陳義鵬， 焦斌亮，2， 王海明， 王秉榮

(1.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島 066004；2.河北省特種光纖與光纖傳感重點實驗室，河北秦皇島 066004；3.河北科技師范學(xué)院，河北秦皇島 066004)

鑒于經(jīng)濟性、安裝環(huán)境等因素的考慮，在目前應(yīng)用的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中普遍采用VRLA串聯(lián)電池組作為系統(tǒng)儲能部分，由于室外環(huán)境溫度變化大，未做電池組隨環(huán)境溫度變化進(jìn)行充放電狀態(tài)實時補償而造成電池組壽命縮短的問題已明顯暴露了出來[1]。在實際運行中，環(huán)境溫度對VRLA蓄電池性能的影響比較大，VRLA蓄電池的最佳環(huán)境運行溫度為25℃，在此溫度下，有利于蓄電池達(dá)到最長壽命。

如果使用環(huán)境溫度過高，使VRLA蓄電池在充電過程中產(chǎn)生的熱量無法及時擴散到空氣中去，加速了電解液的損失，同時也容易通過殼體損失水分，導(dǎo)致電解液的比重升高加速了正極板柵的腐蝕，最終導(dǎo)致VRLA蓄電池未達(dá)到電池的設(shè)計壽命而提前失效。

蓄電池的浮動充電電壓和周圍環(huán)境溫度以及蓄電池溫度具有近似的線性相關(guān)性，環(huán)境溫度變化過快會導(dǎo)致蓄電池壽命的縮短[2]。

在一定溫度范圍內(nèi)，蓄電池的壽命隨溫度的升高而延長。在10～35℃間，每升高1℃，大約增加5～6個充放電循環(huán)，在35～45℃之間，每升高1℃可延長壽命25個循環(huán)以上；高于50℃則因負(fù)極硫化容量損失而限制壽命[3]。電池壽命在一定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而增加，是因為容量隨溫度升高而增加。如果放電容量不變，則在溫度升高時其放電深度降低，故壽命延長。串聯(lián)電池組的可持續(xù)放電能力以狀況最差的那一塊電池的容量值為準(zhǔn)，而不是以平均值或額定值(初始值)為準(zhǔn)[4]。

因此在實際應(yīng)用中，如果不同溫度下設(shè)定相同的放電終止電壓，將導(dǎo)致溫度高時蓄電池過放電、溫度低時蓄電池使用不充分。所以我們在放電控制電路中增加了溫度補償模塊，隨著溫度的變化調(diào)節(jié)蓄電池的放電終止電壓。

1 溫度補償電路的分析

在工業(yè)生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中，在線使用的分析儀器通常需要解決溫度補償問題，采用人工調(diào)節(jié)控制，既不準(zhǔn)確也不方便，因此為確保儀器的測量精度，應(yīng)采用自動溫度補償控制方法。

1.1 自動溫度補償電路

利用集成運算放大器和鉑熱電阻可以構(gòu)成自動溫度補償電路，其原理圖見圖1。圖1中A為集成運算放大器，Rt為Pt100鉑熱電阻，其阻值隨溫度的變化而變化。

圖1 運算放大器與鉑熱電阻構(gòu)成的溫度傳感電路

在圖1中得到輸出電壓的表達(dá)式：

鉑熱電阻隨溫度變化，使輸出電壓V o隨溫度變化。

1.2 改進(jìn)的溫度補償電路

阻抗傳感器，一般被稱作阻抗溫度探測器（RTDs），普遍用于溫度的檢測。RTDs是基于鉑金、銅和鎳，鉑金是傳感的要素。

圖2中的電阻R s為NTC（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻），當(dāng)R1*與R1取值相同時，輸出電壓V o為(V1－V2)=I×R s，隨著溫度的升高，輸出電壓逐漸變小。

圖2 溫度傳感電路

圖2中的輸出電壓輸入到圖3中，通過比較單元、控制單元，控制蓄電池在－15～55℃的環(huán)境下終止電壓隨溫度更精確的變化，能有效地維護蓄電池的工作。

圖3 放電控制原理框圖

2 溫度補償在放電控制中的工作原理

如圖4所示的電路結(jié)構(gòu)中,溫度補償電路與放電控制電路一起相輔相成達(dá)到本文所述目的,在放電控制電路中，由分壓電阻得到蓄電池的實時端電壓值，與預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)電壓通過電壓比較器LM339中進(jìn)行比較，當(dāng)蓄電池端電壓高于每段的基準(zhǔn)電壓時，發(fā)光二極管被點亮，當(dāng)蓄電池端電壓低于某段的基準(zhǔn)電壓時，對應(yīng)的發(fā)光二極管熄滅。通過7個發(fā)光二極管的亮滅可直觀地知道蓄電池組的放電程度。

圖4 溫度補償電路應(yīng)用結(jié)構(gòu)框

應(yīng)當(dāng)注意：（1）雖然溫度增加可以增大當(dāng)蓄電池的輸出容量，但超過一定界限時，易使正極板彎曲和減少負(fù)極板的容量，同時也增大了蓄電池的局部放電。因而正常使用時，一般使蓄電池工作在其要求范圍內(nèi)；（2）當(dāng)一個充滿電的蓄電池在低溫放電時，達(dá)到其終止電壓，由于硫酸電解液溫度降低而引起的放電容量的降低，并不能說明蓄電池?fù)p失了一部分容量，只要增大電解液溫度，則蓄電池還能恢復(fù)其容量。

為了更加有效地保護和使用蓄電池，延長蓄電池的壽命，溫度較高時應(yīng)該減小蓄電池的放電深度、提高其終止端電壓，溫度較低時應(yīng)該適度增大蓄電池的放電深度、降低其終止端電壓。溫度補償電路在放電控制中的作用即是如此，通過鉑熱電阻隨溫度的變化來調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓，溫度升高使基準(zhǔn)電壓隨之升高，溫度降低時基準(zhǔn)電壓隨之降低，從而達(dá)到在不同溫度環(huán)境下控制蓄電池放電深度的效果。

3 實驗及數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)針對標(biāo)稱端電壓為12 V，容量38 Ah的VRLA電池進(jìn)行了實驗測試。

（1）R1=R2=1 kΩ，R3=110Ω的情況下，圖1中各電阻取值如表1所示。

表1 圖1中備申池的取值

通過表1中的數(shù)據(jù)可以得知在0、25、50℃不同溫度下鉑熱電阻阻值的變化，V o表示不同溫度下放電開始時的輸出電壓，V o'表示不同溫度下放電截止時的電壓值。

（2）根據(jù)圖3的實驗原理得到的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 圖3實驗原理得到的實驗數(shù)據(jù)

通過擴大溫度范圍、減小溫度間隔的溫度補償，蓄電池能更有效地工作在低溫和高溫的環(huán)境下。

4 溫度補償電路的應(yīng)用小結(jié)

本文所述自動溫度補償電路可用于在線分析儀器檢測信號的溫度補償與信號放大,如數(shù)字式工業(yè)酸度計測量信號的自動溫度補償?shù)取?/p>

改進(jìn)的溫度補償電路應(yīng)用于光伏系統(tǒng)中，是對VRLA蓄電池組放電控制環(huán)節(jié)進(jìn)一步的完善，使整個光伏系統(tǒng)能夠適用于更為復(fù)雜多變的環(huán)境。

[1]DAVID L，THOMASB R.電池手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：475.

[2]VALKOVSKA D，DIMITROV M，TODOROV T.Thermal behavior of VRLA battery during closed oxygen cycleoperation[J].Journalof Power Sources，2009，191(1)：122-123.

[3]朱松然.鉛蓄電池技術(shù)[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2002：78.

[4]張芳，王海明，焦斌亮.VRLA電池組內(nèi)阻及其對性能影響的分析[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008，11(11)：44-47.