蓄能电池充放电（通用4篇）
蓄能电池充放电 篇1
摘要：为防止蓄电池工作于过充电和过放电状态,本文设计了一种蓄电池充放电保护电路,通过对蓄电池充放电过程中的电压和电流监测,该电路由滞回比较电路、电流采集电路和逻辑门电路配合控制电池的充放电开关,保证蓄电池处于安全工作状态,以此延长蓄电池的使用寿命。
关键词：蓄电池,滞回比较,门电路,充放电
蓄电池充放电过程中的过充电和过放电都会严重影响蓄电池的使用特性,使蓄电池的内阻升高、容量减小。过充电会使蓄电池内部电解液温度升高,可能会导致蓄电池的自燃或者爆炸,所以在蓄电池的使用过程中一定要防止过充电和过放电这两种现象的出现。蓄电池是否过充电或过放电都无法通过观察实时判断,所以我们需要一个电路来防止电池过充电或过放电。
目前蓄电池的充放电管理以及保护方法有很多种,但不论是使用单片机控制还是使用分立元件构成的控制器都有电路复杂、面积大和功耗高的缺陷。同时,有人提出了通过设计集电池充电和保护功能于一身的IC,来解决面积大、功耗高的问题,可减少了一定的外围电路。但该方法还在设计阶段,且其本身还是存在电路复杂的缺陷。
介于以上问题,本文提出了电路简洁、面积小和功耗低的蓄电池的充放电保护电路。
1 蓄电池安全充放电过程分析
蓄电池安全充放电就是保证电池电量在一个合理范围内变化,根据蓄电池型号的参数可以设定蓄电池安全充放电的剩余电池容量门阈值, 设定上限门阈值Qmax可防止蓄电池过充电,设定下限门阈值Qmin可防止蓄电池过放电。即蓄电池充电时,电量上升,达到上限门
阈值停止充电;蓄电池放电时,电量下降,达到下限门阈值停止放电。这个过程如图1 所示, 蓄电池放电过程如图中A-B-C所示,电量降低到Qmin时停止放电;充电过程如图中C-D-A所示,电量上升到Qmax时停止充电,这样就保证了蓄电池的安全充放电。
2 蓄电池的充放电保护电路设计
由于蓄电池在工作状态下的电量检测电路比较复杂,本电路结合电池端电压和充电电流来估计电池的剩余容量。由蓄电池的安全充放电分析可得,电池充电和放电的安全门阈值不同,所以把采集到的蓄电池端电压通过滞回比较器电路比较,来控制充电或者放电。如图1 所示,放电过程中,蓄电池电压达到电压下限门阈值Qmin时,滞回比较器输出由低电平变为高电平;充电过程中,蓄电池电压上升到电压上限门阈值Qmax时,滞回比较器输出由高电平变为低电平。
充电时,采集到的蓄电池端电压是充电器两端电压,是恒高于上限门阈值的,所以不能只由滞回比较电路来判断蓄电池是否满电。而蓄电池充电时,随着电池剩余容量的增加,充电电流会越来越小,取电池达到过充电的临界充电电流值为电流采集输出门阈值M,充电时,电流采集输出达到这个门阈时,停止充电。
综合以上条件,只有在蓄电池充电电流低于门阈值M且滞回比较器输出为低时,电池停止充电,可供电;蓄电池充电电流高于门阈值M或滞回比较器输出为高时,电池停止供电,可充电。保护电路原理如图2 所示。其中D1、D2 为二极管,S1 为充电开关,S2 为供电开关。
3 小结
蓄电池的充放电保护电路可保证蓄电池在其安全范围内充放电。由于蓄电池在放电工作状态下,同等剩余容量,放电电流越大,采集到的电压越低,在没有电流的情况下,电压最高。所以在实际工作中,放电电流越大,设定的下限门阈值会高于实际安全放电下限门阈值。目前,该电路已成功应用到所设计的直流稳压电源系统中,并且电路工作稳定可靠。
锂离子电池充放电特性的研究 篇2
锂离子电池因其端电压高、比能量大、充放电寿命长、放电性能稳定、自放电率低和无污染等优点[1,2]，得到了广泛的应用。锂离子电池的特性，一般是指锂离子单体电池的特性，如不同电流下的充放电特性、不同温度下的充放电特性等[3,4]。本文将电池在充放电过程中内阻的变化以及充放电容量也作为考虑因素，对锂离子电池的特性进行了研究。
2锂离子电池特性
试验选用的电池为SONY NP-510锂离子单体电池，电池正极主要成分为LiCoO2负极主要为C，正极系统反应方程式如式1所示;负极系统反应方程式如式2所示[5]。
整个电池系统的反应方程式如下式3所示。
单体电池电压为4.2V，容量为1.25Ah，工作电压范围为3.0-4.2V。在ZM-7103电池测试系统上对电池进行充放电。
2.1充电实脸设计
大电流恒流充电条件描述：
1. 室温;
2. 新的电池;
3.将电池放电至开路电压为3.0V;
4.以550mA大电流进行恒流充电，充电至电池电压为4.20V，然后转为恒压充电，到充电电流小于50mA为止。这样做的目的是为了分析恒压充电的实际意义。
2.2 放电试验设计
大电流恒流放电条件描述：
1.室温;
2.新的电池;
3. 完全充饱以后进行5 5 0 m A的恒流放电;
4.测量电池电压时,不关断放电回路,测量电池实际工作电压.携带放电电流对电压的影响。
当单体电池的最低端电压低于3.0V时，停止放电。
记录充放电过程中的相关数据。
3结果与讨论
3.1 充电性能
单体电池以550mA充电的曲线，如图1所示。
由图1可知：单体电池的电压在充电初期有较大上升，之后趋向平缓。在充电后期恒压充电阶段，电池电压保持不变，充电电流逐渐减小。按照编程表，550mA恒流充电，在电池电压达到4.20V以后转换成恒压充电。
3.2 放电性能
单体电池以550mA放电的曲线，如图2所示。
从图2可见：电池在恒流放电条件下的工作电压变化可分为3个阶段：(1)放电初期，电压下降较快;(2)之后放电曲线逐渐趋于平缓，进人“平台区”。这一阶段持续的时间与电压值、环境温度、放电倍率、电池的质量和寿命等有关;(3)放电末期，曲线有呈直线下降的趋势。
在常温下550mA恒流放电实验中，六只单体电池的端电压随电池SOC(荷电状态)变化的数据。以10%的容量间隔进行划分。如下表1所示。
锂离子电池的OCV(开路电压)在4.20V到3.90V之间下降斜率较快，在3.8 V前后有一个相对平缓的放电平台，在低于3.7V以后,电压随容量下降急剧降低到3.0V。通常情况下电池容量小于40%即认为应该重新充电。
综合考虑六只单体电池的充放电容量，如下表2所示：
通过对ZM-7103电池测试系统的测试曲线的分析可以得知，恒流充电阶段充入的容量为主要部分，而恒压充电阶段充入的容量为次要部分，计算恒压充电充入的容量的平均值，大约占充入总容量的13.6%，并且，综合考虑，恒压充电阶段的实际意义并不是很大，在本实验中恒压充电充入的总容量小于200mAh，平均用时1小时，而恒压充电充入100 mAh平均所用只用大约17分钟，剩下的时间所充入的容量不到100mAh，而且所用时间过长。
3.3 内阻与容量的关系
锂离子电池交流内阻使用ZM-3000E电池内阻测试仪测得。将电池不同SOC所对应的开路电压值所对应的交流内阻测得，并绘制如图3所示。
从图3可见：通过使用电池ZM-3000E电池内阻测试仪测得的电池的交流内阻随电池荷电状态的增大而增大。
4结束语
通过对电池充放电曲线以及相关数据的分析，我们得出了锂离子电池充电后期恒压充电阶段充入的容量所占总容量的比例很小，而且所用时间相对较长，充电效率很低的结论，所以应在编程表中对恒压充电阶段的充电时间进行限制;通过对电池不同SOC所对应的交流内阻的测量可知，电池交流内阻随电池荷电状态的增大而增大的结论。
摘要：本文通过对电池充放电曲线以及相关数据的分析,我们得出了锂离子电池充电后期恒压充电阶段所充入的容量所占总容量的比例很小,而且所用时间相对较长,充电效率很低的结论,所以应在编程表中对恒压充电阶段的充电时间进行限制;通过对电池不同SOC(电池荷电状态)所对应的交流内阻的测量可知,电池的交流内阻随电池荷电状态的增大而增大的结论。
关键词：锂离子电池,充放电特性,SOC(电池荷电状态),容量
参考文献
[1]郭炳焜,李新海,杨松青.化学电源-电池原理及制造技术[M].长沙:中南大学出版社,2000.
[2]郭炳焜,徐徽,王先友,et al.理离子电池[M].长沙:中南大学出版社,2002.
[3]陈清泉,孙逢春,朱嘉光.现代电动汽车技术[M].北京:北京理工大学出版社,2002.
[4]胡广侠.锂离子电池充放电过程的研究[D].上海:中国科学院上海微系统与信息技术研究所,2002.
蓄电池极板化成充放电电源的设计 篇3
关键词：蓄电池,晶闸管,充放电
1 引言
蓄电池是能反复充电、放电的电池, 它用填满海绵状铅的铅板作负极, 填满二氧化铅的铅板作正极, 并用22%～28%的稀硫酸作电解质。在充电时, 将外部直流电源连在蓄电池上进行充电, 使电能转化成化学能储存起来;放电时电能从电池中释放出来去驱动外部设备使化学能又转化为电能。蓄电池是一种具有良好的可逆性、电压特性平稳、使用寿命长、适用范围广、供电方便、安全可靠的直流电源。随着现代工业的迅猛发展, 蓄电池工业对社会主义现代化建设起着越来越重要的基础性作用, 交通运输和电信设备等行业对蓄电池需求量越来越大, 其配套的化学电源必须具备范围大、高可靠、全密封、免维护和高性价比等优点, 从而对铅酸蓄电池的生产包括即生产过程的质量控制, 原材料, 制造工艺及生产设备提出了更高的要求, 而蓄电池化成过程是影响蓄电池质量的一个非常重要的工艺环节, 因此对蓄电池化成工艺过程的有效控制将直接影响到生产的蓄电池性能和使用寿命, 而充放电电源是决定化成质量的根本保证。因此, 研制一种适用于蓄电池的化成充放电电源, 以提高蓄电池的循环寿命, 降低用户使用成本, 节约资源, 促进行业发展, 是蓄电池厂家及用户共同的呼声。
本蓄电池极板化成充放电电源采用了晶闸管整流技术, 采用先进的双闭环PID反馈控制技术对充放电机的工作电压及工作电流进行整定。微控制器能够按照程序设定给出电压、电流信号与闭环系统反馈回来的直流侧电压、电流信号作比较计算后经过调节电路, 控制移相芯片输出触发脉冲从而触发晶闸管进行整流, 并通过接触器进行充放电的切换。运行时, 系统实时反馈直流侧电压电流信号, 一方面与设定值作比较进行自动调节, 使电压电流参数保持与设定值一致, 另一方面将上述信号传给单片机控制系统并经过计算将实际数值实时显示在LCD上。实现对蓄电池恒流充电, 又可作为蓄电池的放电负载, 把蓄电池放电时的能量回馈到电网, 实现能量的再生。且在蓄电池充、放电的过程中, 均可以实现网侧电流的正弦化和高功率因数、低谐波污染, 节能效果显著。
2 系统功能:
本蓄电池极板化成电源可对蓄电池进行恒流充放电、恒压充放电及浮充, 放电时电能回馈电网, 可实现以下基本功能:
充放电控制功能:可实现对电池组进行多阶段自动充放电, 并能通过时间, 电量, 电压等转换条件实现各阶段的自动切换, 用户可根据各种蓄电池化成工艺设置相应化成程序。
实时监控功能:液晶屏幕显示, 具有全中文菜单, 能够实时显示各种检测数据--充/放电电流、电池组总电压、程式执行时间等, 随时了解设备运行状态。并可通过键盘对充放电状态和充放电参数进行实时设置和修正。
系统保护功能:系统在软硬件均设有完善的保护功能, 防止电流过大等对电池组造成损伤, 具有过压、过流及短路等多种保护措施, 并带有报警指示灯和蜂鸣器。
断电记忆和来电重启功能:在充放电过程中如果突然断电导致系统没有正常结束时, 系统将及时地保存必要的参数。在恢复供电时, 自动调用保存的充放电参数并作适当的调整, 从断电处继续运行以完成充放电过程。
2 系统的总体方案设计
本系统所要实现的功能是对蓄电池进行恒流充放电控制, 通过化成过程使蓄电池达到所设计的电化学性能。系统的总体框图如图2.1所示。
在充放电电源中, 主要由隔离变压器、晶闸管整流输出电路、电流电压信号检测电路与反馈控制电路、单片机最小系统、掉电保护和外部存储器电路、报警显示电路以及键盘输入电路几个部分组成。
蓄电池极板化成充放电电源采用了晶闸管三相全控桥式整流电路, 利用单片机应用系统按照程序设定给出电压、电流信号与闭环系统反馈回来的直流侧电压、电流信号作比较计算后经过调节电路, 控制移相芯片输出触发脉冲从而触发晶闸管进行整流, 并通过接触器进行充放电的切换。系统在运行时, 实时地将运行过程中的各个状态通过LC D和LED显示出来, 接收和响应键盘的操作。
3 系统硬件设计
3.1 化成电源主回路
本系统采用晶闸管三相全控桥式整流电路控制蓄电池的充放电, 三相桥式全控整流电路主回路电路图如图2所示。主回路主要由以下几部分组成: (1) 交流接触器、熔断器、主变压器; (2) 变流器模块; (3) 由平波电抗器组成的直流滤波部分, 由分流器FL组成的电流取样、电池端电压采样部分, 直流熔断器, 等器件组成。其中主变压器起到隔离和改变输出电压最大范围的作用, 交流接触器则起到交流电源的开断作用;变流器部分则由6个晶闸管接成三相桥组成, 直流输出部分的电抗器主要起抑制脉动电流的作用, 分流器则将充放电电流转化为控制电路能采集的电压信号。 (如图2)
3.2 数据采集与输出控制模块
3.2.1 数据采集模块
数据采集分为电流和电压的采集。所谓的数据采集过程, 实质上是信息的采集、传递和处理, 以及对数据采集器控制的过程。其采集过程一般经由传感器获得信号, 并经过以线性放大器为核心的信号调整电路对输入信号进行放大和调整, 再通过AD采样并转换成为数字信号, 进而进入分析系统进行数据的处理和分析, 实现其相应的功能。因此电路的设计主要集中在对采集到的信息迸行预处理的电路中, 使其满足处理器A D转换的要求。数据采集系统的A/D单元对电池的电压和电流这两种信号进行检测, 由处理器根据工艺文件要求, 通过输出电路的D/A单元和充、放电切换单元控制变流器电路, 实时调整充、放电过程的电压或电流。
3.2.2 输出控制模块
系统输出控制电路将经过处理之后的数字量通过DAC模块转换成模拟量, 经过光电隔离并线性放大之后, 最后送给变流器, 通过变流器控制系统的充放电。
3.3 人机界面模块
3.3.1 键盘模块
整个键盘电路采用8279芯片, 不仅可以大大地节省CPU处理键盘的时间, 减轻CPU的负担, 而且, 显示稳定, 编程简单。16个按键接成矩阵形式, 由RL7～RL0组成行线, SL0～SL3组成列线 (或扫描线) 。当有键闭合时, 读入的RL7～RL0不全为零, 根椐RL7～RL0和SL3～SL0的状态即可确定闭合键所在的位置。
3.3.2 显示模块
系统中扩展了LCD, 用于实时地显示系统运行的各个阶段及运行过程中的各个参数, 同时显示时间等相关辅助信息, 当用户通过键盘对系统进行设置时, LCD将通过一系列简单的操作界面, 给用户的操作带来最大程度上的方便, 同时也可以实时地将设置信息显示在界面上。OCMl9264是一种图形点阵液晶显示器, 点阵数为192 (列) ×64 (行) , 可显示12 (每行) ×4 (行) 个 (16x16点阵) 汉字, 也可完成图形与字符的显示。它主要采用动态驱动原理由行驱动控制器和列驱动器两部分组成了192 (列) ×64 (行) 的全点阵液晶显示。同时, 为了实时的显示系统的运行状态, 将系统运行中所处的阶段用LED显示出来。
3.4 掉电保护电路
在蓄电池化成过程中出现停电事故时, 需要对运行文件及运行状态进行掉电保存, 重新上电后按照已保存的状态继续运行, 故需要给RAM外加掉电保护电路。
4 结语
蓄电池极板化成电源吸收了国内外同类产品的技术优点, 整机具有体积小、重量轻、效率高、干扰小、可靠性强等特点, 充电曲线更加理想, 有效的提高了蓄电池的使用寿命。总体性能技术指标达到有些甚至超过同类产品国际先进水平, 是铅酸蓄电池生产厂家极板化成的理想设备。目前已取得良好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]何立民.MCS-51单片机应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1993.
[2]充电电源分布式控制系统的设计.武汉理工大学, 2007.
蓄电池充放电试验引发的事故分析 篇4
蓄电池组是一个独立于变电站交流电源的直流电源, 与充电整流、直流网络构成直流系统, 是直流系统的核心。阀控铅酸免维护蓄电池因具有安装方便、维护工作量小、无污染、可靠性高等优点而在变电站中得到广泛应用。鉴于蓄电池在直流系统中的重要性, 检修人员会定期对其进行充放电试验, 以保证电池正常运行, 如果未按照规程要求进行试验工作, 就很可能对电网运行构成潜在威胁。本文介绍一起因蓄电池充放电试验引发的线路失电事故, 并提出相关防范措施。
1 事故概况
某日20:58, 调控中心遥控合闸某35kV变电所#2电容器开关时出现连续跳跃现象, 同时伴随两条10kV线路无故障信号开关分闸, 造成这两条线路失电, 且直流系统发故障告警。
1.1 事故前运行状况
图1为事故前该35kV变电所一次接线图, 35kV进线一供35kV母线, 35kV进线二热备用, 35kV线路备自投投入;#1、#2主变运行, 10kV I、II段母线并列运行, 10kV 8条馈线均运行。当天, 变电工区修试人员从上午9:00开始进行年度蓄电池充放电试验工作, 将整组220V蓄电池退出变电所直流系统, 此时所内直流系统仅由4个220V、额定电流为10A的直流模块供电。
1.2 事故及处理经过
事故当日19:50, 调控中心AVC系统在正常判断合变电所#2电容器开关时合闸失败, 监控后台发出#2电容器开关合闸、分闸信号, 同时伴随变电所直流控母过欠压、直流屏系统故障保护动作告警, 随即通知操作站运行人员到现场检查。
当日20:58左右, 现场检查设备无异常汇报调度后, 调度监控人员遥控试合#2电容器开关, #2电容器开关发生跳跃现象, 于是迅速拉开#2电容器控制电源, 此时#2电容器开关已经分合闸约三四次。调度监控屏发所有10kV线路和电容器开关、闸刀遥信变位分闸信号, 随即除两条10kV线路无遥信变位合闸信号外, 其余均恢复至合闸状态。现场检查两条10kV线路开关已跳闸, 变电所监控后台及现场保护装置均无任何动作记录。
当日21:33, 由于一条失电线路负荷已转出, 为尽快恢复另一条失电线路供电, 决定对其试送电, 但调度在遥控试送时合闸失败, 同时发直流控母过欠压、直流屏系统故障保护动作告警。
当日22:05, 调度发令将负荷转出失电线路, #2电容器改为冷备用。
当日22:20, 拆除蓄电池充放电设备, 恢复所内直流系统正常方式, 1min后遥控试送失电线路成功, 该线路恢复正常。
当日22:50左右, 检查#2电容器开关, 发现其合闸接触器接点接触不良, 更换接触器后开关分合正常。
当日23:50, 事故全部处理完毕, 停电设备恢复正常状态。
2 事故原因分析
本次事故的直接原因是:蓄电池因试验退出了直流系统, 直流系统仅靠所用交流逆变 (4个220V、10A逆变模块) 供电, 无法满足开关合闸所需的电流。事故变电所10kV设备目前仍采用老式操作机构CD10, 保护装置采用东海综合自动化厂家CR-21B型保护。图2为合闸线圈回路, HC为合闸接触器线圈, HQ为合闸线圈。遥控合闸时, 合闸回路导通, 合闸接触器线圈带电闭合合闸接触器两触点, 从而使合闸线圈带电, 实现合闸功能。CD10操作机构合闸瞬间电流约为90A, 而4个逆变模块只能提供40A的电流, 无法满足#2电容器的合闸电流要求, 同时直流系统电压下降幅度较大, 导致#2电容器合闸线圈因电压低吸合无力而合闸不成功。当日21:33, 失电线路试送电合闸失败, 且出现直流系统故障报警信号。
#2电容器在合闸过程中频繁跳跃, 主要是因为电容器开关本身合闸需要很大电流, 且合闸时接触器触点接触不良, 使得直流系统电压降幅更大, 合闸线圈也因电压太低吸合无力, 虽操作机构反复动作, 但合闸回路断路器辅助接点始终未发生变化 (保持闭合) , 从而导致合闸回路一直导通。从调度SCADA系统告警信号分析, 跳跃过程中监控后台并无分合闸变位信号, 现场开关室有异味, 由此可印证事故是合闸接触器线圈长时间通电引起发热所致。更换合闸接触器后, 电容器合闸触点工作正常, 合闸电源也恢复正常, 遥控成功。
在对#2电容器做遥控试验失败隔离后, 直流电压恢复, 总控单元重启, 从而有10kV各馈线、#1电容器等都发开关变位信号现象。
按照要求保护装置在80%~110%工作电压时均能正常工作, 但2条10kV线路发生偷跳现象, 保护厂家无法作出合理解释。这可能是保护装置抗干扰能力差, 而当时直流逆变模块输出电流瞬间过大, 使直流电压严重畸变, 引起跳闸回路部分接点抖动或继电器误动, 导致开关发生误动。
3 整改措施
(1) 由于本次事故主要由蓄电池组充放电试验退出直流系统引起, 因此要求在日常维护消缺工作中应进一步做好危险点预控及风险防范措施, 确保设备健康运行。
(2) 对于只有单组蓄电池的变电所直流系统, 在进行充放电试验时, 禁止将蓄电池组退出直流系统进行试验。
(3) 利用充放电仪器对并入直流系统的蓄电池进行试验时, 对于可能存在隐患或不能保证充放电期间直流系统正常工作的变电所, 检修人员应在现场全过程监测。
(4) 应加强运行人员直流系统及其应用的培训, 以便在直流系统不完善或异常情况下能够快速正确处理故障。
4 结束语
蓄电池是直流电源的重要组成部分, 是电力系统重要的控制、信号、动力电源, 它在电力系统安全运行中起着重要的作用。为了适应电力系统快速发展和稳定运行的要求, 应充分了解蓄电池的运行机理, 采用先进高质量的直流设备, 通过合理的维护手段及科学的维护方法, 有效地提高变电站蓄电池的运行效率, 从而延长其使用寿命, 减少供电企业的投资。同时, 在日常工作中, 需要加强对蓄电池的运行管理, 严格按照规程要求提高维护水平, 防止事故的发生, 保证整个变电站乃至整个电网能安全、可靠地运行。
参考文献
[1]栾晖.变电站蓄电池的运行与维护[J].内蒙古石油化工, 2010 (22) :77~79
[2]张萍, 张悦, 宋述勇.电力系统直流蓄电池运行及维护[J].山西电力, 2008, 148 (4) :31~33