采用电池组并联的直流供电系统方案

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1、采用电池组并联供电的直流系统方案摘要直流系统是发电厂、变电站的能源中心，为操作机构和自动化装置提供能量。若直流系统出现故障，则后果相当严重。本文结合笔者所在公司研制生产的并联型直流屏，着重比较了采用电池组并联供电的并联型直流屏与采用电池组串联供电的传统直流屏的优缺点，说明了采用电池组并联供电的直流系统方案在电池组使用寿命、维护、运行可靠性等方面具有相当的优越性。关键词电池组并联直流屏0引言目前，发电厂、变电站的直流系统均采用传统的直流屏，它由充电装置、蓄电池组和馈电回路三部分组成，系统框图如图1所示。其电

2、池组是串联起来对外供电的，比如220V直流系统，就必须由18节12V的电池组或108节的单体电池串联起来。由这么多节电池串联起来的电池组，很容易出现各电池不均衡的问题，进而导致有的电池长期过充电有的电池则长期过放电，严重降低电池的使用寿命，一旦其中一节电池出现故障，为了保证整个电池组的一致性，必须整组电池换掉，造成了不必要的浪费。目前解决此问题的方法是由工作人员定期的对每节电池进行深度放电，再对整个电池组进行均充。整个过程大概需要2天时间，大大加大了维护成本。即便如此，该方法仍然不能完全解决电池使用寿命的

3、问题。基于以上问题，笔者所在公司研制了一种电池组并联的供电方案，它主要由N个变流装置和电池组并联组成，系统框图如图2所示。每个变流装置配备2节12V的电池组，变流装置实现以下功能：（1）、当有交流输入时，变流装置把220VAC的交流电转换成稳定的220VDC直流电，同时对电池组进行充电。（2）、当交流失电时，变流装置把24VDC的电池电压转换成220VDC的直流电。（3）、变流装置定期对电池进行自动放电维护，无需人工干预。每个变流装置的输出通过均流控制器处理完后接在一起，实现并联输出，以满足大功率场合的需

4、要。该方案实现了由24V电池组并联供电，减少电池串联节数，下面重点阐述该方案的各方面优越性。1电池寿命目前传统的直流屏上采用的电池组绝大部分是免维护的阀控式铅酸蓄电池（VRLA电池），为了比较电池组并联供电和串联供电对电池寿命的影响，首先我们必须了解阀控式铅酸蓄电池的工作原理。1.1VRLA电池的工作原理单体的VRLA电池的基本部件有正极板、负极板、硫酸电解液、隔板、电池槽盖、极柱等。VRLA电池的正极活性物质是二氧化铅（PbO2），负极活性物质是海绵状金属铅（Pb），电解液是稀硫酸（H2SO4），其基本

5、反应原理可表示为：从上面反应式可看出，充电过程中存在水分解反应，当正极充电到70％时，开始析出氧气，负极充电到90％时开始析出氢气，由于氢氧气的析出，如果反应产生的气体不能重新复合得用，电池就会失水干涸；对于早期的传统式铅酸蓄电池，由于氢氧气的析出及从电池内部逸出，不能进行气体的再复合，是需经常加酸加水维护的重要原因；而VRLA电池能在电池内部对氧气再复合利用，同时抑制氢气的析出，克服了传统式铅酸蓄电池的主要缺点。VRLA电池氧循环图示如下：可以看出，在VRLA电池中，负极起着双重作用，即在充电末期或过充

6、电时，一方面极板中的海绵状铅与正极产生的O2反应而被氧化成一氧化铅，另一方面是极板中的硫酸铅又要接受外电路传输来的电子进行还原反应,由硫酸铅反应成海绵状铅。1.1VRLA电池主要参数1.1.1电池的容量处于完全充电状态的铅酸蓄电池在一定放电条件下，放电到规定的终止电压时所能给出的电量成为电池容量，常用单位为安培小时（AH），电池容量分为理论容量、实际容量。理论容量是指根据活性物质的质量按照法拉第定律计算而得的最高容量。实际容量是指电池在一定放电条件下所能输出的电量。由于组成电池时，除电池的主反应外，还有副

7、反应发生，加之其他种种原因，活性物质利用率不可能外100%，因此远低于理论容量。电池的实际容量主要与电池正、负极活性物质的数量及利用率有关。活性物质利用率主要受放点制度、电机结构、制造工艺影响。1.1.1电池内阻电池的内阻不是常数，在充放电过程中随时间不断变化，因为活性物质的组成、电解液浓度和温度都在不断变化。VRLA电池的内阻很小，但在大电流放电情况下，电池的电压降损失可达数百毫伏。电池的内阻有欧姆内阻和极化内阻两部分。欧姆内阻主要由电极材料、隔板、电解液、接线柱等构成，也与电池尺寸、结构及装配因素有关

8、。极化内阻是由电化学极化和浓差极化引起的，是电池充放电过程中两电极进行化学反应时极化产生的内阻。极化内阻与电池制造工艺、电极结构及活性物质的活性有关。1.1.2电池电动势铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅（PbO2），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质--氢氧化铅（Pb(OH)4），氢氧根离子在溶液中，铅离子（Pb4）留在正极板上，故正极板上缺少电子。负极板是铅（Pb），与电解液中的硫酸（H2SO