1、關(guān)于快速脈沖充電技術(shù)的研究劉玉杰, 姜印平, 孟祥適(天津大學自動化學院, 天津300072摘要:直流恒壓恒流蓄電池充電設備容易造成電池過充或充電不足, 且充電時間較長。本文簡述了快速脈沖充電技術(shù)的理論基礎, 。關(guān)鍵詞:脈沖充電; 閥控密封鉛酸蓄電池; IG BT 模塊中圖分類號:T M91016文獻標識碼:A 文章編號:-(-03Study on fast singlechipU 2jie , J I ANG In 2ping , ME NG X iang 2shi(Automation College , Tianjin Univer sity , Tianjin 300072, Chin

2、a Abstract :The constant 2potential or constant 2current charging equipments for storage batteries are easy to lead to either over charged of not charged the batteries fully , and als o the charging takes a long time. This article briefly introduced the theory base of fast pulse recovery technique.

3、According to the need of practice , we als o designed a set of recovery system which can effectively prevent the batteries from being over charged or under charged.K ey w ords :pulse recovery ; VR LA bettery ; IG BT m odule1概述目前閥控密封鉛酸蓄電池以其密封好、無泄漏、無污染及無需維護等優(yōu)點得到了越來越廣泛的應用。中國鐵路機車用蓄電池就多采用此種電池, 其充電方式多采用直流

4、恒壓或恒流充電, 這兩種充電方式實際中存在很大缺陷。恒壓充電不合理是因為蓄電池內(nèi)阻很小, 恒壓充電初始電流很大, 因而要降壓, 到了充電后期則因電壓過低導致充電不足, 長期欠充會使極板嚴重硫酸鹽化; 恒流充電之所以不合理是因為蓄電池充電曲線呈指數(shù)變化, 如圖1所示, 恒流電流在充電初期小于蓄電池可接受最大電流, 延長了充電周期, 后期則超過蓄電池可接受電流的能力, 電能不能有效轉(zhuǎn)化為化學能, 多變?yōu)闊崮芟牡袅恕＝鉀Q方法之一就是根據(jù)理想充電曲線, 動態(tài)跟蹤參變量, 實時調(diào)節(jié)充電電流。機收稿日期:2003-11-10車用蓄電池具有放電電流大(2100A 、放電時間短(8s 左右 以及放電深度深等

5、特點, 對于貨運機車還有啟動較頻繁等特點, 因此采用智能快速脈沖充電技術(shù), 將克服上述缺點, 使充電過程更科學化。一般在正常充電時, 以10或20小時充電率電流進行充電所需時間多為10多個小時, 快速充電的特點是采用1C (A (C 為蓄電池額定容量數(shù)值 以上的大電流, 在短時間內(nèi)把電池充好, 而在此過程中, 既不產(chǎn)生大量氣體, 又不使電解液溫度過高, 解決的辦法就是采用脈沖充電, 用反向電流短時間放電的方法消除極化, 這樣就可以保證不大量產(chǎn)生氣體, 又不發(fā)熱, 從而大大縮短充電時間。2快速充電的基本原理1967年美國人J. A. MAS 以最低析氣率為前提,找出了蓄電池能夠接受的最大充電電流

6、和可以接受的充電電流曲線, 如圖1所示, 方程見式(1 :關(guān)于快速脈沖充電技術(shù)的研究交流與探討蓄電池2004年第2期71i =I 0e-at(1 式中i 任意時刻t 時蓄電池可接受的充電電流I 0最大初始可接受充電電流a 衰減率常數(shù), 也稱充電接受比1圖1, 超過, 不僅不能提高充電速率, 而且會增加析氣, 小于此接受曲線的充電電流, 便是蓄電池具有的儲存充電電流。J. A. MAS 在實驗的基礎上提出, 蓄電池在采用任一放電電流后, 其充電接受比和放電放掉的容量的平方根成反比, 即:=K/C 其中, K 為常數(shù), C 為放電容量。可見, 隨放電深度而變, 放出電量越多, 值越大, 充電接受電

7、流也越大。MAS 還指出, 對于任何放電深度, 一個電池的充電接受比是和放電電流I d 的對數(shù)成正比, 即=K lg (KI d , 它定量地表明隨放電率的不同充電接受比的變化。因此, 蓄電池在充電過程中采取電量相對很小, 而幅度較大且時間很短的放電措施, 將恢復或提高蓄電池的充電接受率, 從而增大了充電電流, 加快了充電速率, 也就是說在快速充電中, 進行短暫的停充, 在停充中加入放電脈沖, 這就是脈沖快速充電的基本方法。3快速充電裝置的設計原則(1 應在整個充電時期內(nèi), 始終適時地采取去極化措施。蓄電池的充電電流隨時間會超過可接受電流, 故充電前期應有去極化措施。(2 去極化措施應能自動適

8、應充電時間內(nèi)的不同要求, 動態(tài)跟蹤電池的實際狀態(tài)、可接受的充電電流, 自動確定充電工藝參數(shù)。(3 充電中蓄電池電壓上升到一定程度時, 應當停止, 進行放電去極化。去極化措施應能抑制過超電勢, 使其達不到氣體析出的電勢。(4 去極化是有限度的, 端電壓降至一定值時就適時轉(zhuǎn)化再放電過程。4快速充電系統(tǒng)的實現(xiàn)根據(jù)MAS 的充電曲線, 理論上充電起始電流應盡可能大, 但實際由于蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)及充電裝置和供電系統(tǒng)的限制, ; 其次, , , 結(jié)合充程中蓄電池的內(nèi)部狀態(tài), 作為充電狀態(tài)動態(tài)變化的依據(jù)。(1 電壓與容量關(guān)系圖中C :蓄電池容量圖2如圖2所示, 為電壓與蓄電池容量關(guān)系曲線。由圖2曲線可看出

9、, 采用大充電速率時, 為使電池容量恢復到100%, 必須允許一定的過充電反應, 過充電反應發(fā)生后, 單格電池電壓迅速上升, 達到一定數(shù)值后上升速度減小, 然后緩慢下降。故在電池充足電后, 充電器應輸出恒定的浮充電壓。浮充電壓不能過高, 實踐證明, 實際浮充電壓大于規(guī)定浮充電壓5%時, 免維護蓄電池的壽命將縮短一半, 實驗數(shù)據(jù)表明, 鐵路機車用2V 閥控密封鉛酸蓄電池浮充電壓取21152122V/節(jié)較合適。交流與探討關(guān)于快速脈沖充電技術(shù)的研究72Chinese LABAT Man N o 12, 2004充電過程中的安時轉(zhuǎn)換率可近似用式(2 表示:=(U e -U -U 0 /U e C I

10、×100%(2式中轉(zhuǎn)換率U e 充電終止電壓U 當前電壓, 包括極化電壓U p 和電動勢E 兩部分C I 電流換算系數(shù), 10小時充電率時取1因此蓄電池動態(tài)容量可以由式(3 算出:C =C 0+t0i ×dt (3 式中C 0為初始荷電容量(2 電壓與環(huán)境溫度關(guān)系, , , 。由鉛酸, 溫度每升高1, 單格電池的電壓將下降4mV 。因此, 為保證在很寬的溫度范圍內(nèi)都能使電池剛好充足電, 充電器的各種轉(zhuǎn)換電壓必須隨電池電壓的溫度系數(shù)而變。實驗表明, 采用式(4 進行的溫度調(diào)節(jié)能夠滿足實際要求。U 浮=21230V +(25-T ×01003V/(4式中, U 浮設置

11、浮充電壓T 當前環(huán)境溫度系統(tǒng)根據(jù)測得參數(shù)數(shù)值, 采用閉環(huán)調(diào)控法動態(tài)跟蹤電池狀態(tài), 實時調(diào)節(jié)充電電流, 使充電電流維持在理想充電狀態(tài)。5硬件電路系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示 :圖3電路控制部分采用PIC 單片機, 可以方便的實現(xiàn)算法; 對于脈沖電路的實現(xiàn), 應用PIC 單片機的PW M 輸出功能模塊, 驅(qū)動IG BT 模塊, 可以方便的實現(xiàn)脈沖占空比的調(diào)節(jié); IG BT 電路簡單可靠, 能夠?qū)崟r對電池進行均衡充電或浮充電。采樣電路中采用高精度的基準電壓模塊, 將采集到的數(shù)據(jù)通過光電隔離轉(zhuǎn)換為所需信號, 選通開關(guān)根據(jù)需要選擇不同的參數(shù); 顯示部分為液晶和微型打印機, 將充電狀態(tài)實時顯示或打印保留。6 ,

12、 其中:圖4(1 命令狀態(tài)部分為觸摸式鍵盤操作, 包括充電模式命令、參數(shù)設置及打印命令等;(2 數(shù)據(jù)采集處理部分完成對各參數(shù)模擬量的采集處理;(3 算法處理部分對采集的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后再進行控制算法處理;(4 狀態(tài)分析調(diào)節(jié)部分根據(jù)安時累計、電池電(下轉(zhuǎn)第76頁關(guān)于快速脈沖充電技術(shù)的研究交流與探討蓄電池2004年第2期73表2二三段恒流充電實驗充電方式充電時間循環(huán)壽命015C 0105C 200701 017C 0105C 220701015C 012C 0105C 155243110C 012C 0105C140237注:1 因電池容量衰減過快停試。31112結(jié)果分析首段充電電流過大不能直

13、接提高充電速度, 而且會由于電流過大, 使電池溫度升高, 內(nèi)阻下降, 引起熱失控電流過大, 從而影響了循環(huán)壽命。是:首段充電電流取015C 最合理。31231211015C 的前提下, 從二段恒流到五段恒流充電實驗結(jié)果如表3。31212結(jié)果分析在首段充電電流取015C 的前提下, 增加充電電流段數(shù), 會得到更短的充電時間和更長的循環(huán)壽命。通過對VR LA 電池性能衰堿機理的研究表明:多段恒流充電能抑制正極板活性物質(zhì)的軟化和負極板活性物質(zhì)的硫酸鹽化, 從而延長了電池的循環(huán)壽命。從理論上看, 恒流充電分段越多, 充電效果越佳, 但考慮到充電器的體積、成本, 選用三段至五段恒流充電方式比較適宜。表3

14、二五段恒流充電實驗充電方式充電時間(min 循環(huán)壽命(Cycles 015C 0105C 200701015C 012C 0105C 155243015C 012C 011C 0105C 148258015C 013C 012C 011C 0105C142272注:1 因電池容量衰減過快停試。4結(jié)論。對分段恒流充電參數(shù)的015C , 選用三段至五段恒流充電方式充電, 能抑制正極板活性物質(zhì)的軟化和負極板活性物質(zhì)的硫酸鹽化, 達到既不過充, 也不欠充的目的, 從而得到比較理想的充電效果。參考文獻:1IKEY AT , S AW ADAE N , S AK AE T AK AGI , et al.

15、Multi -step constant -current charging method for electricvehicle , valve -regulated lead -acid batteries during night time for load -leveling J.J P ower S ources , 1998, 752劉孝偉, 周明明, 周龍瑞等. 電動自行車用鉛酸蓄電池充電器的研究J.蓄電池, 2001(2 :2729.3趙禹唐, 王希業(yè), 蓄電池充電技術(shù)J.電源技術(shù),2001(5 :37577.4王秋紅, 張捷等. 失效VR LA 電池容量恢復的研究J.電源技術(shù)

16、, 2000(4 :8486.(上接第73頁壓及其變化率和溫度等一系列計算結(jié)果判斷電池狀態(tài), 作出相應調(diào)節(jié);(5 驅(qū)動輸出部分通過單片機I/O 口驅(qū)動外部電路, 輸出相應充電電流;(6 溫度測量和控制部分完成溫度測控;(7 顯示打印部分通過I 2C 串口通信驅(qū)動液晶及微型打印機, 完成對各狀態(tài)及參數(shù)的顯示、打印等操作。7結(jié)束語實驗結(jié)果表明, 該系統(tǒng)能較好的實現(xiàn)對閥控密封蓄電池的快速充電, 其充電時間46h , 在充電過程中電池溫升較小, 充電效率較高。隨著閥控密封蓄電池的廣泛應用, 智能化的充電設備也越來越受到各用戶的關(guān)注, 在不影響電池壽命的情況下如何合理快速的完成蓄電池的充電, 隨著電力電子及微電子技術(shù)的發(fā)展也必將日趨完善。參考文獻:1M oseley P T. P ositive plate additives J.Journal of P owerS ources