3.1 电池并联使用故障多

在一些场合下,常可看到将电池组并联使用的情况。这主要是由于设计和使用人员不了解铅酸蓄电池性能所采用的错误做法,有时也是由于特殊工作条件的要求。以下分析并联电池在使用中的特殊问题。

在图3-1中,两组电池在并联状态下工作。

图3-1 蓄电池的并联工作分析

在放电时:i=iA+iB

在充电时:I=IA+IB

如能保障iA=iBIA=IB,这个并联电池组工作状态就是正常的。但这只是理想状态,在实际工作中iAiBIAIB

A、B两个电池组串联的单节数越多,充放电循环次数越多,每次“吞吐”的容量数量越多,A、B之间充放电的电流差值就越大。

两个汽车电池,都是6个单格,虽然名义电压都是12V,但实际电压值却不一样。这是由于电池中电液密度不一致和连接的电阻不一致造成的。即使新电池启用时注入的酸是同密度的,在后来的使用中因种种原因也会造成差异。当把两串电池并联之后,电压高的电池会向另一个电池“充电”。其电流大小可用电流表测得。这种充电有时竟长达24h之久。在电压相差较多时,并联瞬间会看到明显的火花。这样的电池配合使用,启动发动机时看不出有什么问题,转入充电工况时,但两个电池各自得到的充电电流是不一样的。由于铅酸蓄电池内阻很小,所以两组电池内部性能略有差异,会使整个电池组的充电结果表现出明显不同。电压较高的电池得到的充电电流小,电压较低的电池得到的充电电流大;得到电流大的电池温升高,温升高导致电解液密度下降,密度降低又导致电池组端电压低,这是一个正反馈的恶性循环。这种破坏是以加速度方式进行的。用手触摸并联使用的汽车电池,常可明显感到两个电池温度不一样。

如果电池内部没有损坏,调节两节电池中电解液的密度使其一致,可减缓这种恶性循环。如果两个电池中有某个单格损坏,由于端电压偏低太多,充电电流全部从该节电池中流过,不但该组12V电池报废,另一组也会因长期得不到补充电而加速硫化。

当新旧程度不同的电池并联使用时,这种损坏尤为明显。因此,将电池的并联工况改为串联工况,电池的使用寿命至少会延长1/3。

在汽车上,通常有12V和24V两种工作电压。12V用于汽油发动机,24V用于柴油发动机,这是由于柴油发动机的压缩比都在14以上,启动时要求电动机能输出较大功率。如果保持与12V时一样的工作电流,改用24V电压,启动功率就增大一倍。一般情况下,机动车上的起动机和发电机都是同电压档次的。

国产的某型柴油汽车,其起动机的电压是24V,发电机的电压却是12V。发动机启动时,先用转换开关将两节12V电池串联起来;发动机启动后,再通过转换开关将两节12V电池串联起来。这种车型上的电池,其寿命比其他车型短得多。

并联电池的这些故障,发生在电池使用的后期。当新电池组合时,这个问题表现不出来。根据实验的结果,并联电池组的电压就是开始不一致,一段时间后也会逐步趋于一致。但是对于旧电池组,由于其中电池有损坏单节,故障电池的电压是不能达到正常的,电池组的偏流就会长期存在,以致造成整组电池损坏的事故。可参见4.5.1小节。

铁路部门使用的东方红型机车,起初电池组采用两组96V电池,用8个12V的6Q-180电池串联后并联构成。由于电池充电不均衡,常使电池单组发热,常常打开电池仓门,就能感到一股热浪,电池故障多,电池组的寿命只有3个月左右,损坏率高。后改为48个N300电池串联工作,电池故障率锐减,使用寿命延长到5年以上。

有时,没有合适的大容量电池供使用,或由于安装尺寸所限,只能采用小容量电池并联使用。由于通信基站要保障在更换蓄电池时也必须24h不间断供电,因此采用两串蓄电池并联组成一个蓄电池组,更换蓄电池时可以确保一串蓄电池始终在线。这时应按图3-2所示方式并联。在两个电池组的等电压点连接一条均压线,电池组正常工作时,均压线上没有电流。当电池组发生不均衡时,这种连接能将不均衡压缩到2个单节的范围,不至于将故障扩大到一个蓄电池组。这种电池阵的组合方式能使并联副作用降到最低限度。

图3-2 蓄电池的合理并联方法

这种组合方式也称为网络组合法,在电动汽车上使用,收到良好的经济效益和技术效益。

在不能使用网络组合方式的场合,需要对并联的两串电池做如下的控制。

蓄电池的内阻是动态发展的,也是不均衡的,这是由蓄电池的固有特性决定的。采用合理的控制电路,就可以控制蓄电池组充电时不发生偏流。下面的说明以48V蓄电池组数据为例。

在两串蓄电池中,分别串联一个开关K1和K2。在充电的时候,两个开关不长时间同时接通,两个开关按照一定的时间间隔,分别接通。

例如,充电开始,K1接通,3h后,K2接通。K1并未立即断开,而是延迟几分钟,K1才断开。这种状态轮番进行充电,就会根本避免蓄电池组的充电偏流故障。在长时间的浮充电时间里,蓄电池组的端电压是54V。由于两个开关的重叠接通时间很短,偏流的影响就被根除了。

在运行中,如果交流市电中断,充电停止,则能保障有一路蓄电池组供电。在现有的两组电池设计中,用其中一组蓄电池承担基站的供电,短时间也是可以承受的。如通信基站工作电流最大约120A,通常配置500A·h的两组电池。其中一组蓄电池一旦进入放电状态,可以监测到蓄电池组的电压下降到51V,当发生这种情况时,就控制K1和K2同时闭合,共同向设备供电。

这样的设计和控制,就根本免除了并联蓄电池的内在弊病,大幅度延长蓄电池寿命。