光伏系统中蓄电池充放电控制方案的探讨

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光伏系统中蓄电池充放电控制方案的探讨

目前光伏系统大多采用蓄电池作为贮能元件.而能够与光伏电池配套使用的蓄电池种类

有很多，目前广泛使用的有铅酸免维护蓄电池，普通铅酸蓄电池和碱性保镉蓄电池等.目前常

使用的是铅酸免维护蓄电池，因其维护方便，性能可靠，且对环境污染较小，特别是用于

无人值守的光伏电站时如图1,有着其他蓄电池所无法比拟的优越性.

本文以光伏系统中的铅酸免维护蓄电池12V,12AH为例进行实验比较不同的充电检测方

法.

1

关于蓄电池的充放电

蓄电池充放电是根据化学反应进行的，即电池主要组件的结构和化学成分发生连续和深

度的变化.所以与一般电子零部件相比,蓄电池对温度变化更为敏感.止匕外,反应速率,即充电

电流或放电电流，影响反应参数并由此影响蓄电池的性能.光伏系统中的蓄电池的工作条件

与蓄电池在其他场合的工作条件不同,其充电率和放电率都非常小,且充电时间受到限制，即

只有在日照时才能充电，所以不能按一固定的充电规律对其进行充电.由于蓄电池应用在这

个特殊的环境下,致使其寿命比所预定的短,成为整个光伏系统中最易损坏的部分，其损坏的

原因主要为"过充"与"过放免维护铅酸蓄电池的充放电电池反应为：2PbS04+2H20

Pb+Pb02+2H2S04

过充是指蓄电池单格电压超过某一水平一般为2.35V/单格〜2.40V/单格,此时蓄电池

无法使产生的氧气充分再化合.充电电压过高,在负极上生成的氢很难在电池内部被吸收,在

电池

中因积累而产生压力并且导致水份损失.严重过充时,水分解,产生氢气和氧气，使得蓄电

池底部浓度比其他地方高出许多,导致负极板底部硫酸盐化,正极板腐蚀和膨胀,造成容量损

失.

过放是指蓄电池放电超过了规定的放电终止电压如图2,蓄电池放出了过量的容量.在铅

酸蓄电池中，两个电极对过放都是敏感的.在溶解再沉积机理中，当铅Pb和二氧化铅PbO2分

别溶解在电解液中并作为新的化合物硫酸铅PbSO4沉淀出来时，活性物质发生了彻底的转变

并且失去原有的结构.负电极由于有反极的危险，对过放也是敏感的.活性物质中的膨胀剂可

能会因氧化而失去作用，而铅酸蓄电池在随后再充电时枝晶增长的危险会大大增加.在设计

光伏系统时需要对蓄电池的容量进行检测以判断是否应继续充电或放电.目前大部分采用电

压单环的在线式检测方案.

2

在线式检测方案

在线式检测，即在充电过程中不断地对蓄电池的端电压进行监测，当蓄电池的端电压大于

某个限定值时,就视为已充满，停止太阳电池向蓄电池充电.由于这种电路结构简单,价格低

廉.目前应用最为广泛.它的电路结构可以基于比较控制器建立蓄电池检测电路如图3.

此电路可以用比较器来控制电池组的充电电流.蓄电池电压VD分别经分压后输入比较

器：当VD〈8V时，比较器被触发,太阳电池经防反二极管向蓄电池充电;当VD>15V时，停止充电.

门限电压可设定文中所用8V与15V为经验所得值.此电路结构简单,成本低,且易于维护,其

在光伏应用初期曾得到广泛运用.但它不能实现涓流充电,造成了能源的极大浪费，使得本来

效率就不高的光伏系统性价比更低.随着集成电路的广泛使用，如今市场上的光伏产品中普

遍采取基于专业芯片的检测电路,而主控电路采用AV型,充电专用IC中常用的类型.铅酸电

池在充电时，电压随充电时间的增长而上升，但充足电后端电压开始下降.设计主控电路时，

利用该特性监测电池电压出现峰值之后的微量下降，以控制充电结束，达到自动充电的目的，

这也称为一AV法.以下列出芯片功能实现框图图4.

它能有效地防止蓄电池的"过充"与"过放",并能实现涓流充电,有利于光伏系统效率的提

高，是当前运用最为广泛的蓄电池检测电路.

3

离线式检测方案

蓄电池的电压受很多因素的影响,例如温度,湿度等,特别是在充电过程中,蓄电池的端电

压并不能很好地反映其容量.上述在线式检测方案中蓄电池都与太阳电池直接相连,其端电

压受太阳电池端电压制约,VD并不能准确地反映蓄电池的容量.这突出表现为当系统所处温

度较高时，由于太阳电池板和蓄电池的端电压均受温度影响严重，太阳能板端电压随温度升

高而降低，而蓄电池端电压则刚好相反，容易出现蓄电池容量未满却一不能充入的现象常称

之为"虚满这在很大程度上影响了蓄电池容量检测的准确性,进而阻碍了整个系统的正常

工作,造成能源的极大浪费.针对这一问题,我们在这里提出一种新颖的蓄电池容量检测方案

——离线式检测.虽然蓄电池的电压在充电过程中其端电压并不能很好地反映其容量，但在

断开充电回路一段时间后，其端压会自动下降，下降后的端压能很好地引导我们对蓄电池充

电情况作出正确的判断.我们利用蓄电池端压的这一特性,设计一个太阳电池对多个蓄电池

模块轮换进行充电,每个蓄电池的端压在充电电路断开后都有足够的时间恢复正常,使测得

电压值能更加准确地反映蓄电池容量.现仅以双模块为例说明本方案如图5.

检测电路原理如下:太阳电池同时对两蓄电池模块充电，同时对它们的端电压进行监测.

设定一个比实际过充电压略低的过充电压值V,并据之对两模块粗略地进行过压检测，当其

端压高于V时,切断其中一个蓄电池模块A的充电回路,而对另一个模块B进行涓流充电,与

此同时启动定时器.当过一段时间,模块A的端电压有所降低并能准确地反映电池容量时,再

对A的端压进行检测，即精确过压检测.若还未充满,则可接通其充电回路，使继续充电;若已

充满，控制其进行涓流充电.当定时器达到设定时间后，重新启动定时并自动切换开关，使模

块B的充电回路断开而对模块A进行涓流充电,静置一段时间后,再对模块B重复以上对模块

A的操作，如此不断循环.这种电路虽会造成蓄电池总容量的增加，但它能较准确地判断蓄

电池的充电情况,减小了蓄电池老化损坏的可能性，使光伏系统的寿命得到延长;两个蓄电池

的轮流充放电充分地利用了太阳能源，提高了光伏系统的效率.但要具体实现上述方案并不

容易，还需要克服许多理论和技术问题.如一个蓄电池的端压稳定时间与蓄电池本身的性能

有关，该实验中使用的为铅酸免维护蓄电池12V,12AH,根据实验所测得断电后得蓄电池端

压的变化曲线如图6

可以确定精确测量的定时器间隔时间实验中的间隔时间取5min.但时间设定需视蓄电

池种类和容量的不同而定；蓄电池在充满前其端电压会产生一个大的跳动，使检测电路产生

误判；由于实验中，主要需要考察不同的充电检测方案对蓄电池寿命的影响，所以在充电方式

的选择上,我们主要采用了两段恒流的充电方式,放电都采用5A放电.新的检测方式与普通

的检测方式的充电比较如下：实验证明用新的离线式的端压检测方法来指导充电可以明显提

高蓄电池的使用次数.

4

一些其它的检测方法

不同于上面所说的在线式和离线式检测方案中，比较有代表性的是一种基于

smartbattery的检测方案.最早由Intel与Duracell开发的智能电池结构如下图7.

它是一个典型的智能电池系统.它由系统主机,智能电池控制器及电池保护电路，电量监

测电路等几部分组成.系统主机和充电电路及控制器之间由SMBus连接，传输SBD格式的数据.

控制器通过电池保护电路,电量监测电路由专用芯片实现来实现对电池的电压,电流,温度等

参数的监测及过流保护等功能.国外智能电池仍然是以芯片形式推向市场的.智能电池尚在

发展中，国外提供的器件或者电池包要完成智能电池的功效还要做一些相应的后期开发和设

计工作,且智能电池成本相对过高,故在短时期内很难大量使用.

5

结论

将本文中所提出的新检测方案与I日有的在线式检测方案相比较可知，在许多方面都存在

着优越性，有利于大型光伏系统效率的提高：1新方案中，两个蓄电池模块轮流充放电使太

阳电池板总的等效闲置时间减少，利用率有所提高.2方案中对蓄电池端电压的判断更加准

确，使得"过充"，"过放"的可能性减小，这将直接影响到蓄电池的使用寿命.3蓄电池作为光

伏系统中最易损坏的环节，由于蓄电池的寿命提高,光伏系统的寿命会因此而得到延长，相对

成本也会因此而降低.

1本文由zrbl110贡献

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光伏系统中蓄电池充放电控制方案的探讨

目前光伏系统大多采用蓄电池作为贮能元件.而能够与光伏电池配套使用的蓄电池种类

有很多，目前广泛使用的有铅酸免维护蓄电池，普通铅酸蓄电池和碱性银镉蓄电池等.目前常

使用的是铅酸免维护蓄电池，因其维护方便，性能可靠，且对环境污染较小，特别是用于

无人值守的光伏电站时如图1,有着其他蓄电池所无法比拟的优越性.

本文以光伏系统中的铅酸免维护蓄电池12V,12AH为例进行实验比较不同的充电检测方

法.

1

关于蓄电池的充放电

蓄电池充放电是根据化学反应进行的，即电池主要组件的结构和化学成分发生连续和深

度的变化.所以与一般电子零部件相比,蓄电池对温度变化更为敏感.此外,反应速率,即充电

电流或放电电流，影响反应参数并由此影响蓄电池的性能.光伏系统中的蓄电池的工作条件

与蓄电池在其他场合的工作条件不同,其充电率和放电率都非常小,且充电时间受到限制，即

只有在II照时才能充电，所以不能按一固定的充电规律对其进行充电.由于蓄电池应用在这

个特殊的环境下,致使其寿命比所预定的短，成为整个光伏系统中最易损坏的部分，其损坏的

原因主要为"过充"与"过放免维护铅酸蓄电池的充放电电池反应为：2PbS04+2U20

Pb+Pb02+2H2S04

过充是指蓄电池单格电压超过某一水平一般为2.35V/单格〜2.40V/单格,此时蓄电池

无法使产生的氧气充分再化合.充电电压过高,在负极上生成的氢很难在电池内部被吸收,在

电池

中因积累而产生压力并且导致水份损失.严重过充时,水分解,产生氢气和氧气，使得蓄电

池底部浓度比其他地方高出许多,导致负极板底部硫酸盐化,正极板腐蚀和膨胀,造成容量损

失.

过放是指蓄电池放电超过了规定的放电终止电压如图2,蓄电池放出了过量的容量.在铅

酸蓄电池中，两个电极对过放都是敏感的.在溶解再沉积机理中，当铅Pb和二氧化铅PbO2分

别溶解在电解液中并作为新的化合物硫酸铅PbS04沉淀出来时;活性物质发生了彻底的转变

并且失去原有的结构.负电极由于有反极的危险,对过放也是敏感的.活性物质中的膨胀剂可

能会因氧化而失去作用，而铅酸蓄电池在随后再充电时枝晶增长的危险会大大增加.在设计

光伏系统时需要对蓄电池的容量进行检测以判断是否应继续充电或放电.目前大部分采用电

压单环的在线式检测方案.

2

在线式检测方案

在线式检测，即在充电过程中不断地对蓄电池的端电压进行监测，当蓄电池的端电压大于

某个限定值时,就视为己充满，停止太阳电池向蓄电池充电.由于这种电路结构简单,价格低

廉.目前应用最为广泛.它的电路结构可以基于比较控制器建立蓄电池检测电路如图3.

此电路可以用比较器来控制电池组的充电电流.蓄电池电压VD分别经分压后输入比较

器：当VD〈8V时，比较器被触发,太阳电池经防反二极管向蓄电池充电;当VD>15V时，停止充电.

门限电压可设定文中所用8V与15V为经验所得值.此电路结构简单,成本低,且易于维护,其

在光伏应用初期曾得到广泛运用.但它不能实现涓流充电,造成了能源的极大浪费，使得本来

效率就不高的光伏系统性价比更低.随着集成电路的广泛使用，如今市场上的光伏产品中普

遍采取基于专业芯片的检测电路,而主控电路采用△V型,充电专用IC中常用的类型.铅酸电

池在充电时，电压随充电时间的增长而上升，但充足电后端电压开始下降.设计主控电路时，

利用该特性监测电池电压出现峰值之后的微量下降,以控制充电结束，达到自动充电的目的，

这也称为一AV法.以下列出芯片功能实现框图图4.

它能有效地防止蓄电池的''过充"与"过放",并能实现涓流充电,有利于光伏系统效率的提

高，是当前运用最为广泛的蓄电池检测电路.

3

离线式检测方案

蓄电池的电压受很多因素的影响,例如温度,湿度等,特别是在充电过程中，蓄电池的端电

压并不能很好地反映其容量.上述在线式检测方案中蓄电池都与太阳电池直接相连,其端电

压受太阳电池端电压制约,VD并不能准确地反映蓄电池的容量.这突出表现为当系统所处温

度较高时，由于太阳电池板和蓄电池的端电压均受温度影响严重，太阳能板端电压随温度升

高而降低，而蓄电池端电压则刚好相反，容易出现蓄电池容量未满却已不能充入的现象常称

之为"虚满这在很大程度上影响了蓄电池容量检测的准确性,进而阻碍了整个系统的正常

工作，造成能源的极大浪费.针对这•问题,我们在这里提出一种新颖的蓄电池容量检测方案

一离线式检测.虽然蓄电池的电压在充电过程中其端电压并不能很好地反映其容量，但在

断开充电回路一段时间后，其端压会自动下降，下降后的端压能很好地引导我们对蓄电池充

电情况作出正确的判断.我们利用蓄电池端压的这一特性,设计一个太阳电池对多个蓄电池

模块轮换进行充电,每个蓄电池的端压在充电电路断开后都有足够的时间恢复正常,使测得

电压值能更加准确地反映蓄电池容量.现仅以双模块为例说明本方案如图5.

检测电路原理如下:太阳电池同时对两蓄电池模块充电，同时对它们的端电压进行监测.

设定一个比实际过充电压略低的过充电压值V,并据之对两模块粗略地进行过压检测，当其

端压高于V时,切断其中一个蓄电池模块A的充电回路,而对另一个模块B进行涓流充电,与

此同时启动定时器.当过一段时间,模块A的端电压有所降低并能准确地反映电池容量时,再

对A的端压进行检测，即精确过压检测.若还未充满,则可接通其充电回路，使继续充电;若已

充满,控制其进行涓流充电.当定时器达到设定时间后，重新启动定时并自动切换开关，使模

块B的充电回路断开而对模块A进行涓流充电,静置一段时间后,再对模块B重复以上对模块

A的操作，如此不断循环.这种电路虽会造成蓄电池总容量的增加，但它能较准确地判断蓄

电池的充电情况,减小了蓄电池老化损坏的可能性，使光伏系统的寿命得到延长;两个蓄电池

的轮流充放电充分地利用了太阳能源，提高了光伏系统的效率.但要具体实现上述方案并不

容易，还需要克服许多理论和技术问题.如一个蓄电池的端压稳定时间与蓄电池本身的性能

有关，该实验中使用的为铅酸免维护蓄电池12V,12AII,根据实验所测得断电后得蓄电池端

压的变化曲线如图6

可以确定精确测量的定时器间隔时间实验中的间隔时间取5min.但时间设定需视蓄电

池种类和容量的不同而定;蓄电池在充满前其端电压会产生一个大的跳动，使检测电路产生

误判；由于实验中，主要需要考察不同的充电检测方案对蓄电池寿命的影响，所以在充电方式

的选择匕我