可充电电池组智能低碳管理系统的设计
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【摘 要】 本文提出了一种新的可充电电池组管理和维护方法。在不拆解电池组的情况下，自动检测电池组中每个电池的电压、电量等参数，对电池组中任意存在问题的电池进行维护与激活，延长电池组使用寿命；同时，在条件允许时利用电池放电能量对需要充电的电池充电，可以节约能源，实现低碳、节能减排。
【关键词】 电池组 记忆效应 自动检测 核对性充放电 低碳激活
充电电池作为电能储备单元，具有容量大、内阻小、价格便宜等优点，在电力、通信、医疗、银行、铁路/空行/港口调度等许多领域有着广泛的应用，但都或多或少存在一定的记忆效应，而使用最多的铅酸电池更是具有明显的记忆效应，这就要求必须定期对其进行完全充放电操作，称为全核对性充放电。核对性放电可以检查出电池组中蓄电池容量是否正常，并且及时发现老化电池和活化蓄电池。对老化电池进行多次完全充放电使蓄电池内部化学物质活化的操作，称为激活。
电池组在对外供电时将所有的电池一起放电，再进行整体充电，由于电池的个体化差异，使得部分电池过充电或过放电，如果不能及时发现，将会极大降低电池的使用寿命，使电池组提前报废，造成很大浪费。除此之外，铅酸电池中重金属铅占了整个电池组成成分的2/3以上，其生产和回收都对环境造成极大的危害。
传统的核对性充放电方法是用大功率电阻放电，这部分能量被直接消耗；传统的对老化电池激活需要拆解电池组，费时费力且容易造成短路打火事故。
本文提出在不拆解电池组的情况下，实现对电池组中任意单只或多只电池的自动检测、自动充放电、自动进行低碳激活、实时检测防止过充电过放电，延长电池使用寿命的目的；在核对性充放电及对老化电池激活时可利用放电能量，把需要放电电池的放电电量用来对需要充电的电池进行充电，这样既节约能源，又避免了使用电阻放电带来的温升以及散热问题，降低碳排放。
本文结构安排：首先进行系统的整体分析，然后是硬件设计，其次是软件设计，最后做了在不拆解电池组情况下检测任意单个电池的电压、电流、容量以及怎样实现电池组中一个电池给另外一个电池充电的实验，得出了新方法比传统的电池组管理方法效率高和节能的结论。
1 系统的整体分析
在不拆解电池组情况下，本系统可对2个以上同规格可充电电池组成的电池组进行日常维护与自动低碳激活。通过电池选择模块从电池组中选择单个电池，通过检测模块检测出选中电池的各种参数。当对电池组整体充电时，实时检测单个电池电压，可以检测出由于单个电池个体化差异所导致过充电和欠充的电池，并对过充电池进行适当放电、对欠充电池进行补充充电；当电池组对外供电时，实时检测每个电池电压，防止电池过度放电；通过检测单个电池充放电速度，判断出充电或放电过快的电池都可能是电量严重减小的电池，再通过检测电池容量判断出是否需要对该电池进行激活。如果有两个及以上的电池需要激活，那么就可以利用放电电池能量对需要充电的电池充电，达到低碳节能目的。如果激活也不能使电池容量恢复正常，则告警更换该电池。显示模块对系统的实时状态，检测的参数进行显示。
方框图如图1所示。
系统的主要难点是：在不拆解电池组的情况下，如何选中单个电池和放电能量利用时如何防止短路、如何实现分别控制充、放电电池两边的SOC的电位隔离。解决方法是：运用继电器构成交换矩阵并且使用SOC控制继电器使不同的继电器闭合选中不同单个电池；欲实现一个电池对另一个电池充电，可以使两个电池并联，但是电池组本身的连接方式是串联，如果直接将两个电池并联，就会造成电池短路，因此选用变压器来防止电池短路。变压器有两个作用：（1）防止电池短路。（2）升压，两边的SOC是用两个不同的变压器做出的电源分别供电，两边的SOC的通信是用光电耦合器来实现隔离通信。
2 硬件设计
2.1 电池选择模块
在不拆解电池组的情况下，用由继电器构成的交换矩阵选择电池组中的单个电池（交换矩阵如图2所示）。交换矩阵由4根纵线、n+1根横线（n为电池个数）和斜线开关（继电器）组成，SOCA和SOCB分别控制2根纵线上的继电器，通过SOC使相应的继电器常开触点闭合，使相应的横线与纵线实现电气连接，从而选中了电池组中相应位置上的单个电池。例如，当使触点a1、b2和b3、c4闭合时，1、2两端分别选择了A、B电池。此交换矩阵可同时选中电池组中的任意两个电池。
2.2 检测模块
检测模块分为电压检测、电流检测和容量检测三部分。如果电池标称电压为12V，由于电压过高不能直接通过SOC处理，同时电池两端电压纹波系数比较大，直接用电阻分压采样会产生较大的误差，而采用由集成运放组成的减法电路能提高检测的分辨率，比如用8位的ADC来检测，直接用电阻降压4倍，分辨率为4*3/256，而先将12V减去9V时的分辨率为（12-9）/256，有效的减小测量误差，所以本文选择后者作为电压检测方案，使电池电压减去9V，余下SOC能处理的电压，送到SOC内部ADC即完成电压检测；在电池充放电组成回路的末端串联取样电阻作为实时采样的载体，而取样电阻两端的电压很小，采集到的电压信号经放大器放大后送到SOC内部ADC处理即完成电流检测；利用放电法测量容量，容量C等于能量W除以电池的电动势E，能量等于V乘以I在放电时间T内的积分。
2.3 能量利用模块
能量利用是系统的创新之处。在不拆解电池组的情况下，用放电电池的能量对需要充电的电池进行充电，既可避免使用大功率电阻放电以及电阻放电导致温升带来的散热问题，又可实现放电能量的利用。考虑到效率等问题，采用补充恒流源串联放电电池的方法，通过变压器对充电电池进行充电，达到节能减排、低碳的目的。变压器两边分别用SOCA和SOCB控制，SOC之间用光电耦合实现隔离通信。
3 系统的软件设计
对由N个标称电压为12V的可充电电池构成的电池组。首先检测到需要充放电的电池，然后选择需要操作的电池，利用检测模块检测电池的容量，如果电池容量正常则对下一个电池进行检测，如果电池不正常，对该电池进行激活处理，如果激活都不能使电池容量恢复正常，则告警更换该电池。
4 结语
铅酸蓄电池是一种重要的能源储备单元，然而对铅酸可充电电池组传统的维护方法存在着需要拆解、过充电过放电、耗能大等问题，从而缩短了电池的使用寿命使电池提前报废，造成巨大能源浪费和对环境的危害。本系统对铅酸蓄电池传统维护方法存在的缺点进行改善，在不拆解电池组的情况下对单个电池自动进行检测及低碳激活，有效延长电池的使用寿命，同时能达到节能减排目的。假如，对一组有20个12v 100Ah 的电池组成的电池组进行一次全核对性充放电，若对一个电池充电需要1.5kWh，传统的方法需要20*1.5kWh=30kWh，改进的方法是第一个电池电阻用电阻放电，用第二个电池给第一个电池充电，依此类推，第二十个电池给第十九个电池充电，最后一个电池用外部电源充电，只需要1.5kWh的电能，节省了28.5kWh电能，节约的能量非常可观；除此之外，只需要修改系统相应参数就可以实现对其他种类的电池进行维护。本系统符合建设节约型社会的需要。
参考文献：
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