光伏系統(tǒng)中蓄電池充放電控制方案的探討

光伏系統(tǒng)中蓄電池充放電控制方案的探討

目前光伏系統(tǒng)大多采用蓄電池作為貯能元件。而能夠與光伏電池配套使用的蓄電池種類(lèi)有很多，目前廣泛使用的有鉛酸免維護(hù)蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鎘蓄電池等。目前常使用的是鉛酸免維護(hù)蓄電池，因其維護(hù)方便，性能可靠，且對(duì)環(huán)境污染較小，特別是用于無(wú)人值守的光伏電站時(shí)如圖１，有著其他蓄電池所無(wú)法比擬的優(yōu)越性。

本文以光伏系統(tǒng)中的鉛酸免維護(hù)蓄電池１２Ｖ，１２ＡＨ為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較不同的充電檢測(cè)方法。

１

關(guān)于蓄電池的充放電蓄電池充放電是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的，即電池主要組件的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分發(fā)生連續(xù)和深度的變化。所以與一般電子零部件相比，蓄電池對(duì)溫度變化更為敏感。此外，反應(yīng)速率，即充電電流或放電電流，影響反應(yīng)參數(shù)并由此影響蓄電池的性能。

光伏系統(tǒng)中的蓄電池的工作條件與蓄電池在其他場(chǎng)合的工作條件不同，其充電率和放電率都非常小，且充電時(shí)間受到限制，即只有在日照時(shí)才能充電，所以不能按一固定的充電規(guī)律對(duì)其進(jìn)行充電。由于蓄電池應(yīng)用在這個(gè)特殊的環(huán)境下，致使其壽命比所預(yù)定的短，成為整個(gè)光伏系統(tǒng)中最易損壞的部分，其損壞的原因主要為“過(guò)充”與“過(guò)放”。

免維護(hù)鉛酸蓄電池的充放電電池反應(yīng)為：

２ＰｂＳＯ４＋２Ｈ２Ｏ

Ｐｂ＋ＰｂＯ２＋２Ｈ２ＳＯ４

過(guò)充是指蓄電池單格電壓超過(guò)某一水平一般為２．３５Ｖ／單格～２．４０Ｖ／單格，此時(shí)蓄電池?zé)o法使產(chǎn)生的氧氣充分再化合。充電電壓過(guò)高，在負(fù)極上生成的氫很難在電池內(nèi)部被吸收，在電池中因積累而產(chǎn)生壓力并且導(dǎo)致水份損失。嚴(yán)重過(guò)充時(shí)，水分解，產(chǎn)生氫氣和氧氣，使得蓄電池底部濃度比其他地方高出許多，導(dǎo)致負(fù)極板底部硫酸鹽化，正極板腐蝕和膨脹，造成容量損失。

過(guò)放是指蓄電池放電超過(guò)了規(guī)定的放電終止電壓如圖２，蓄電池放出了過(guò)量的容量。在鉛酸蓄電池中，兩個(gè)電極對(duì)過(guò)放都是敏感的。在溶解再沉積機(jī)理中，當(dāng)鉛Ｐｂ和二氧化鉛ＰｂＯ２分別溶解在電解液中并作為新的化合物硫酸鉛ＰｂＳ０４沉淀出來(lái)時(shí)，活性物質(zhì)發(fā)生了徹底的轉(zhuǎn)變并且失去原有的結(jié)構(gòu)。負(fù)電極由于有反極的危險(xiǎn)，對(duì)過(guò)放也是敏感的?；钚晕镔|(zhì)中的膨脹劑可能會(huì)因氧化而失去作用，而鉛酸蓄電池在隨后再充電時(shí)枝晶增長(zhǎng)的危險(xiǎn)會(huì)大大增加。

在設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)時(shí)需要對(duì)蓄電池的容量進(jìn)行檢測(cè)以判斷是否應(yīng)繼續(xù)充電或放電。目前大部分采用電壓?jiǎn)苇h(huán)的在線式檢測(cè)方案。

２

在線式檢測(cè)方案在線式檢測(cè)，即在充電過(guò)程中不斷地對(duì)蓄電池的端電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)蓄電池的端電壓大于某個(gè)限定值時(shí)，就視為已充滿(mǎn)，停止太陽(yáng)電池向蓄電池充電。

由于這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。目前應(yīng)用最為廣泛。它的電路結(jié)構(gòu)可以基于比較控制器建立蓄電池檢測(cè)電路如圖３。

此電路可以用比較器來(lái)控制電池組的充電電流。

蓄電池電壓ＶＤ分別經(jīng)分壓后輸入比較器：當(dāng)ＶＤ＜８Ｖ時(shí)，比較器被觸發(fā)，太陽(yáng)電池經(jīng)防反二極管向蓄電池充電；當(dāng)ＶＤ＞１５Ｖ時(shí)，停止充電。

門(mén)限電壓可設(shè)定文中所用８Ｖ與１５Ｖ為經(jīng)驗(yàn)所得值。

此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，且易于維護(hù)，其在光伏應(yīng)用初期曾得到廣泛運(yùn)用。但它不能實(shí)現(xiàn)涓流充電，造成了能源的極大浪費(fèi)，使得本來(lái)效率就不高的光伏系統(tǒng)性?xún)r(jià)比更低。

隨著集成電路的廣泛使用，如今市場(chǎng)上的光伏產(chǎn)品中普遍采取基于專(zhuān)業(yè)芯片的檢測(cè)電路，而主控電路采用ΔＶ型，充電專(zhuān)用ＩＣ中常用的類(lèi)型。鉛酸電池在充電時(shí)，電壓隨充電時(shí)間的增長(zhǎng)而上升，但充足電后端電壓開(kāi)始下降。設(shè)計(jì)主控電路時(shí)，利用該特性監(jiān)測(cè)電池電壓出現(xiàn)峰值之后的微量下降，以控制充電結(jié)束，達(dá)到自動(dòng)充電的目的，這也稱(chēng)為—ΔＶ法。

以下列出芯片功能實(shí)現(xiàn)框圖圖４。

它能有效地防止蓄電池的“過(guò)充”與“過(guò)放”，并能實(shí)現(xiàn)涓流充電，有利于光伏系統(tǒng)效率的提高，是當(dāng)前運(yùn)用最為廣泛的蓄電池檢測(cè)電路。

３

離線式檢測(cè)方案

蓄電池的電壓受很多因素的影響，例如溫度、濕度等，特別是在充電過(guò)程中，蓄電池的端電壓并不能很好地反映其容量。上述在線式檢測(cè)方案中蓄電池都與太陽(yáng)電池直接相連，其端電壓受太陽(yáng)電池端電壓制約，ＶＤ并不能準(zhǔn)確地反映蓄電池的容量。這突出表現(xiàn)為當(dāng)系統(tǒng)所處溫度較高時(shí)，由于太陽(yáng)電池板和蓄電池的端電壓均受溫度影響嚴(yán)重，太陽(yáng)能板端電壓隨溫度升高而降低，而蓄電池端電壓則剛好相反，容易出現(xiàn)蓄電池容量未滿(mǎn)卻已不能充入的現(xiàn)象常稱(chēng)之為“虛滿(mǎn)”。這在很大程度上影響了蓄電池容量檢測(cè)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而阻礙了整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，造成能源的極大浪費(fèi)。

針對(duì)這一問(wèn)題，我們?cè)谶@里提出一種新穎的蓄電池容量檢測(cè)方案——離線式檢測(cè)。

雖然蓄電池的電壓在充電過(guò)程中其端電壓并不能很好地反映其容量，但在斷開(kāi)充電回路一段時(shí)間后，其端壓會(huì)自動(dòng)下降，下降后的端壓能很好地引導(dǎo)我們對(duì)蓄電池充電情況作出正確的判斷。我們利用蓄電池端壓的這一特性，設(shè)計(jì)一個(gè)太陽(yáng)電池對(duì)多個(gè)蓄電池模塊輪換進(jìn)行充電，每個(gè)蓄電池的端壓在充電電路斷開(kāi)后都有足夠的時(shí)間恢復(fù)正常，使測(cè)得電壓值能更加準(zhǔn)確地反映蓄電池容量?，F(xiàn)僅以雙模塊為例說(shuō)明本方案如圖５。

檢測(cè)電路原理如下：太陽(yáng)電池同時(shí)對(duì)兩蓄電池模塊充電，同時(shí)對(duì)它們的端電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。設(shè)定一個(gè)比實(shí)際過(guò)充電壓略低的過(guò)充電壓值Ｖ，并據(jù)之對(duì)兩模塊粗略地進(jìn)行過(guò)壓檢測(cè)，當(dāng)其端壓高于Ｖ時(shí)，切斷其中一個(gè)蓄電池模塊Ａ的充電回路，而對(duì)另一個(gè)模塊Ｂ進(jìn)行涓流充電，與此同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器。當(dāng)過(guò)一段時(shí)間，模塊Ａ的端電壓有所降低并能準(zhǔn)確地反映電池容量時(shí)，再對(duì)Ａ的端壓進(jìn)行檢測(cè)，即精確過(guò)壓檢測(cè)。若還未充滿(mǎn)，則可接通其充電回路，使繼續(xù)充電；若已充滿(mǎn)，控制其進(jìn)行涓流充電。當(dāng)定時(shí)器達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，重新啟動(dòng)定時(shí)并自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，使模塊Ｂ的充電回路斷開(kāi)而對(duì)模塊Ａ進(jìn)行涓流充電，靜置一段時(shí)間后，再對(duì)模塊Ｂ重復(fù)以上對(duì)模塊Ａ的操作，如此不斷循環(huán)。

這種電路雖會(huì)造成蓄電池總?cè)萘康脑黾樱茌^準(zhǔn)確地判斷蓄電池的充電情況，減小了蓄電池老化損壞的可能性，使光伏系統(tǒng)的壽命得到延長(zhǎng)；兩個(gè)蓄電池的輪流充放電充分地利用了太陽(yáng)能源，提高了光伏系統(tǒng)的效率。但要具體實(shí)現(xiàn)上述方案并不容易，還需要克服許多理論和技術(shù)問(wèn)題。如一個(gè)蓄電池的端壓穩(wěn)定時(shí)間與蓄電池本身的性能有關(guān)，該實(shí)驗(yàn)中使用的為鉛酸免維護(hù)蓄電池１２Ｖ，１２ＡＨ，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得斷電后得蓄電池端壓的變化曲線如圖６可以確定精確測(cè)量的定時(shí)器間隔時(shí)間實(shí)驗(yàn)中的間隔時(shí)間?。担恚椋?。但時(shí)間設(shè)定需視蓄電池種類(lèi)和容量的不同而定；蓄電池在充滿(mǎn)前其端電壓會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的跳動(dòng)，使檢測(cè)電路產(chǎn)生誤判；由于實(shí)驗(yàn)中，主要需要考察不同的充電檢測(cè)方案對(duì)蓄電池壽命的影響，所以在充電方式的選擇上，我們主要采用了兩段恒流的充電方式，放電都采用５Ａ放電。

新的檢測(cè)方式與普通的檢測(cè)方式的充電比較如下：

實(shí)驗(yàn)證明用新的離線式的端壓檢測(cè)方法來(lái)指導(dǎo)充電可以明顯提高蓄電池的使用次數(shù)。

４

一些其它的檢測(cè)方法

不同于上面所說(shuō)的在線式和離線式檢測(cè)方案中，比較有代表性的是一種基于ｓｍａｒｔｂａｔｔｅｒｙ的檢測(cè)方案。最早由Ｉｎｔｅｌ與Ｄｕｒａｃｅｌｌ開(kāi)發(fā)的智能電池結(jié)構(gòu)如下圖７。

它是一個(gè)典型的智能電池系統(tǒng)。它由系統(tǒng)主機(jī)、智能電池控制器及電池保護(hù)電路、電量監(jiān)測(cè)電路等幾部分組成。系統(tǒng)主機(jī)和充電電路及控制器之間由ＳＭＢｕｓ連接，傳輸ＳＢＤ格式的數(shù)據(jù)?？刂破魍ㄟ^(guò)電池保護(hù)電路、電量監(jiān)測(cè)電路由專(zhuān)用芯片實(shí)現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)的監(jiān)測(cè)及過(guò)流保護(hù)等功能。

國(guó)外智能電池仍然是以芯片形式推向市場(chǎng)的。智能電池尚在發(fā)展中，國(guó)外提供的器件或者電池包要完成智能電池的功效還要做一些相應(yīng)的后期開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)工作，且智能電池成本相對(duì)過(guò)高，故在短時(shí)期內(nèi)很難大量使用。

５

結(jié)論

將本文中所提出的新檢測(cè)方案與舊有的在線式檢測(cè)方案相比較可知，在許多方面都存在著優(yōu)越性，有利于大型光伏系統(tǒng)效率的提高