阀控铅酸蓄电池的充电均衡装置及其可视化显示系统研发

摘要：变电站现有的运行方式是将蓄电池组直接串联接入直流母线。此运行方式下，蓄电池在充电时，将无可避免地存在这种现象：大部分单体处在浮充状态，而某个单体处在过充状态，某个单体处在欠充状态。而这种现象亦会无可避免地导致蓄电池组的电池容量降低，核容试验不合格，而此时需要对蓄电池进行更换。降低蓄电池寿命，加大了蓄电池的投入成本。针对现有蓄电池充电控制方式的不足，本文提出为蓄电池组加装蓄电池充电均衡装置及其可视化显示系统，及其研发方法，令蓄电池组的所有单体处于最佳状态。

关键词：核容试验；充电均衡；研发方法与开发实例

0 引言

蓄电池因为工艺控制的原因，无法使得一组蓄电池的所有单体均是同一参数，在蓄电池的验收标准中，内阻误差分布在5%内即视为参数合格；而我们变电站现有的运行方式是将蓄电池组直接串联接入直流母线，正常状态下，由站用变交流系统经过整流器给直流母线供电，并同时给蓄电池组充电。可见，在我们现有的运行方式下，蓄电池组是以整组为整体，由整流器调整输出电压来控制蓄电池的充电电压及充电电流的。

因此，此运行方式下，蓄电池在充电时，将无可避免地存在这种现象：大部分单体处在浮充状态，而某个单体处在过充状态，某个单体处在欠充状态。而这种现象亦会无可避免地导致蓄电池组的电池容量降低，核容试验不合格（实际容量

某供电局调度上半年了7条直流电源风险控制任务书，均是因为依据核容结果，蓄电池健康度定级为注意，亟需申请紧急立项进行整改。上述7条直流电源风险涉及2座220kV变电站，5座110kV变电站；5座110kV变电站中存在3座110kV变电站是两组蓄电池组均存在核容结果不合格，存在全站失压后，站用电后备供应不可靠的风险。

所以，一种蓄电池充电均衡装置及其可视化显示系统就显得尤为重要。这也是变电运检人员亟需解决的问题之一。据此，我站申报了惠州供电局2015年度职工创新项目《站用阀控式铅酸蓄电池充电均衡控制装置的研发》，针对现有蓄电池充电控制方式的不足，本文提出为蓄电池组加装蓄电池充电均衡装置及其可视化显示系统，及其研发方法，令蓄电池组的所有单体处于最佳状态。

1充电均衡装置的整体设计

基于“不影响设备的外观、结构和设备的二次系统”的装置开发和安装原则，本装置的输入与输出只能连接至蓄电池单体的正极引线和负极引线。故此，本文提出下述整体设计方案：

1、本装置包括安装在蓄电池上的执行子元件，安装在主控室的可视化显示系统；

2、执行子元件包括执行算法的决策DSP、以电子开关为执行元件的并联支路控制单片机、实现能量再分配的电量储运的电路模块、用于获取蓄电池充电电流的霍尔电流传感器及用于获取充电电压的霍尔式电压传感器、滤波器、放大器、DSP、信号发送模块；[1]

3、可视化显示系统包括信号接收模块、显示屏及扬声器。当使用有线传输数据时还包括光纤等。

本文研发方案通过安装在蓄电池上的执行子元件和主控室的可视化显示系统的数据显示，有效的解决了蓄电池充电状态不一致，并直接影响蓄电池组的使用寿命和放电时间的缺点，可以自动快速对所监控的蓄电池组的所有单体进行能量均衡，使所有蓄电池处于同一状态，改变蓄电池的充电电流，极大地提高了巡维中心对所辖子站蓄电池系统在充当备用电源时的放电时间，增加了蓄电池的使用寿命。

同时本文研发方案具有制作成本低，易于普及的优点。

2 执行子元件的模块化设计详述

本装置的执行子元件是在蓄电池组外部安装的，输入及输出均接于蓄电池单体的正极引线和负极引线，其具体接线方式：

霍尔传感器作为执行子元件的输入端，它是这样连接的：蓄电池单体的正极引线或负极引线穿过并填满霍尔电流传感器的内孔，霍尔式电压传感器跨接在蓄电池单体的正极与负极上；霍尔传感器引出的导线依次连接滤波器、放大器、DSP，此时，输入信号已经转换为数字信号；DSP连接以电子开关为执行元件的并联支路控制单片机，单片机连接实现能量再分配的电量储运的电路模块，以控制并联蓄电池单体的正极与负极的电力电子通路是否通断，以此改变流经蓄电池单体主回路上的充电电流。DSP还连接了通信模块，用以与可视化显示系统进行通信。[2]

该子元件通过一个用于获取蓄电池充电电流的霍尔电流传感器及用于获取充电电压的霍尔式电压传感器来接收蓄电池本体因内阻不同而致使充电容量不同，充电断电压不同，充电能量的具体状态。该子元件执行算法的决策DSP、以电子开关为执行元件的并联支路控制单片机、实现能量再分配的电量储运的电路模块自动对蓄电池进行均衡 。单片机控制电路可以使用基于PIC18F2480的单片机控制电路，也可以使用其他控制电路。[3]

执行子元件的信息上传模块经过滤波器、放大器后，传至该子元件的DSP处理成数字信号。该子元件以有线或无线方式将信号传给本装置的可视化显示系统。一个可视化显示系统可接收多个执行子元件的输入信号。

3 具体开发实施例简述

在本次职工创新项目中，我站人员对蓄电池均衡装置进行了深入的开发，特别是电路均衡电路以及电路驱动模块，项目进行了诸多的设计比较和改进。

职工创新项目的开发实例中，蓄电池充电均衡装置及其可视化显示系统均以电子开关为执行元件的并联支路控制单片机，具体包括基于推挽电路和光耦TLP250的驱动电路、CAN总线以及基于PIC18F2480的单片机控制电路。CAN总线还包括单片机中的CAN模块、CAN驱动器PCA82C250芯片、CAN-RS232转换卡等。

一种蓄电池充电均衡装置及其可视化显示系统的实现方法，包括下述步骤：

（1）、当蓄电池组的充电容量不同时，基于PIC18F2480的单片机控制电路将自动进行驱动电路电平判断，基于推挽电路和光耦TLP250的驱动电路将自动驱动开关管，实现对实现能量再分配的电量储运的电路的通电方式的变换。

（2）、执行子元件将信号传至滤波器进行过滤噪声的，信号经放大器放大后传至DSP以便转为数字信号，最后执行子元件的信号发送模块将信号上传至可视化显示系统

（3）、可视化显示系统接收信号后，同步进行显示。显示屏显示相应标识并闪烁，同时扬声器发出声响。

本装置的运算结果可实时显示蓄电池组是否处于最佳状态。

4 结论

本文提出的阀控铅酸蓄电池的充电均衡装置及其可视化显示系统是以现场实际问题出发，需求解决方案，项目立项旨意明确，目标清晰。本文讲述了项目的研发终结，创新性地改变以整组为控制对象的旧控制模式，充电均衡控制装置以蓄电池组单体为控制对象；为蓄电池单体并联可控的能量再分配电路，以实现统一蓄电池工作状态的目的；本装置的研发的难点包括：

1、考虑蓄电池组工作环境的温度范围，应将蓄电池组充电均衡控制装置引发的附加发热量最小化；

2、应将蓄电池组充电均衡控制装置的均衡装换率最大化；

本文将项目进行至今的经验和结果进行了初步的条理阐述。上述两点的进一步的深入量化研究和比较亦是本文的进一步研究方向。

参考文献

[1] 刘和平. PIC18FXXX 单片机程序设计及应用汽车工程. 北京航空航天大学出版社. 2005：173～174.

[2] 汤竞南 ， 钱昊 ， 国海欣 . PIC 单片机基础与应用 . 人民邮电出版社 .2006：5，254

[3] 现场总线与工业以太网及其应用系统设计 . 人民邮电出版社 .2006：236～237