鉛酸蓄電池充電機(jī)充電控制策略
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鉛酸蓄電池充電機(jī)充電控制策略
陳亞愛
陳亞愛 ,女，教授，北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院自動(dòng)化系教師，1984年7月畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)電氣工程系工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)，同年7月到北方工業(yè)大學(xué)任教。
主要研究方向：電力電子及應(yīng)用、電氣傳動(dòng)等
主講課程：《電機(jī)學(xué)》、《供電系統(tǒng)》、《電力拖動(dòng)基礎(chǔ)》、《建筑供配電》、《自動(dòng)控制原理》、《建筑電氣技術(shù)》、《電工學(xué)》等。
獲得的主要榮譽(yù)
1、主持的“現(xiàn)代電力電子技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革——三電平實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開發(fā)方案”教學(xué)研究項(xiàng)目2008年獲北方工業(yè)大學(xué)二等獎(jiǎng)；
2、參編的《開關(guān)變換器的建模與控制》獲北京市精品教材；
3.《電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)》校級(jí)精品課的主持人之一。
學(xué)術(shù)兼職（其他）
第二屆中國機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)電力電子與電力傳動(dòng)分會(huì)委員
摘要：鉛酸蓄電池以其容量大、壽命長、性價(jià)比高、輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。優(yōu)良的充電機(jī)充電控制策略不僅能縮短充電機(jī)充電時(shí)間，而且能相對(duì)延長蓄電池使用壽命，因此，鉛酸蓄電池充電機(jī)充電控制策略在其應(yīng)用過程中占有重要地位，并已取得了長足發(fā)展。在現(xiàn)有鉛酸蓄電池充電機(jī)充電控制策略基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行分類和歸納，總結(jié)了不同充電機(jī)充電控制策略的特點(diǎn)及其應(yīng)用場合，為鉛酸蓄電池充電機(jī)充電控制策略研究和工程應(yīng)用提供參考。
關(guān)鍵詞：鉛酸蓄電池；充電機(jī)充電控制策略；恒壓充電機(jī)充電；恒流充電機(jī)充電；脈沖充電機(jī)充電
中圖分類號(hào)：TM 912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-087 X(2017)04-
Charging control strategy of lead acid battery
CHEN Ya-ai, QIU Huan, ZHOU Jing-hua, LIU Ming-yuan
(Beijing Frequency Conversion Technology Engineering Research Center, North China University of Technology, Beijing 100144, China)
Abstract: Lead acid battery is widely used in various fields for its advantages of large capacity, long life, high cost performance and stable output voltage. Excellent charging control strategy can not only shorten the charging time, but also to extend the service life of the battery, therefore, lead-acid battery charging control strategy plays an important role in its application process, and has made considerable development. Based on the existing lead acid battery charging control strategy, the characteristics and application situations of different charging control strategies were summarized, providing reference for the research and engineering application of the lead acid battery charging control strategy.
Key words: lead acid battery; charge control strategy; constant voltage charge; constant current charge; pulse charge
鉛酸蓄電池以其性價(jià)比高、使用壽命長、輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)著極其重要的市場地位[1]。隨著鉛酸蓄電池廣泛應(yīng)用，其充電機(jī)充電控制策略不斷發(fā)展，如圖1所示。在不影響鉛酸蓄電池使用壽命的前提下，實(shí)現(xiàn)鉛酸蓄電池高效、快速充電機(jī)充電是蓄電池業(yè)界多年來期待解決的問題。
1 連續(xù)式充電機(jī)充電
1.1 恒壓式充電機(jī)充電
1.1.1傳統(tǒng)恒壓充電機(jī)充電
傳統(tǒng)恒壓充電機(jī)充電控制策略是指通過控制充電機(jī)充電機(jī)輸出恒定的電壓對(duì)蓄電池進(jìn)行充電機(jī)充電的控制策略，其充電機(jī)充電電壓和電流曲線如圖2所示。由圖2可見充電機(jī)充電初期電流過大，會(huì)使鉛酸蓄電池正、負(fù)極板上的活性物質(zhì)大量脫落，影響鉛酸蓄電池的循環(huán)使用壽命。因此該控制策略只有在蓄電池需要低電壓大電流充電機(jī)充電時(shí)才采用[2]。
1.1.2恒壓限流充電機(jī)充電
恒壓限流充電機(jī)充電是在恒壓充電機(jī)充電基礎(chǔ)上，為解決充電機(jī)充電初期電流過大而提出的[3]，這種改進(jìn)的恒壓充電機(jī)充電控制策略能克服恒壓充電機(jī)充電初期電流過大的缺點(diǎn)，又使控制設(shè)備簡單的優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮。
1.2 恒流式充電機(jī)充電
1.2.1傳統(tǒng)恒流充電機(jī)充電
傳統(tǒng)恒流充電機(jī)充電是通過控制充電機(jī)充電機(jī)的輸出電壓實(shí)現(xiàn)充電機(jī)充電電流恒定，其充電機(jī)充電電流電壓曲線如圖3(a)所示，充電機(jī)充電機(jī)的輸出電壓必須持續(xù)增加，才能保證充電機(jī)充電電流恒定，其電能轉(zhuǎn)化率低。在充電機(jī)充電前期，鉛酸蓄電池可接受充電機(jī)充電電流較大，采用恒流充電機(jī)充電可對(duì)蓄電池迅速充入較多電量。隨著充電機(jī)充電的繼續(xù)，蓄電池可接受電流急劇減小，額外的電流大部分用于電解水并使電池發(fā)熱，對(duì)極板造成損壞，嚴(yán)重影響使用壽命，且整個(gè)過程需人員看管。通常只有在對(duì)蓄電池初充電機(jī)充電或小電流去硫化時(shí)才使用恒流充電機(jī)充電控制策略。
1.2.2階段恒流充電機(jī)充電
為了解決傳統(tǒng)恒流充電機(jī)充電對(duì)電池壽命影響大、電能轉(zhuǎn)化效率低等問題，文獻(xiàn)[4]提出了一種階段式恒流充電機(jī)充電控制策略，其充電機(jī)充電電流曲線如圖3(b)所示。在充電機(jī)充電過程中階段性降低充電機(jī)充電電流，將充電機(jī)充電電流分為多段，可縮短充電機(jī)充電時(shí)間，大幅延長蓄電池的使用壽命（5段恒流充電機(jī)充電循環(huán)壽命達(dá)272次），并能提高電能利用率。理論上，分段越多對(duì)蓄電池充電機(jī)充電效果越好，但從充電機(jī)充電機(jī)成本和體積上考慮，5段恒流充電機(jī)充電最為適合。實(shí)驗(yàn)表明，該充電機(jī)充電控制策略不僅使充電機(jī)充電時(shí)間縮短了20%，而且鉛酸蓄電池的循環(huán)使用壽命延長了1倍以上，將其應(yīng)用在電動(dòng)自行車上效果顯著。
1.3 階段式充電機(jī)充電
1.3.1恒流-恒壓充電機(jī)充電
恒流-恒壓兩段式充電機(jī)充電是結(jié)合恒流與恒壓充電機(jī)充電而提出的充電機(jī)充電控制策略，如圖4(a)所示。在充電機(jī)充電初期采用恒流充電機(jī)充電，能克服恒壓充電機(jī)充電初期電流過大對(duì)蓄電池使用壽命造成影響的缺點(diǎn)；充電機(jī)充電中后期采用恒壓充電機(jī)充電，使充電機(jī)充電電流更接近馬斯曲線，可以克服恒流充電機(jī)充電后期電流過大的缺點(diǎn)。
1.3.2恒流-恒壓-恒流充電機(jī)充電
恒流-恒壓-恒流三階段充電機(jī)充電控制策略在充電機(jī)充電初期采用恒流充電機(jī)充電、中期采用恒壓充電機(jī)充電、末期采用恒流充電機(jī)充電，其充電機(jī)充電電流曲線如圖4(b)所示。該充電機(jī)充電控制策略能避免充電機(jī)充電初期電流過大和充電機(jī)充電末期電流過小的問題。在充電機(jī)充電中期采用恒壓充電機(jī)充電能夠使充電機(jī)充電電流更接近馬斯曲線，在減少析氣的情況下提高充電機(jī)充電速度；末期的恒流充電機(jī)充電（小電流）可將蓄電池充至滿電狀態(tài)，延長蓄電池的使用壽命。
采用階段式充電機(jī)充電控制策略的充電機(jī)充電設(shè)備簡單，無需復(fù)雜的控制器，因此被廣泛應(yīng)用于火車、輪船、汽車、廠礦、光伏儲(chǔ)能鉛酸蓄電池充電機(jī)充電。
2 間歇式充電機(jī)充電
2.1 變電流間歇充電機(jī)充電
采用恒壓、恒流等連續(xù)式充電機(jī)充電控制策略時(shí)，蓄電池端電壓達(dá)到飽和后，其可接受的充電機(jī)充電電流將變小，這時(shí)應(yīng)停充一段時(shí)間，使蓄電池兩極附近在充電機(jī)充電過程中形成的物質(zhì)充分?jǐn)U散，提高下一周期的充電機(jī)充電效率。
文獻(xiàn)[5]提出了一種變電流間歇充電機(jī)充電控制策略，其充電機(jī)充電曲線如圖5(a)所示。在充電機(jī)充電初期采用大電流向蓄電池迅速充入大電量；充電機(jī)充電中期間歇性減小充電機(jī)充電電流，使充電機(jī)充電電流在蓄電池可接受范圍內(nèi)，減少析氣量的同時(shí)充入更多電量；充電機(jī)充電后期用0.1 C的小電流對(duì)蓄電池進(jìn)行補(bǔ)足充電機(jī)充電。
文獻(xiàn)[6]在變電流間歇充電機(jī)充電控制策略的應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，某些充電機(jī)充電階段蓄電池端電壓會(huì)很快達(dá)到停充電機(jī)充電壓限值，而有時(shí)則充電機(jī)充電很長時(shí)間端電壓都無法達(dá)到停充電機(jī)充電壓限值，所以必須對(duì)充電機(jī)充電時(shí)間進(jìn)行限幅，確保變電流間歇充電機(jī)充電順利進(jìn)行。該充電機(jī)充電策略適用于電動(dòng)車、廠礦等領(lǐng)域。
2.2 變電壓間歇充電機(jī)充電
文獻(xiàn)[7]提出了一種以變電流間歇充電機(jī)充電為基礎(chǔ)的變電壓間歇充電機(jī)充電控制策略，其充電機(jī)充電曲線如圖5(b)所示，在恒壓充電機(jī)充電周期內(nèi)，充電機(jī)充電電流最接近馬斯曲線，蓄電池析氣量小。就工程角度而言，變電壓控制比變電流控制更易實(shí)現(xiàn)[8]。
3 脈沖式充電機(jī)充電
3.1 單向脈沖充電機(jī)充電
脈沖充電機(jī)充電控制策略是采用脈沖形式的電壓或電流進(jìn)行充電機(jī)充電，其充電機(jī)充電曲線如圖6(a)所示。在脈沖間的停充階段，鉛酸蓄電池中的充電機(jī)充電產(chǎn)物能充分?jǐn)U散，使下一階段充電機(jī)充電更加順利地進(jìn)行。
文獻(xiàn)[9-13]提出了一種慢脈沖快速充電機(jī)充電控制策略，將充電機(jī)充電過程分為兩段，分別采用恒流脈沖和恒壓脈沖，其充電機(jī)充電電流曲線如圖6(b)所示。在每次大電流脈沖后緊跟一個(gè)小電流維持脈沖，維持脈沖可在蓄電池內(nèi)形成一定強(qiáng)度的電場，加速電解液離子擴(kuò)散，使?jié)獠顦O化快速減弱或消除。文獻(xiàn)[11-13]的研究表明，慢脈沖充電機(jī)充電控制策略在快速充電機(jī)充電的同時(shí)不僅能減少充電機(jī)充電時(shí)蓄電池的析氣量，而且能大幅度提高蓄電池壽命。該充電機(jī)充電策略適用于電動(dòng)汽車、電動(dòng)叉車的快速充電機(jī)充電。
3.2 正負(fù)脈沖充電機(jī)充電
3.2.1正負(fù)脈沖間單次停充
ReflexTM充電機(jī)充電控制策略是一種正負(fù)脈沖間單次停充的充電機(jī)充電控制策略，即在單向脈沖充電機(jī)充電基礎(chǔ)上加入短時(shí)反向放電脈沖，之后再停充一段時(shí)間，然后進(jìn)入下一周期，其充電機(jī)充電電流曲線如圖7(a)所示。反向放電脈沖可有效去極化，且可對(duì)極板上產(chǎn)生的氣體和附著物質(zhì)進(jìn)行沖刷，使蓄電池內(nèi)部物質(zhì)在停充階段變得更均衡，提高下一周期的充電機(jī)充電效率。文獻(xiàn)[14]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比了兩段式、脈沖式以及ReflexTM三種充電機(jī)充電控制策略，實(shí)驗(yàn)表明，脈沖充電機(jī)充電控制策略具有明顯優(yōu)勢(shì)。
3.2.2正負(fù)脈沖間兩次停充
正負(fù)脈沖間兩次停充是在ReflexTM充電機(jī)充電技術(shù)的基礎(chǔ)上，正向脈沖充電機(jī)充電與反向脈沖放電之間加入停充階段，其充電機(jī)充電電流曲線如圖7(b)所示。若在正向脈沖充電機(jī)充電后直接反向大電流放電，會(huì)使鉛酸蓄電池極板彎曲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致極板變形甚至脫落，因此在正向脈沖后進(jìn)入短時(shí)停充階段使充電機(jī)充電過程變得更加平滑，避免對(duì)極板造成傷害。
4 智能充電機(jī)充電
文獻(xiàn)[3，15-21]提出了跟蹤鉛酸蓄電池充電機(jī)充電參數(shù)并根據(jù)參數(shù)變化進(jìn)行有效控制的智能充電機(jī)充電控制策略。通過采集蓄電池充電機(jī)充電過程中的溫度、端電壓、充電機(jī)充電時(shí)間等數(shù)據(jù)，控制器自動(dòng)調(diào)整充電機(jī)充電電流更接近馬斯曲線，并減少析氣量，提高充電機(jī)充電速度。智能充電機(jī)充電控制策略能基本實(shí)現(xiàn)充電機(jī)充電過程無析氣，最大限度地保護(hù)蓄電池使用壽命。
文獻(xiàn)[15-16]介紹了一種通過模糊邏輯在線預(yù)測蓄電池荷電狀態(tài)，并結(jié)合電池溫度參數(shù)共同確定電池可接受電流大小的充電機(jī)充電控制策略，但由于充電機(jī)充電過程中未加入去極化措施，使充電機(jī)充電后期蓄電池可接受充電機(jī)充電電流減小，充電機(jī)充電效率較低。
文獻(xiàn)[21]提到了一種化學(xué)過程跟蹤充電機(jī)充電控制策略，充電機(jī)充電機(jī)對(duì)蓄電池充電機(jī)充電過程中的化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，實(shí)時(shí)監(jiān)測充電機(jī)充電狀態(tài)，并對(duì)充電機(jī)充電電流進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到最佳充電機(jī)充電電流。該控制策略可大量節(jié)約電能，蓄電池溫度不會(huì)升高，對(duì)電池壽命影響小，但充電機(jī)充電機(jī)成本過高，無法推廣。
5混合式充電機(jī)充電
上述各種單一式充電機(jī)充電控制策略已很難滿足工程中蓄電池充電機(jī)充電需求，為了進(jìn)一步提高充電機(jī)充電速度和延長蓄電池使用壽命，文獻(xiàn)[22-27]結(jié)合恒流充電機(jī)充電、恒壓充電機(jī)充電、間歇式充電機(jī)充電以及脈沖充電機(jī)充電等控制策略的優(yōu)點(diǎn)，提出了幾種混合式充電機(jī)充電控制策略。
文獻(xiàn)[3]、[22]將脈沖充電機(jī)充電與變電流間歇充電機(jī)充電控制策略相結(jié)合，提出了具有正負(fù)零脈沖的三階段恒流快速充電機(jī)充電控制策略，其充電機(jī)充電電流曲線如圖8所示。該充電機(jī)充電控制策略能提高充電機(jī)充電速度，減少蓄電池析氣量，節(jié)約電能。文獻(xiàn)[3]通過實(shí)驗(yàn)證明了該充電機(jī)充電控制策略相對(duì)于三段恒流充電機(jī)充電，具有充電機(jī)充電速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)。
文獻(xiàn)[23-24]將恒流充電機(jī)充電、變電流間歇充電機(jī)充電以及正負(fù)脈沖充電機(jī)充電控制策略相結(jié)合，提出了一種恒流-脈沖-變電流間歇充電機(jī)充電混合控制策略，其充電機(jī)充電電流曲線如圖9所示。文獻(xiàn)[23]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該充電機(jī)充電控制策略的可行性，文獻(xiàn)[24]在文獻(xiàn)[23]的基礎(chǔ)上采用DSP控制器實(shí)現(xiàn)了該充電機(jī)充電控制策略。
文獻(xiàn)[25]在電壓脈沖充電機(jī)充電的基礎(chǔ)上提出了一種變電壓正負(fù)脈沖充電機(jī)充電控制策略，其充電機(jī)充電電壓曲線如圖10所示，即將充電機(jī)充電過程分為三個(gè)或更多階段，分階段逐步減小脈沖電壓寬度。文獻(xiàn)[25]以簡單電路和普通元器件成功研制出變電壓正負(fù)脈沖充電機(jī)充電機(jī)，實(shí)驗(yàn)證明該充電機(jī)充電控制策略能有效去極化，提高蓄電池可接受充電機(jī)充電電流，縮短充電機(jī)充電時(shí)間，不損害蓄電池壽命。該充電機(jī)充電控制策略可應(yīng)用于牽引、電動(dòng)汽車鉛酸蓄電池充電機(jī)充電。
6 結(jié)論
鉛酸蓄電池有各種充電機(jī)充電控制策略，每種充電機(jī)充電控制策略都有各自的特點(diǎn)，在應(yīng)用過程中可根據(jù)不同需求選擇適合的充電機(jī)充電控制策略。目前，鉛酸蓄電池充電機(jī)充電控制策略發(fā)展的總體趨勢(shì)是高效、快速。在充電機(jī)充電速度變得越來越快的同時(shí)，充電機(jī)充電控制策略也更加復(fù)雜，新型充電機(jī)充電控制策略都是綜合了多種基本控制策略的優(yōu)點(diǎn)，其控制難度也越來越高，有些控制策略已經(jīng)無法由單片機(jī)來完成，需要功能更強(qiáng)大的DSP來實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用中，大部分還是采用兩段式、三段式充電機(jī)充電控制策略，不僅充電機(jī)充電速度慢，而且對(duì)蓄電池壽命影響大。而充電機(jī)充電速度快、對(duì)蓄電池壽命影響小的充電機(jī)充電控制策略也只是在研究過程中，沒有推廣和應(yīng)用，并都是針對(duì)小容量蓄電池進(jìn)行研究的，還沒有專門針對(duì)大容量蓄電池進(jìn)行有效的實(shí)驗(yàn)。因此，如何將優(yōu)良的充電機(jī)充電控制策略應(yīng)用于實(shí)際工程中，將成為研究的熱點(diǎn)。
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