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摘要 本文针对电池成组后性能比单体性能明显降低的问题，分析了电池的成组方式和电池参数不一致程度对整组电池性能的影响，以及分析了串联电池组和并联电池组在实际运行中存在的问题，并联电池组存在的问题的对电池工作电流和电压的影响，为电池系统的容量设计和提高成组电池的性能提供了参考。
关键词：变电站；直流系统；蓄电池；并联成组
1 串联电池组和并联电池组存在问题分析
1.1 串联电池组存在的问题
电池串联成电池组对负载供电时，所有串接电池流过相同的电流，不同种类电池特性不同，储电量不同，所容许的最大电流不同，不宜串在一起使用。然而，即使是相同型号的电池，由于个别电池本身品质特性的差异，也会产生电量不平衡的现象。串联电池组的电量不平衡，可能导致个别电池过度放电；另一方面，当串联电池组充电时，个别电池原有电量状态SOC和健康状态SOH各不相同，充电过程中的电量自有差异，亦即各电池的端电压高低有别。一般串联电池组充电，通常以单一电源对整个串联电池组进行充电，而监测电池串联的总和电压是否达到截止电压，作为电池组充满的依据。这样将会造成某些电池已经过度充电而有些电池却充电不足。这种电量不平衡的现象，必须额外加入电量平衡电路；否则，在多次反复充放电后，不仅会降低电池的充放电效率，减少可用的容量，更会损坏电池，缩短使用寿命。
1.2 并联电池组存在的问题
数十年来，电力电子技术的发展，让人们对电源品质的要求日益严格。事实上，电池输出端的电压受到SOC、SOH 和负载影响变动甚巨，无法满足精致电源的规范。因此现在人们已经鲜少直接使用电池输出的端电压，而通常配合电力电子转换器，将电池电源精致化。这个电力电子转换器，除了可进行交直流电源形式的转换，提供负载所需的电源形式，还可以提供升压、降压、稳压等功能。当电池配合电力电子转换器使用时，既然转换器可兼负升压功能，原先采用电池串联提升电压的原因已不复存在。至于电池并联运转，除了传统认为无法提供较高的输出电压外，最大的缺点是，并联电池之间会产生无效的循环电流。部分电量较高的电池中的化学能量在转换成电能之后并未供应给负载，而是重新转换成化学能，储存在电量较低的电池中，产生不必要的能量转换损失。然而，若每个电池都各自搭配电力电子转换器，除了输出端电压可随心所欲地转换、升压或降压外，循环电流将会被消除。
2 电池组并联系统架构
基于上述理由，本文将突破以往电池串联的运作方式，研究电池并联架构的可行性。
并联电池电源模组的系统架构:电池和负载之间介入DC/DC 转换器，以调节输出直流电压的准位，电池和DC/DC转换器，形成独立的电源模组，并联模组数根据负载功率决定。
在并联运转下，每个电源模组的电流独立控制，并且可以互相协调，以达到彼此支持供电的目的。为了有效利用电池蓄电量，可根据系统运转状态拟定合适的电池放电态样。另一方面，电池电源模组在并联运转的时候，可以让某些电池休息，除了可以提高放电量之外，也有利于电池电量状态和电池健康状态的估测。此外，在不影响系统正常运转的情况下，低蓄电量的电池和损坏的电池可以从供电系统中移除或更换电池。
3 电池并联充电
当多颗电池在并联充电时，只需要一低电压直流电源即可达成定电流、定电压充电的目的。为了防止过大的充电电流及长时间的过电压浮充损坏电池，可监测各支路充电电流，并加上自动开关。充电初期采定电流充电模式，当中有电池充电电流大于预设值时，则降低电源供应的输出电流。当电池电压上升至预设电压时，充电器切换成定电压模式。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当电压充电电流小于预设值时，通常为0.05A，该电池的开关自动切断，避免电池过度浮充。
通过充电实验波形研究，充电器起初提供定电流给电池，四个电池会根据内部电压自动调整充电电流，所有电池有相同的端电压。由于较低SOC的电池内部电压较低，会充入较大电流，也就是汲取较多的能量。当电池端电压随着充入电池的能量增加至14V时，充电器转为定电压充电。此时，所有电池的充电电流逐渐彼此接近，在充电完成时几乎趋于一致，显示所有电池的SOC几乎一样，没有充电不平衡的问题。
4 电池并联放电态样
为了探讨放电周期对放电量的影响，本文取两个额定2V-4Ah的单一电槽铅酸电池（B5、B6），各进行五次放电实验，包括定电流和30秒至10分钟不等的间歇放电周期，放电与休息的时间各占整个周期之一半，以相同1A的放电电流，观察有载电压的变化，并记录不同周期间歇放电所放出的电量。两个电池的特性不同，B5有载电压下降至1.7V 时，放电量均小于4Ah；而B6在有载电压降至1.7V之前，放电量均到达4Ah。实验结果证实，不论放电周期长短，蓄电池间歇放电的确能够释放出较多的能量。比较两个电池在有载电压为1.8V时，不同间歇放电周期所放出的电量。实验结果显示，间歇放电周期过大或过小，所释放的电量反而减少，但都比持续定电流放电高出很多。因此，使用相同的电流放电，若能在电池放电时，使电池周期性的休息，将能放出较多的电量。将此结果应用在电池电源模组并联上，将可以更有弹性地按照不同的负载设计出最适当的放电态样。
B7和B8两个12V-4Ah电池，以不同的放电态样从充满状态开始放电，直到电压低于10.5V时停止放电。电池B7是以0.25C的定电流放电，而B8先以0.375C定电流放电，当电池释放出2Ah时，改以0.125C的间歇式电流放电,可以得知，适当的放电态样能释放出更多的电量。
5 结论
本文提出电池电源模组并联运转架构，取代传统串联电池组的运用方式，除了增加电路可靠度外，更使系统扩充上更加弹性化。电池电源模组并联架构，虽然增加了附加的电力电子转换器，提高了设备成本，多了一级能量转换损失；但是，相较于传统的串联电池组具有下列优点：
（a）设计电池数目不受限于负载电压的需求，可以考虑系统的体积、重量和供电持续能力（续航力），以达到系统最适化的设计。
（b）电池并联架构将不再有电量不平衡的问题。
（c）可将不能使用的电池隔离或更换；单独电池电能耗尽或损坏后，不致于影响系统正常运转。
（d）每个电池独立放电，供电电流可单独控制，而总放电电流可依据负载需求做最佳配置，使个别电池以最佳的放电模式，提升可释放的电池容量，充分发挥电池的效能。
需要说明的是，由于实验电池数量较少，尤其是缺少并联电池组在循环工况下使用寿命的数据，因此电池并联成组方式对电池寿命的影响有待于进一步深入研究。
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作者简介：李元宏（1979-），男，青海海东人，大学本科，工程师，从事电力系统设计与研究工作。
论文作者:李元宏
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第03期
论文发表时间:2019/6/17
标签：电池论文; 电池组论文; 电量论文; 电流论文; 电压论文; 电源论文; 负载论文; 《当代电力文化》2019年第03期论文;