鉛酸蓄電池脈沖充電裝置與實(shí)驗(yàn)研究

周智勇，楊占錄，王闊廳

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鉛酸蓄電池脈沖充電裝置與實(shí)驗(yàn)研究

周智勇，楊占錄，王闊廳

（海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266042）

本文以DSP和IGBT為核心，設(shè)計(jì)了大容量脈沖充電裝置，并以火炬7DB700型牽引用鉛酸蓄電池為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，驗(yàn)證了脈沖充電裝置設(shè)計(jì)的正確性。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，采用脈沖充電方式比采用恒流充電可節(jié)約充電時(shí)間。

鉛酸蓄電池 脈沖充電 DSP

0 引言

上世紀(jì)60年代中期，美國(guó)科學(xué)家馬斯對(duì)開(kāi)口蓄電池的充電過(guò)程作了大量的試驗(yàn)研究，并提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線，如圖l所示。實(shí)驗(yàn)表明，如果充電電流按這條曲線變化，就可以大大縮短充電時(shí)間，并且對(duì)電池的容量和壽命也沒(méi)有影響。原則上把這條曲線稱為最佳充電曲線，從而奠定了快速充電方法的研究方向[1]。

圖1 可接受充電電流能力曲線

1 大容量脈沖充電裝置設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[2]中，作者采用全控電力電子元器件為控制核心，實(shí)現(xiàn)了正負(fù)脈沖間歇工作方式充放電，也可實(shí)現(xiàn)恒流充放電，但系統(tǒng)功率偏小，充電電流只能達(dá)到100 A以下。為滿足大容量鉛酸蓄電池脈沖充放電實(shí)驗(yàn)的需要，本文設(shè)計(jì)了大容量充電機(jī)，能實(shí)現(xiàn)充電脈沖電流500 A，放電脈沖電流1000 A，充放電轉(zhuǎn)換時(shí)間<1 ms，并以此對(duì)火炬7DB700型牽引用鉛酸蓄電池進(jìn)行脈沖充電實(shí)驗(yàn)。

1.1 大容量脈沖充電裝置工作原理

大容量脈沖充電裝置基本原理框圖如圖2所示。

圖2 大容量脈沖充電裝置原理框圖

該裝置的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)為IGBT雙向調(diào)壓器，逆變器在DSP控制板的控制下可以工作在“升壓放電”或者“降壓充電”兩種模式下。輸入的交流電經(jīng)過(guò)降壓整流成為直流電。該直流電被雙向調(diào)壓器降壓后給蓄電池組充電。對(duì)蓄電池組放電時(shí)，雙向調(diào)壓器將蓄電池組的電壓升高后將電能放到負(fù)載上（此處的負(fù)載為放電電阻）。

2.2 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

大容量脈沖充電裝置主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 充電裝置主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

裝置的兩種基本工作狀態(tài)是“降壓充電”與“升壓放電”。其中，降壓充電工作狀態(tài)基于Buck模式，升壓放電工作狀態(tài)基于Boost模式。

降壓充電時(shí)，主電路成為降壓斬波電路（Buck Converter）。在一個(gè)PWM周期內(nèi)，VT1導(dǎo)通時(shí)，電源向負(fù)載供電，負(fù)載電壓dc2=dc1，負(fù)載電流按指數(shù)曲線上升；VT1截止時(shí)，電流經(jīng)續(xù)流二極管D2續(xù)流，負(fù)載電壓近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)較小，通常需要串聯(lián)電感L。

化簡(jiǎn)可以得到：

2.3 輸出回路設(shè)計(jì)

為提高輸出電流的控制精度，DC/DC的輸出端做兩個(gè)回路，其電流輸出的范圍分別為：0~300A和250~1500 A。故DC/DC實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖4所示，當(dāng)電流范圍為0~300 A時(shí)，使用L1、C2回路；當(dāng)電流范圍為250~1500 A時(shí)，使用L2、C3回路。這兩個(gè)回路中電容、電感的值不同，采用的電流傳感器也不同，這樣才能確保電流在兩個(gè)區(qū)間內(nèi)都獲得良好的測(cè)量精度和控制精度。如果不采用兩個(gè)回路進(jìn)行分段輸出，電流傳感器的測(cè)量范圍過(guò)大，整體測(cè)量精度會(huì)降低；電感、電容中流過(guò)的電流變動(dòng)范圍較大，無(wú)法保證控制精度，最終使得總體控制精度下降。

圖4 DC/DC兩回路輸出

圖5 脈沖充電方案

3 脈沖充電實(shí)驗(yàn)

文獻(xiàn)[2]對(duì)風(fēng)帆6-QA-60C型（12V60AH）蓄電池分別采用分階段恒流恒壓充電和分階段脈沖充電方式進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。王堅(jiān)對(duì)小型閥控式鉛酸蓄電池進(jìn)行了慢脈沖充電對(duì)比實(shí)驗(yàn)[3]。本文以火炬7DB700型牽引用鉛酸蓄電池為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用以上設(shè)計(jì)的大容量脈沖充放裝置進(jìn)行了充電實(shí)驗(yàn)。

3.1 充電方案

基于馬斯三定律理論，綜合前面的分析，并考慮到鉛酸蓄電池自身的一些特性，本文將整個(gè)充電過(guò)程分為了預(yù)充電（恒流充電）、脈沖快速充電、浮充電3個(gè)階段，如圖5所示。

充電初期，由于極化現(xiàn)象不明顯，蓄電池可以接受大的充電電流，因此可以采用大電流進(jìn)行恒流充電，使蓄電池可以在較短的時(shí)間內(nèi)盡量充入較多的電量。

經(jīng)過(guò)第一階段的大電流預(yù)充電后，蓄電池充入的電量增加，電壓上升，極化效果明顯，所以第二階段采用脈沖充電方式。在脈沖快速充電后期，電壓上升較快，待充電電壓穩(wěn)定后認(rèn)為快速充電階段結(jié)束，則適時(shí)地轉(zhuǎn)入浮充電階段。浮充電階段主要用來(lái)補(bǔ)充蓄電池自放電所消耗的能量，蓄電池只要連接在充電裝置上且充電裝置接通電源，裝置就會(huì)給蓄電池不斷補(bǔ)充電荷，這樣可使電池總處于充足電狀態(tài)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)7DB700型牽引用鉛酸蓄電池分別以三級(jí)恒流充電和脈沖充電進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。恒流充電時(shí)，充電電流分別為280 A、49 A與10.5 A。采用脈沖充電時(shí)，第一階段為恒流280 A，第二階段分三部分，分別以140 A、70 A及49 A進(jìn)行脈沖充電。第三階段與恒流充電相同，采用10.5 A電流進(jìn)行浮充電。

表1 充電對(duì)比試驗(yàn)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，采用脈沖充電，充電全過(guò)程需要7.4 h，而采用恒流充電，需要10.2 h，節(jié)約時(shí)間大約27%。如果只考慮充電的第二階段，脈沖充電相對(duì)于恒流充電可節(jié)約2.8 h，占第二階段總充電時(shí)間的36%。從表中還可以看出，采用脈沖充電，之所以能節(jié)約充電時(shí)間，最關(guān)鍵的因素是由于有脈沖充電的去極化效應(yīng)，充電電流，尤其是第二階段開(kāi)始時(shí)，可以較大的電流（140 A）進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的充電。

4 結(jié)論

脈沖快速充電技術(shù)已經(jīng)在民用小容量電池上得到廣泛應(yīng)用?；诒疚脑O(shè)計(jì)的脈沖快速充電裝置能夠滿足大容量鉛酸蓄電池的充電需要，對(duì)提高充電速度有較大作用。

[1] 朱松然. 鉛酸蓄電池技術(shù)（第二版）[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.

[2] 余峰, 張志華, 何俊. 鉛酸蓄電池脈沖充電技術(shù)研究[J]. 船電技術(shù), 2010, (6): 51~54.

[3] 王堅(jiān). 鉛酸蓄電池慢脈沖快速充電研究的突破[J]. 蓄電池, 2009, (3): 72~76.

Study on Lead Acid Battery Pulse Charging Device

Zhou Zhiyong, Yang Zhanlu, Wang Kuoting

(Navy Submarine Academy, Qingdao 266042, Shandong, China)

TP912.1

A

1003-4862（2014）12-0046-03

2014-05-21

周智勇（1972-），男，碩士，副教授。專業(yè)方向：機(jī)電。