摘要直流系統是發電廠、變電站的能源中心，為操作機構和自動化裝置提供能量。若直流系統出現故障，則後果相當嚴重。本文結合筆者所在公司研製生產的併聯型直流屏，著重比較了採用電池組併聯供電的併聯型直流屏與採用電池組串聯供電的傳統直流屏的優缺點，說明了採用電池組併聯供電的直流系統方案在電池組使用壽命、維護、執行可靠性等方面具有相當的優越性。
關鍵詞電池組併聯直流屏
1 引言
目前，發電廠、變電站的直流系統均採用傳統的直流屏，它由充電裝置、蓄電池組和饋電迴路三部分組成，系統框圖如圖1所示。其電池組是串聯起來對外供電的，比如220v直流系統，就必須由18節12v的電池組或108節的單體電池串聯起來。由這麼多節電池串聯起來的電池組，很容易出現各電池不均衡的問題，進而導致有的電池長期過充電有的電池則長期過放電，嚴重降低電池的使用壽命，一旦其中一節電池出現故障，為了保證整個電池組的一致性，必須整組電池換掉，造成了不必要的浪費。
目前解決此問題的方法是由工作人員定期的對每節電池進行深度放電，再對整個電池組進行均充。整個過程大概需要2天時間，大大加大了維護成本。即便如此，該方法仍然不能完全解決電池使用壽命的問題。
基於以上問題，筆者所在公司研製了一種電池組併聯的供電方案，它主要由n個變流裝置和電池組併聯組成，系統框圖如圖2所示。每個變流裝置配備2節12v的電池組，變流裝置實現以下功能： （1）、當有交流輸入時，變流裝置把220vac的交流電轉換成穩定的220vdc直流電，同時對電池組進行充電。
（2）、當交流失電時，變流裝置把24vdc的電池電壓轉換成220vdc的直流電。（3）、變流裝置定期對電池進行自動放電維護，無需人工干預。每個變流裝置的輸出通過均流控制器處理完後接在一起，實現併聯輸出，以滿足大功率場合的需要。
該方案實現了由24v電池組併聯供電，減少電池串聯節數，下面重點闡述該方案的各方面優越性。
1 電池壽命
目前傳統的直流屏上採用的電池組絕大部分是免維護的閥控式鉛酸蓄電池（vrla電池），為了比較電池組併聯供電和串聯供電對電池壽命的影響，首先我們必須了解閥控式鉛酸蓄電池的工作原理。
1.1 vrla電池的工作原理
單體的vrla電池的基本部件有正極板、負極板、硫酸電解液、隔板、電池槽蓋、極柱等。vrla電池的正極活性物質是二氧化鉛（pbo2），負極活性物質是海綿狀金屬鉛（pb），電解液是稀硫酸（h2so4），其基本反應原理可表示為：
從上面反應式可看出，充電過程中存在水分解反應，當正極充電到70％時，開始析出氧氣，負極充電到90％時開始析出氫氣，由於氫氧氣的析出，如果反應產生的氣體不能重新復合得用，電池就會失水乾涸；對於早期的傳統式鉛酸蓄電池，由於氫氧氣的析出及從電池內部逸出，不能進行氣體的再復合，是需經常加酸加水維護的重要原因；而vrla電池能在電池內部對氧氣再復合利用，同時抑制氫氣的析出，克服了傳統式鉛酸蓄電池的主要缺點。vrla電池氧迴圈圖示如下：
可以看出，在vrla電池中，負極起著雙重作用，即在充電末期或過充電時，一方面極板中的海綿狀鉛與正極產生的o2反應而被氧化成一氧化鉛，另一方面是極板中的硫酸鉛又要接受外電路傳輸來的電子進行還原反應,由硫酸鉛反應成海綿狀鉛。
1.2 vrla電池主要引數
1.2.1 電池的容量
處於完全充電狀態的鉛酸蓄電池在一定放電條件下，放電到規定的終止電壓時所能給出的電量成為電池容量，常用單位為安培小時（ah），電池容量分為理論容量、實際容量。理論容量是指根據活性物質的質量按照法拉第定律計算而得的最高容量。實際容量是指電池在一定放電條件下所能輸出的電量。
由於組成電池時，除電池的主反應外，還有副反應發生，加之其他種種原因，活性物質利用率不可能外100%，因此遠低於理論容量。電池的實際容量主要與電池正、負極活性物質的數量及利用率有關。活性物質利用率主要受放點制度、電機結構、製造工藝影響。
1.2.2 電池內阻
電池的內阻不是常數，在充放電過程中隨時間不斷變化，因為活性物質的組成、電解液濃度和溫度都在不斷變化。vrla電池的內阻很小，但在大電流放電情況下，電池的電壓降損失可達數百毫伏。
電池的內阻有歐姆內阻和極化內阻兩部分。歐姆內阻主要由電極材料、隔板、電解液、接線柱等構成，也與電池尺寸、結構及裝配因素有關。極化內阻是由電化學極化和濃差極化引起的，是電池充放電過程中兩電極進行化學反應時極化產生的內阻。
極化內阻與電池製造工藝、電極結構及活性物質的活性有關。
1.2.3 電池電動勢
鉛酸蓄電池充電後，正極板二氧化鉛（pbo2），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩定物質--氫氧化鉛（pb(oh)4），氫氧根離子在溶液中，鉛離子（pb4）留在正極板上，故正極板上缺少電子。 負極板是鉛（pb），與電解液中的硫酸（h2so4）發生反應，變成鉛離子（pb2），鉛離子轉移到電解液中，負極板上留下多餘的兩個電子（2e）。 可見，在未接通外電路時（電池開路），由於化學作用，正極板上缺少電子，負極板上多餘電子，兩極板間就產生了一定的電位差，這就是電池的電動勢。
電動勢大小取決於電解液中的離子數和在電極上的自由電荷，而這些又與製成極板的活性物
質的化學成分和電解液的濃度和溫度有關，電動勢與極板的現狀、大小及電解液的數量無關。充電後的鉛酸電池的電動勢一般為2.1 v。
電動勢是電池在理論上輸出能量大小的量度之一。如果其他條件相同，電動勢愈高的電池，理論上能輸出的能量就愈大，使用價值就愈高
1.3 多節電池串聯對電池組效能的影響
1.3.1 對充電的影響
傳統的220v直流屏系統，採用18節12v的電池串聯。由於串聯節數過多，必須要求各節電池的效能引數一致，才能保證充電的均衡性。然而，從章節1.
2可以知道，電池的容量、內阻、電動勢等主要引數均與電池的原材料（活性物質及電解液）的效能、電池結構、電池尺寸、製造工藝有密切的關係，即使是同廠家同批次的電池要保證18節電池完全一致也是很難實現的。這樣就造成各個電池在出廠時，本身的容量、內阻、電動勢就存在一定的差異。另外，直流屏廠家在將各節電池串聯起來的時候，也是沒辦法保證各電池間連線線的電阻完全一致。
直流屏所用的充電機都是在理想狀態下設計均充電壓和浮充電壓的，所謂的理想狀態即認為每節電池的均充電壓和浮充電壓都是相等的。假設每節浮充電壓定為13.5v，則充電機設計的浮充電壓即為18*13.
5=243v。這樣做忽視了上面所提到的各電池的效能差異，會導致各節電池實際浮充電壓各不相同，有的電池可能是14v，處於過充電狀態；有的電池可能是13v，處於沒充飽狀態。這對長期處於浮充電狀態下的直流屏電池，是非常不利的。
從vrla電池的氧迴圈示意圖可以看出，浮充電壓過高，過衝電流大，氧氣析出多，使氣體再復合效率低，會造成明顯的失水現象。通常認為失水是影響vrla電池壽命的主要原因之一，一般失水20%，電池的壽命也就終止了。浮充電壓過低，雖然氧氣析出少，氣體復合率高，但電池因長期充電不足會造成電池負極板上的pbso4不能及時還原成海綿狀的pb，而使pbso4重結晶，生成不可逆的pbso4，這個過程稱為負極硫酸鹽化。
而負極的硫酸鹽化是vrla電池失效的另乙個重要原因。
1.3.2 對放電的影響
直流屏電池的放電終止電壓也是在理想狀態下設計，即認為每節電池的放電終止電壓為10.8v，這樣18節電池的放電終止電壓即為18*10.6=190.
8v。但由於各節電池的容量、內阻、接線電阻差異，各節電池的實際終止電壓並不相等，有的可能是10.5v，有的可能是11v。
這樣就造成有的電池會過放電，而有的電池電量卻沒有充分利用。經常過度放電的電池易造成負極的硫酸鹽化，大大縮短電池壽命。在多節串聯的電池組中，過度放電過的電池在下次充電過程中，實際浮充電電壓會偏低，而電池電量沒有放光的電池的實際浮充電壓又會偏高，這就導致了電池組在多次充放電迴圈中形成惡性迴圈：
沒充飽的電池也容易過放電，過放電的電池越充不飽；電量沒放光的電池容易過充電，而過充電的電池容量更不能充分利用。在這種惡性迴圈下，電池壽命是急劇縮短的。
1.4電池併聯供電的好處
研究和實踐表明串聯的蓄電池組的壽命遠遠不及單體電池的壽命，所以最好的延長電池壽命的方法應該是每個單體電池都配備乙個獨立的電池充放電管理單元，但是這樣會大大增加成本，而且由於單體電池的電壓太低，在輸出同等功率情況下，單體電池的放電電流比電池組的要大得多，降低了放電效率。我們經過綜合考慮，最終我們選擇用2節12v的電池串聯成電池組後再對外供電。由於只有2節12v的電池相對於直流屏18節電池來說，同一組電池出廠的一致性得到了明顯的改善。
從圖2可以看出，每個電池組都配有乙個獨立的充放電管理模組，可以很好的保證每節電池的浮充電壓和放電終止電壓的一致性。有效的抑制了vrla電池的失水和負極的硫酸鹽化，在很大程度上減緩了電池的失效。
2 執行維護
為了保證蓄電池組在工作中保持一致性，傳統直流屏的蓄電池組必須由專業的維護人員攜帶專業裝置定期的進行深度放電，然後再對整組電池進行均衡充電。在正常情況下，這需要2天左右的實間才能完成。而現在工作人員經常遇到異常情況：
在進行深度放電時，電池組提前終止放電，未能達到深度放電，主要原因是由於個別電池的電壓偏低，在整組放電時，整組電池電壓很快就低於欠壓點，直流屏的電池監測裝置對電池組進行了欠壓保護。這就導致有大部分電池未能深度放電，需要單獨對每節電池進行深度放電。在這種情況下，維護時間就遠遠不止2天，極大的增加了維護費用。
針對以上問題，我們在變流裝置裡設計了乙個電池放電維護的模組，該模組根據電池的特性定期的對電池進行自動放電維護，無需人工參與，大大節約了維護的費用。
即使有一組電池出現故障，也只需換掉那一組的2個電池，而不需要像直流屏那樣換掉所有的18節電池，這在很大程度上抑制了資源的浪費。
3 可靠性
由於採用併聯供電，在電池或變流裝置出現故障的時候，其他組電池和變流裝置仍然能正常工作，保證直流輸出的連續性；而直流屏一旦有個電池壞掉了，整個直流母線的電壓就會出現異常，甚至無輸出，這將導致整個變電站的直流系統異常，造成其他更嚴重故障。
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