变电站直流系统蓄电池并联成组探究

变电站直流系统蓄电池并联成组探究
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。

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。

参考文献：
[1] 白忠敏、刘百震、于崇干. 电力工程直流系统设计手册(第二版)2009-9-1.
[2] 张大宝、廖渊.变电站智能并联蓄电池系统新技术研究与应用[J].科技与创新，2018（09）.
[3] 王杰.基于间接并联智能电池组件的一体化电源应用研究[J].湖北电力，2011，SI:98-100.
[4] 曹亚非、姜华、胡凯、蔡贵方、杨思安.一种采用电池组并联供电的直流系
统[J].电源技术，2016（02）.
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。