衡充电，就是均衡电池特性的充电，是指在电池的使用过程中，因为电池的个体差异、温度差异等原因造成电池端电压不平衡，为了避免这种不平衡趋势的恶化，需要提高电池组的充电电压，对电池进行均衡充电，达到各个单只电池的端电压相等。

毫无疑问，这个定义是在传统的铅酸电池维护中提出来的，并不适用于免维护电池。

在以前的电池维护中，伴随着均衡充电的过程是进行电池比重的调整，也就是说采用添加蒸馏水的办法补充水量，以保持电池的均衡性。但在免维护电池中，在现有的维护制度下是不能加水的，这样一来，将不可避免造成电池的失水、电池干枯。

事实上，均衡充电电压，对于大多数电池来说，都是较高的浮充电压。在这种情况下，对于大多数正常的电池来说，无疑是处于过充电状态。这将产生大量的O2、H2。理论上讲，阀控密封电池是不失水的，但事实是不可避免的：首先，再化反应效率是不可能达到100%的，不能复合的气体在电池内部形成一定的压力，压力超过安全控制阀阀值时，阀门打开，气体从控制阀中排出。其次，电池是不可能完全密封的，电池失水是一个缓慢的过程。
    免维护电池失水会与普通铅酸电池一样，会造成电池的伤害，影响电池的容量与寿命，还存在免维护电池独特的故障特点，它将可能对变电站构成致命的威胁。免维护电池的失水，必然引起电池内部胶体电解液液面的降低，当电解液的高度低于极板时，由于系统的复合效率不可能是100%，因此将有部分氧气在正极板电解液浸泡处发生下列反应：
O2+ H2SO4 +Pb==PbSO4+H2O
    而产生后的PbSO4、H2O将流回电解液中，在充电过程中上述反应不断产生，这样一来，上部的铅被不断地转移到下部，在长期使用后，极板汇流条慢慢地被腐蚀，直致电池最终出现断路。



2.2.2 传统的均衡充电方法并不能达到电池均衡。

如下图所示。图5采用传统的提高充电电压进行电池均衡的方法。从图中看出均衡充电85小时后电池并未均衡。在实际运行的变电站电池组中，同样存在类似情况，电池之间存在较大的电压差，最高电池与最低电池电压差甚至超高1V。所以传统的均衡方式并不能解决免维护电池的均衡问题。很多供电部门已取消了均衡充电，如唐山供电公司。

图6是采用均衡器对电池作主动均衡，十几个小时后，电池电压趋于一致。

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图5

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图6

3 电池不均衡现状及对电池产生的影响

下表是美国对有线电视用12V铅酸电池组所做的统计。共检测846组，总共2538只电池。

    如表所示：第一列为电池电压与标准电压的偏差值，从－0.8V到+1.1V，第二列为对应的电池个数，第三列为占总数的百分比，第四列为换算成25℃时的电池寿命，第五列为电池极板腐蚀的加速系数。从中可以看出，随着电池充电电压偏差的加大，极板腐蚀加速系数增大，电池寿命缩短。因此，对电池组各单电池之间做电压均衡是非常必要的，它可以使电池组中各电池寿命趋于一致，避免电池的早期失效。12V电池组中电池之间的电压差应限制在60mV之内。

电压偏差（V）
电池个数
百分比
寿命 25℃
加速系数

－0.8
42
2%
2.4(年)
3.3

-0.7
14
1%
3.2
2.5

-0.6
9
0%
3.92
2.0

-0.5
37
1%
4.64
1.7

-0.4
42
2%
5.6
1.4

-0.3
96
4%
6.4
1.3

-0.2
207
8%
7.2
1.1

-0.1
779
31%
7.84
1.0

0
55
2%
8.0
1.0

0.1
776
31%
7.92
1.0

0.2
244
10%
7.76
1.0

0.3
99
4%
7.52
1.1

0.4
44
2%
6.0
1.3

0.5
19
1%
2.48
3.2

0.6
19
1%
1.76
4.5

0.7
8
0%
1.2
6.7

0.8
18
1%
0.8
10.0

0.9
6
0%
0.56
14.3

1.0
4
0%
0.28
28.6

1.1
20
1%
0.24
33.3




图7为根据上表作出的电压偏差分布图。

图7 电池电压偏差分布图

图8为电池电压偏差对电池寿命的影响。从中可以看出，12V电池偏离标准电压100mV以上就会对电池寿命产生明显影响。

图8 电池浮充电压偏差对电池寿命的影响



4 主动均衡

4.1主动均衡器的原理及采用主动均衡后的充电方法

如上所述，传统的均衡充电不能使阀控电池达到电压均衡的目的，必须使用主动均衡的方式使电池电压达到平衡。主动均衡的方法很多，如高端UPS采用每只电池配一台充电器的方法保证电池之间的均衡。某供电公司也采用类似的方法改造现有直流屏。

我公司经过深入研究各种均衡方法后，提出了自己的方案。此方案不需对现有直流电源做任何改动，将均衡器与电池电压巡检仪集成在一起，接线方式与电压巡检仪相同，同时兼有电池电压均衡和电压巡检的功能。

均衡器采用能量变换的方式，将电压高的电池能量转移到电压低的电池上，从而达到电压平衡，使整组电池的各个电池电压趋于一致。主动均衡的效果如图6所示。
采用主动均衡后，充电机无需均衡充电，最高充电电压由原来的2.35*N的均充电压降为2.25*N的浮充电压，也无需定期对电池进行浮充电，从而避免了电池失水、热失控等问题。采用主动均衡后的充电方式如图7所示。[/size]
采用电池均衡装置可带来下列好处：

1）各个单电池电压都均衡的电池组其性能和寿命与单个电池类似，不会有巨大差异；

2）可以摆脱由于电池不均衡造成的电池失效，常见的是某些电池长期处于欠充状态下极板硫化失效和过充电造成电池失水；

3）加主动均衡的电池组不再需要被动均衡的高压过充电，可降低最高充电电压，这样可以使电池失水更少，延长电池寿命，并且大大降低电池热失控的可能性。

4）当电池组中某只电池损坏后，只需将该只电池更换，而不需整组更换，可节约可观费用。均衡器将使新旧电池电压保持一致，正常工作。



图7 采用主动均衡后的充电方法



4.2 阀控式铅酸电池组均衡器主要技术指标

固定式铅酸电池组均衡器有12V和2V两中规格，适用于电力电源、通讯电源、UPS等电池组。12V均衡器每台可均衡20只电池，且带有电池电压检测功能，通过串口可将各单电池电压传到上位机。2V均衡器每台可均衡24只电池，且带有电池电压检测功能，通过串口可将各单电池电压传到上位机。均衡器之间可以级联，以便检测均衡更多电池。



型号
iBMS-U120220As(或Am)
iBMS-U020824As（或Am）

电池额定电压
12.0V
2.0V

电池个数/每台
20
24

均衡电压范围
12V-15V
2.0V-2.5V

最大均衡电流
1A
2A

适合电池容量
200AH以下
3000AH以下

均衡模式
在线均衡
在线均衡

运行环境温度
-25℃--50℃
-25℃--50℃

最大不均衡度
100mV
15mV

通讯速率
RS-422,9600bps
RS-422,9600bps

最大级联个数
8台
8台

保护
温度保护、单元故障保护
温度保护、单元故障保护

电压检测精度
0.2%
0.2%

尺寸（长X宽X高）
484mmX330mmX88mm
484mmX330mmX88mm

显示器（Am型号）
液晶显示器（128X64）
液晶显示器（128X64）




5 结束语

要增加阀控铅酸电池组的安全可靠性，提高使用寿命，正确充电是非常重要的。由于电力直流电源长期处于浮充状态，所以，精确的浮充电压对电池寿命至关重要。要有精确的浮充电压，必须使充电机浮充电压准确，并随环境温度的变化调节，最后要使各单电池的电压一致，才能保证正确的充电电压。传统的均衡充电方法通过抬高充电电压达到电池均衡的目的，这种方法适合老式开口式铅酸电池，并不适合阀控式铅酸电池。因此必须采用主动均衡的方法使电池达到均衡状态。我公司通过对各种均衡方法的深入研究，研制了适合阀控铅酸电池的均衡器，达到了12V电池组最大压差在100mV之内，2V电池组最大压差在15mV之内。满足了电池均衡的要求，能过提高电池组的安全可靠性和使用

[ 本帖最后由 1老头 于 2008-10-4 08:40 编辑 ]

zmg666666

3段式是迫不得已采用高压充电。纯粹的低压充电，在电动车上也是难以实施的。虽然可以采取均衡措施，但消费者难以接受使用中的各种负面影响
但是天天高压充电也是错误的。但高压充电也可以用慢脉冲减少失水

浮充加定期高压充电是一个折中办法，
另外，电动车不可能长时间浮充，所以极化电压对极板腐蚀也是较少的。考虑到浮充电量，必须加大浮充电流，势必增加浮充电压

为人民服务

校长，搞个实际的板子来用用呀

1老头

要搞的。现在正在设计简单的试验版，先解决关键技术的简单化试验的问题。

jcq

充电均衡的唯一功能是防止过充电，而在放电使用中带来的负面影响使得使用这种均衡得不偿失：不加充电均衡时，容量小的电池被一定程度过充，组内任何单体过放以前，电池组输出Ah计电量略高于单体最小容量。使用充电均衡时，小容量电池没有过充，能放出的电量小于不用均衡器时轻度过充所能释放的电能，使得该单体电池放电时间更短，过放的可能性就更大了。另外，当电机控制器以组电压降低到一定程度为依据减小或停止输出功率时，由于大容量电池因充电均衡被充入更多电能而表现出较高的平台电压，淹没和淡化了小容量电池的电压跌落，将出现组电压足够高，而小容量单体已经过放。
"1老头"的资料很好！您画的草图变压器绕组可以减少， 把两个电池用两个绕组，结成正负电源形式，推动变压器绕组也可以合并。

1老头

1老头"的资料很好！您画的草图变压器绕组可以减少， 把两个电池用两个绕组，结成正负电源形式，推动变压器绕组也可以合并。

明白 你的意思，但是对36v还得一个12v 单独的。这样，线圈不一样拉呀。

1老头

讨论吧

zmg666666

该电路的最高精度是？