锂电池充电方法分析（共7篇）
锂电池充电方法分析 篇1
0引言
锂电池作为便携式产品的主要电源已被广泛应用,为充分发挥自身的储能特性,它对配套充电设备也提出了更高的要求。因此,设计具有充电安全,满额充电,快速充电等特性的充电器成为电子设备生产的重要课题。
目前最常用的锂电池充电方法是恒流 - 恒压(CC-CV :Constant Current-Constant Voltage)充电法。这种方法的原理是在CC充电模式下,采用恒定的大电流对电池充电,此电流接近电池可承受的最大电流,电池两端电压慢慢上升,当电池两端电压达到充电限制电压后转为CV充电模式,在CV模式下恒定电压设定为电池的限制电压,保证不发生过充现象,即此时电池两端电压保持恒定,因电池内阻的缘故充电电流逐步减小,充电器检测这时的充电电流大小,当充电电流值小于0.01C(C指电池容量)时认为充电已满,终止充电。
通常一个充电器需要适用于不同容量的锂电池充电,若单纯以充电电流值来终止充电,则不同电池对应不同的电流值,无法做到自适应。
1基本设计
通过对上述技术的一个改善,我们提出了一种恒流 - 恒压 - 脉冲 (CC-CV-Pulse) 充电模式的锂电池充电方法。在CC充电模式下,同上述常规方法一样,采用恒定的大电流对电池充电,之后转为CV充电模式。在CV模式下恒定电压设定为电池的限制电压,保证不发生过充现象,即此时电池两端电压保持恒定,因电池内阻的缘故充电电流逐步减小,充电器实时检测充电电流大小。当CV阶段的充电电流减小到恒流值的一定百分比时转换为Pulse模式,即脉冲充电模式,并在脉冲中止充电期间检测电池的开路电压,判断电池是否充满,若电池充满则终止充电。
这种充电方法的优点是,通过检测电池的OCV(Open Circuit Voltage,开路电压)来判断电池满电,既能够有效避免电池过充,又不依赖于充电电流大小来结束充电,能适应不同容量的电池 ;并且在采用CV模式充电一段时间之后才开始脉冲充电,比一进入CV模式就开始脉冲充电更能有效的缩短充电时间,提高充电效率。
2详细控制技术
我们所提出的充电方法所用的基本充电电路框图如图1所示。详细充电方法和电路的工作情况是 :
当充电电源接入时,控制电路控制开关电路使充电电源与恒定电流电路连通,进入CC恒流充电阶段。此时充电电源以恒定的大电流给电池充电,电流值一般是电池容量的0.5~1倍,直至电压检测电路检测到充电时电池电压达到电池限制电压值(如4.2V)时,控制电路控制开关电路使充电电源与恒定电流电路断开继而与恒定电压电路连通,进入CV恒压充电阶段,并以恒定电压为电池限定电压值(如4.2V)给电池充电,保证不发生过充。
在CV恒压充电阶段,当电流检测电路检测到充电电流在恒压阶段下降低到恒流电流值的特定百分比时(如30%)时,通过时钟电路和控制电路控制充电电源与恒定电压电路的连通与断开,使系统进入Pulse脉冲充电阶段。此处的特定百分比一般设置为50% 以下 &10% 以上,目的是避免过早的进入脉冲充电阶段因累计的中止时间过长而降低充电效率,同时过晚的进入脉冲充电阶段导致电池很快就满电了。
在Pulse脉冲充电阶段,第一步,控制电路控制开关电路使充电电源与恒定电压电路连通给电池恒压充电,同时时钟电路开始计时,当计时时间达到预设的脉冲充电时间Ton,将时钟电路的计时清零。第二步,控制电路控制开关电路使充电电源与恒压充电电路断开从而进入脉冲中止阶段,同时使时钟电路开始计时,当计时时间达到预设的中止时间长度Toff,将时钟电路的计时清零。第三步,通过电压检测电路检测电池的开路电压是否大于等于电压预设值(如4.18V),若大于等于电压预设值,则认为电池充满电,从而终止整个充电,否则认为电池未充满,循环执行脉冲充电。其中Ton和Toff可以是相等的数值,如20秒,也可以是Toff固定为20s而Ton在脉冲充电阶段逐从10分钟渐减小到20s。理想的充电电压电流曲线如图2所示。
3 实测结果
本芯片采用Actions公司0.18μm的CMOS工艺流片,上述特定百分比取50%,Ton取130s,Toff取12s,测试结果验证了本文提出的CC-CV-Pulse充电模式的实现。充电完成后,锂电池电压为4.185V。电压电流曲线如图3。
4 结束语
该充电方法的使用,可以保证电池不过充,同时以电池开路电压作为充满电的判断标准,可大大提高电池兼容性。
蓄电池的充电工艺规范与充电方法 篇2
1.初充电
新普通蓄电池或修复后的蓄电池 (更换极板) 在使用之前的首次充电为初充电。初充电的目的在于消涂蓄电池在库存期间极板表面产生的轻微硫化, 使活性物质得到更好的恢复, 以保证蓄电池的容量。初充电步骤如下:
(1) 检查蓄电池外壳有无破裂, 拧下加液口盖的螺塞, 检查通气孔是否畅通。
(2) 根据不同季节和气温选择电解液密度, 将适当密度, 温度低于30 ℃的电解液从加液孔处缓缓加入蓄电池内, 液面要高出极板上沿10～15 mm。
(3) 蓄电池加入电解液后, 静止3～6 h, 让电解液充分浸渍极板。此时由于电解液充分渗透到极板内部, 容器里的电解液减少, 液面下降, 应再加入电解液把液面调整到规定值。待蓄电池内温度低于30°时, 将充电机与蓄电池相连, 准备充电。
(4) 初充电按充电规范进行, 因为新蓄电池在储存中可能有一部分极板硫化, 充电时容易过热, 所以初充电的电流选用的较小, 充电分两个阶段进行。第一阶段的充电电流约为蓄电池额定容量的1/5, 充电至电解液中有气泡析出, 蓄电池单格端电压达到2.4 V。第二阶段充电电流约为蓄电池额定容量的1/30。
(5) 在充电过程中, 应经常测量单格电池的端电压和电解液密度, 当电压达到2.4 V时, 应及时转入第二阶段充电, 直到电压和电解液密度在2～3 h内不再变化, 并有大量气泡放出为止。初充电的充电时间约为45～65 h。
2.补充充电
补充充电即使用中蓄电池的充电。当蓄电池在使用中出现起动无力, 前照灯暗淡, 或电解液密度下降到1.20 g/m3以下, 以及冬季放电超过25%和夏季放电超过50%时, 就要及时进行补充充电。
补充充电的工艺与初充电基本相同, 其不同点是:充电前不需加注电解液, 当液面过低时, 一般需补充蒸馏水。另外, 充电电流的选择是:第一阶段为蓄电池额定容量数值的1/10, 第二阶段是第一阶段的一半, 为额定容量数值的1/20, 补充充电时间约13～16 h。
对于干荷蓄电池, 由于极板处于干燥的已充电状态, 所以使用时, 只需加满电解液后, 静放20～30 min即可装车使用, 减少了初充电工序, 提高了使用方便性。但是对于已超过有效储存期的干荷蓄电池, 由于极板部分氧化, 因此在使用前应补充充电5～10 h后再用。
3.去硫化充电
蓄电池发生硫化现象后, 内阻将显著增大, 充电时温升也较快。硫化严重的蓄电池就只能报废, 硫化程度较轻的可以用去硫充电法加以消除。具体操作如下:
(1) 首先倒出原有的电解液, 并用蒸馏水清洗两次, 然后再加入足够的蒸馏水。
(2) 接通充电电路, 将电流调到初充电的第二阶段电流值进行充电, 当密度上升到1.15时倒出电解液, 换加蒸馏水再进行充电, 直到电解液密度不再增加为止。
(3) 以10 h放电率放电, 当单格电压下降到1.7 V时, 再以补充充电的电流进行充电、再放电, 再充电, 直到容量达到额定值80%以上, 即可使用。
4.循环锻炼充电
循环锻炼充电是为了使极板的活性物质得以充分利用, 保证蓄电池容量不下降的一种方法, 在蓄电池正常补充充电 (或间歇充电) 之后, 用20 h放电率进行放电, 然后再实施正常补充充电。一般要求循环锻炼后的蓄电池容量应达到额定容量的90%以上, 否则应进行多次充放电循环。
5.间歇过充电
蓄电池充电终了后, 继续充电是有害的, 但考虑到蓄电池在机械上经常处于充电不足或部分放电状况, 可能产生硫化现象, 因此每隔一定时间, 在完成补充充电的基础上, 应进行一次预防硫化的过充电, 即有意识地把充电时间延长, 让蓄电池充电更彻底些, 以消除可能产生的轻微硫化。具体做法如下:
蓄电池充电方法的研究 篇3
经过多年的考察发现, 电池充电过程对电池寿命影响很大, 放电的过程影响却很小。也就是说, 绝大多数的蓄电池不是用坏的, 而是“充坏”的。由此可见, 研究充电的过程对蓄电池的使用寿命很有意义。
1 蓄电池充电原理
充电过程以最低出气率为前提的, 蓄电池有可接受的充电曲线。实验表明, 如果充电电流按这条曲线变化, 既可以大大缩短充电时间, 对电池的容量和寿命也没有影响。原则上把这条曲线称为最佳充电曲线, 初始充电电流很大, 但是衰减很快, 主要原因是充电过程中产生了极化现象。在密封式蓄电池充电过程中, 内部产生氧气和氢气, 当氧气不能被及时吸收时, 便堆积在正极板 (正极板产生氧气) , 使电池内部阻力加大, 电池温度上升, 相当缩小了正极板的面积, 表现为内阻上升, 这就是所谓的极化现象。
蓄电池其放电及充电的化学反应式如下:
充电反应:充电就是电解。是从外部通入电流在电极极板的活性物质上引起氧化还原反应。
负极发生还原反应:PbSO4+2e→Pb+SO2-4…… (1)
正极发生氧化反应:PbSO4-2e+2H2O→PbO2+4H++SO2-4…… (2)
总反应:2PbSO5+2H2O→Pb+PbO2+2H2SO4…… (3)
在充电末期发生:
负极:2H++2e→H2↑…… (4)
正极:…… (5)
总反应:…… (6)
最后是负极上绒状铅最多硫酸铅最少;正极上二氧化铅最多, 硫酸铅最少。
由于 (2) 和 (6) 水消耗了, 反应 (1) 和 (2) 又生成了硫酸, 所以铅蓄电池中电解液比重上升, 必要时要加水调整电解液比重。
放电反应:
负极发生氧化反应:Pb+SO2-4-2e→PbSO4…… (7)
正极发生还原反应:PbO2+6H++SO2-4+2e→PbSO4+2H2O…… (8)
总反应:PbO2+Pb+2H2SO4→2PbSO5+2H2O…… (9)
由于 (7) 和 (8) 硫酸消耗了, 由 (8) 又生成了水, 所以铅蓄电池中电解液比重下降。
充电过程和放电过程互为逆反应。可逆过程就是热力学的平衡过程, 为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电, 必须尽量使通过电池的电流小一些。理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。但是, 实践表明, 蓄电池充电时, 外加电压必须增大到一定数值才行, 而这个数值又因为电极材料, 溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。从化学反应角度看, 这种电动势超过热力学平衡值的现象也就是上述的极化现象。
一般产生极化现象来自3个方面。
1) 外加电源的正负极形成的电场使得正负离子向两极迁移。在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力, 称为欧姆内阻。为了克服这个内阻, 外加电压就必须额外施加一定的电压, 以克服这种阻力推动离子迁移。该多余的能量以热的方式转化给环境, 出现所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大, 欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。
2) 极化电流流过蓄电池时, 为保持正常的反应, 最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充, 生成物能及时离去。实际上, 生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度, 从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就是说, 从电极表面到中部溶液, 电解液浓度分布不均匀。这种现象称为浓度极化。
3) 电化学极化是由于电极上进行的电化学反应的速度, 落后于电极上电子运动的速度造成的。例如:电池的负极充电前, 电极表面带有一定数量的负电荷, 其附近溶液带有正电荷, 两者处于平衡状态。充电时, 外电路立即有电子释加给负极板。电极表面负电荷增多, 而金属还原过程反应进行缓慢Me-eMe+, 不能及时释放电极表面电子的增多, 电极所带负电荷与附近溶液正电荷状态平衡发生变化。这种电极负电荷增多的状态促进电子进入到金属, 使附近溶液中的金属离子Me+离开溶液, 加速Me-eMe+还原反应的进行。总有一个时刻, 达到新的动态平衡。但与充电前相比, 电极表面所带负电荷数目增多了, 与此对应的电极电势变负。也就是电化学极化电压变高, 从而严重阻碍了正常的充电电流。同理, 电池正极充电时, 电极表面所带正电荷数目增多, 电极电势变正。
这3种极化是从不同的角度来观察蓄电池充电过程的现象, 都会随着充电电流的增大而加剧。
2 充电方法的研究
2.1 常规充电法
常规充电制度是依据“安培小时规则”:充电电流安培数, 不应超过蓄电池待充电的安时数。实际上, 常规充电的速度受蓄电池充电中的温度和气体的产生所限。这方面的研究对蓄电池用最短时间充电的有着重要意义。
一般常规充电有以下3种。
2.1.1 恒流充电法
恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法, 保持充电电流强度不变的充电方法, 这种控制方法简单。缺点是, 由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的, 到充电后期, 充电电流多用于电解水, 产生气体, 使出气过多, 不仅充电效率低, 需要经常对蓄电池维护———加蒸馏水。因此, 常选用阶段充电法。
2.1.2 阶段充电法 (二阶段充电法和三阶段充电法)
1) 二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法。首先, 以恒电流充电至预定的电压值, 然后, 改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。
2) 三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电, 中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时, 由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少, 但可作为一种快速充电方法使用, 实际受到一定的限制。
2.1.3 恒压充电法
充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值, 随着蓄电池端电压的逐渐升高, 电流逐渐减少。与恒流充电法相比, 其充电过程更接近于最佳充电曲线。由于充电初期蓄电池电动势较低, 充电电流很大, 随着充电的进行, 电流将逐渐减少, 因此, 控制系统简单。这种充电方法电解水很少, 避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大, 对蓄电池寿命造成很大影响, 且容易使蓄电池极板弯曲, 造成电池报废。鉴于这种缺点, 恒压充电很少使用, 只有在充电电源电压低而电流大时采用。例如, 汽车运行过程中, 蓄电池就是以恒压充电法充电的。
2.2 快速充电技术
为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度, 缩短蓄电池达到满充状态的时间, 同时, 保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻, 提高蓄电池使用效率。快速充电技术近年来得到了迅速发展。下面介绍目前比较流行的几种快速充电方法。这些方法都是围绕着最佳充电曲线进行设计的, 目的就是使其充电曲线尽可能地逼进最佳充电曲线。
2.2.1 脉冲式充电法
这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率, 而且能够提高蓄电池充电接受率, 从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制, 这也是蓄电池充电理论的新发展。脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电, 然后让电池停充一段时间, 如此循环。充电脉冲使蓄电池充满电量, 而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉, 使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除, 从而减轻了蓄电池的内压, 使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行, 使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间, 减少了析气量, 提高了蓄电池的充电电流接受率。
2.2.2 ReflexTM快速充电法
这种技术是美国的一项专利技术, 它主要面对的充电对象是镍镉电池。由于它采用了新型的充电方法, 解决了镍镉电池的记忆效应, 因此, 大大降低了蓄电池的快速充电的时间。铅酸蓄电池的充电方法和对充电状态的检测方法与镍镉电池有很大的不同, 但它们之间可以相互借鉴。
ReflexTM充电法的一个工作周期包括正向充电脉冲, 反向瞬间放电脉冲, 停充维持3个阶段。
2.2.3 变电流间歇充电法
这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上。其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法, 保证加大充电电流, 获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段, 获得过充电量, 将电池恢复至完全充电态。通过间歇停充, 使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉, 使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除, 从而减轻了蓄电池的内压, 使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行, 使蓄电池可以吸收更多的电量。
2.2.4 变电压间歇充电法
在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法。与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流, 而是间歇恒压。
可以看出, 更加符合最佳充电的充电曲线。在每个恒电压充电阶段, 由于是恒压充电, 充电电流自然按照指数规律下降, 符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。
2.2.5 变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法
综合脉冲充电法、ReflexTM快速充电法、变电流间歇充电法及变电压间歇充电法的优点, 变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法得到发展应用。脉冲充电法充电电路的控制一般有两种:
1) 脉冲电流的幅值可变, 而PWM (驱动充放电开关管) 信号的频率是固定的;2) 脉冲电流幅值固定不变, PWM信号的频率可调。
再就是采用的一种不同于这两者的控制模式, 脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定, PWM占空比可调, 在此基础上加入间歇停充阶段, 能够在较短的时间内充进更多的电量, 提高蓄电池的充电接受能力。
摘要：铝酸蓄电池从发明至今已有一百五十一年的历史了, 其优点有限多, 极大限度地满足方便了人们的生活, 但是在使用中, 若充电方法不当, 会大大缩短其寿命, 那么如何正确充电延长电池寿命是我们丞待解决的问题。
锂电池充电方法分析 篇4
小型UPS广泛用于个人电脑或商用电脑(如超市收银电脑、网络服务器等)及资讯类产品,以保障计算机系统在停电之后继续工作一段时间,从而使用户有足够的时间应对突发的断电事故。作为保护性的电源设备,蓄电池的性能直接影响着UPS的工作性能和寿命。目前UPS对蓄电池的充放电管理模式虽有所改进和发展,但仍然停留在对蓄电池组整体进行充电,如图1所示。
目前这种UPS的充电管理模式,由于蓄电池单体之间的特性(如内阻、容量、化学特性等)存在着一定的差异,在进行多次充放电之后,蓄电池组各单体之间的端电压会产生不一致的现象,还会存在某些电池单体发生过充、欠充和过放的现象。这种充电模式只能保证在整个充电过程中整组蓄电池的总电压以及电流值不高于产生过充电的最高值。过充电会增大壳体内压,引起蓄电池正极析氧,并易使活性物质脱落。如果长期过充电,电解液中的水损耗加剧,正极因析氧而被腐蚀,蓄电池有干涸的危险;易使蓄电池荷电不足,严重影响蓄电池的容量,也会导致电池损坏。而过放电,会使极板表面生成难以恢复的PbSO4结晶大颗粒,进而造成极板硫酸化,大大降低极板活性物质的孔率。这些现象会使蓄电池性能下降,进而导致整组蓄电池的性能下降,影响UPS的正常工作性能,不能很好保障不间断电源处于良好的运行状态,并严重降低UPS的寿命[1]。以性价比较高、市场占有率最高的SANTAK-K500VA UPS为例,其主要性能参数为:
(1)输入:额定容量,500VA/300W;输入范围,(165～265VAC)±7VAC;频率,50Hz。
(2)输出:电压范围,220×(1±10%)VAC(电池模式);频率,50Hz±10%(电池模式);转换时间,<10ms。
(3)电池:类型,12V/7Ah;典型充电时间,10～16h;电池保护,自动检测及放电保护;备用时间3～10min;工作寿命5万h。
经调查,UPS蓄电池的实际工作寿命仅为1.5万～2万h,远远低于其理论工作寿命,使蓄电池更换频率太高,造成资金的浪费。另外,蓄电池含有大量的铅等重金属,使用寿命越短,报废量越大,对自然环境造成的污染越严重。
1 蓄电池分只同时均充管理方法
针对以上情况,提出一种蓄电池分只同时均充模式,即对单只蓄电池进行单独监测、充电,能够保证每一只蓄电池都充满,从而保障蓄电池的使用性能,延长其使用寿命[2]。
该模式是由主充单元模块和为各单只蓄电池设计的均充单元模块(包括监测和充电两部分)组成。均充单元模块能够实时监测各单只蓄电池充电过程中的端电压,并根据这些数据对主充和均充进行切换[3]。分只同时均充管理模式的工作原理(如图2所示)及过程:
(1)蓄电池组每个单体电池上都设有电压检测装置,即电压比较电路(芯片),刚开始充电时,主充和均充同时进行。
(2)当检测到某一电池单体的端电压达到预设参数值时,便切断此单体的均充电路以及主充电路,端电压未达到预设参数值的电池单体则将继续被充电。
(3)充电过程中自始至终对电池单体端电压进行实时检测,只要某电池单体端电压达到预设参数值,则停止对此电池单体充电,直至所有电池单体的端电压均达到预设参数值为止。
2 系统设计
基于蓄电池组分只同时均充管理方法,对UPS的内部电路进行改进,同时均充电路原理如图3所示。
2.1 主充单元模块
主充单元模块的电路原理见图4。主充模块对整组蓄电池进行充电,是为了满足UPS蓄电池的快速充电要求,并为均充电路提供直流电源。其工作原理:通过变压器对220V的交流电进行降压,再通过桥式整流器整流,转变成直流电,滤波后再经过L7912CV稳压芯片进一步稳定电压,利用并联的1000μF电解电容补偿动态性能,利用0.1μF的陶瓷电容进行高频去耦,利用两个IN4004二极管串联到L7912CV稳压芯片的接地端,将输出电压抬升至13.5V供主充电压。
2.2 均充单元模块
均充模块采用开关电源芯片L4960,通过与负电压芯片7905配合来调节输出浮充电压到2.25V,另外还包括LM393型双电压比较器、DZ-160三触点型中间继电器等。其主要功能:对对应的单只蓄电池进行充电;对每一单只蓄电池的端电压进行实时监测,当发现蓄电池组中某一单只蓄电池的端电压达到充电阈值电压时,即停止主充及对该只蓄电池的充电,而对其余尚未达到充电阈值电压的单只蓄电池的均充电继续进行,直至每一单只蓄电池都充满为止。
2.2.1 均匀充电
均充单元模块的电路原理见图5。开关电源芯片L4960的输出电压范围为5.1～40V,选用2.25V作为对各单只蓄电池的充电电压。并联一个7905芯片,提供-5V的电压,接到开关电源芯片L4960的4引脚上,就可以实现L4960芯片的输出电压在0～35V连续调节。
2.2.2 蓄电池组的分只监测与控制
LM393型双电压比较器,DZ-160型三触点型中间继电器主要用来完成蓄电池主充、均充状态控制。其分只监测与控制流程见图6。
3 蓄电池输出设计
传统蓄电池组充电方式是对蓄电池组整体进行充电,蓄电池只需首尾引出正负极接线桩头即可。而分只同时均充是对每一个电池单体进行独立充电管理,因此需要对原有的蓄电池结构进行改造。在原有的蓄电池基础上为每一电池单体增加一对输出桩头(正负极),为了方便充电,将每个单体电池的输出桩头分别引出并接到标准VGA式USB接口处,如图7所示。
4 结语
U PS蓄电池分只同时均充电路可以在根本上保证蓄电池单体容量和端电压的一致性,提高了UPS的工作性能和寿命。这种分只同时充电模式可以广泛应用于用12V蓄电池组作为直流电源的所有系统。
参考文献
[1]邱望标,黄克.基于模糊控制的电动汽车蓄电池组管理系统[J].机械与电子,1996,1
[2]邱望标,徐苏恒,李茜.移动通讯基站蓄电池组管理系统的远程控制模块设计[J].贵州大学学报(自然科学版),2009,(04):78-81
锂电池充电方法分析 篇5
关键词：阀控式密封铅酸蓄电池,充电终止控制,改进综合法
0 引言
蓄电池由于价格低廉,原材料丰富且易加工等特点,在各个行业得到了广泛的应用。但蓄电池在充电中,电池的温度和内部压力都会随着充电过程而增加,当蓄电池充电完全后,电池的温度和内压会迅速增加,同时电池两端的端电压开始减小,如果此时还继续充电,温度的升高会加速蓄电池板栅腐蚀速度和电解液的分解,不仅缩短了电池寿命,使其容量下降,甚至会引起蓄电池的爆炸。因此,为了保证蓄电池充电完全且不会过充电,则必须采取一种可靠的充电终止判断方法。
1 常用充电终止控制方法
目前VRLA电池常用的充电终止判断控制方法有定时控制法、电池温度控制和电池电压控制等。
1.1 定时控制法
定时控制方法通常是用于恒流充电模式下,当采用恒流充电法时。已知蓄电池的容量和充电电流的大小,这样就可以很容易地得出所需的充电时间。在充电过程时,定时器发出信号,使充电器停止充电或将电流降至浮充维护充电电流。这样可以避免电池长时间大电流过充。
这种控制方法优点是控制简单,但其缺点是方法单一,又因为电池本身有温度之类影响,实际的充电时间是很难确定的,该方法充电时间是固定的,不能根据蓄电池充电状态进行自动调整,结果仍然会导致蓄电池欠充或过充。此法的准确性比较低。
1.2 电池温度控制法
电池充电时,由于化学反应放出热量,电路产生的热量等原因会使电池温度升高,电池充足电时,充入的电量都消耗在电池中,电池的温度上升很快。蓄电池充电时的温度特性如图1所示。
为防止温度升高对蓄电池的损坏,蓄电池温度上升到规定温度时,必须立即停止充电。常用的温度控制方法有:
最高温度(Tmax)控制法:充电过程中,通常当蓄电池温度达到45℃时,即停止快速充电,否则会损害蓄电池。
温度变化率(ΔT/Δt)控制法:根据图可以观察到,当未充足电时,温度基本保持不变,当VRLA蓄电池充足电后,电池温度迅速上升,当每分钟上升1℃时,应当立即终止充电。
温度控制法的优点在于减小了蓄电池因为温度而产生的损坏,但其缺点是由于VRLA是密闭空间,不能很好地用温度传感器测量,温度传感器放置外部时,由于环境温度的影响及充电制度、测温器件输出信号线性度和测量精度、实测温度的时间滞后性等方面的影响,并不能测出准确温度值,还是易导致充电不足或过充。因此定时控制方法和温度控制方法一般作为充电终止的辅助控制方法,配合其他的方法,避免损坏电池。
1.3 电池电压控制
在电压控制方法中,电池在最高电压时最容易检测出来。VRLA蓄电池充电时,其端电压会不断变化,VRLA蓄电池属于铅酸蓄电池,所以它们的端电压变化曲线相似,图2为铅酸蓄电池充电过程中端电压变化曲线。
常用的电压控制方法有:
(1)最高电压(Vmax)控制法。从图2,即蓄电池充电时的电压特性可知,对电池进行充电时,电池电压会升高,当电池电压达到最大值的时候,电池充满电。当电池充电时,电池电压达到规定值时,应立即停止充电。这种方法的缺点是,蓄电池的最高电压不能确定,最高电压会随着环境温度、充电速率而改变,因此此方法不可能非常准确地判断蓄电池是否已经充足电。
(2)电压负增长(-ΔV)控制法。因为电池电压的负增长与电池组的绝对电压无关,并且不受环境温度和充电速率等影响,所以可以比较准确地判断电池已充满电。此方法的缺点是电压的负增长基本上都发生在充满电以后,也就是过充的情况下,这样电池过充,易对电池造成损坏,所以,这种方法最好与其他控制方法配合应用。
(3)电压零增长(0ΔV)控制法:在VRLA蓄电池充电过程中,为了避免电压负增长控制法中因为等待负增长而产生过充对电池的损害,通常采用电压零增长控制法。此方法的缺点是在没有充足电之前,电池电压在一段时间会变化很小,如果此时被误认为零增长而停止充电,则会造成误操作。目前,大多数VRLA蓄电池快速充电器采用高灵敏的(0ΔV)检测,当电池电压略有降低时,就立即停止充电。
2 改进综合法
从蓄电池充电特性可知,电池两端电压变化曲线达到最大时,为电池充足电的显著标志。综上可知,电压零增长(0ΔV)控制方法最易控制,且受外界因素干扰最小,相对其他控制方法更安全、更合理,但其误操作对电池造成损害的缺点仍然不能忽视,为了克服此缺点,可以通过微量压降来代替零电压降,再以定时控制法和温度控制法加以辅助。
不同的充电方法,不同的充电电流,温度不同都会产生不同的VRLA蓄电池端电压的变化曲线。如图3为VRLA蓄电池恒流充电时端电压的变化曲线;图4为不同充电电流时蓄电池端电压在充电时的变化曲线;图5为不同温度时蓄电池端电压在充电时的变化曲线。
从图4和图5中可见蓄电池充电时端电压走向基本一致。当以恒流充电时,以蓄电池单格电压变化曲线为例,如图3中所示,在电池充电过程中,刚开始充电时a-b段的电压变化很低,这段易在电压零增长(0ΔV)控制法中导致误操作,所以为了提高抗干扰能力,使a-b段不干扰到微量压降法,在a-b段不采用微量压降法,又由于VRLA是全密封的,温度检测误差太大,需结合其他的方法,所以用电压的其他控制法和时间控制法相结合,辅助电压微量压降法来对VRLA充电的终止进行判断。
先检测ΔV,大约估算充电过程中过a-b段的时间t0。其中t0采用电压法估算,以VRLA蓄电池恒流充电时端电压的变化曲线为例,从图3可见,此时b点的值约为2.3V,所以取当电压到达2.3V所用的时间t0,当充电时间大于预定时间t0时,开始采用微量压降代替零增长法,预先设定一微量压降值ΔV0(ΔV0≈0且ΔV0≠0),用随时监测的ΔV与预定的ΔV0值进行比较,小于或等于ΔV0时,说明充电满,立即停止充电。在此还需考虑蓄电池的温度,在充电过程中,通常当蓄电池温度到达45℃时,应立即停止快速充电,否则会损害蓄电池。图6为改进综合法的控制系统流程图
3 结论
对于VRLA蓄电池而言,合适的充电终止控制方法可以有效地防止蓄电池因过充或欠充导致的电池损害,可以延长电池寿命。
本文在探讨VRLA蓄电池充电终止控制方法的优缺点的基础上,提出了改进综合法。此方法尽量降低了外界因素对充电控制的影响,有效地提高了可靠性。
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车用蓄电池快速充电技术分析 篇6
电无空气污染, 这是众所周知的事情。用电能驱动的汽车, 无任何尾气排放, 这是我国汽车产业的发展目标。然而, 电能有多种载体和存在形态 (电能以化学能形态储存, 就是蓄电池, 该电能输入电动机驱动汽车行驶, 就是蓄电池汽车;以有线电力直接输入电动机驱动汽车行驶, 就是有线电力汽车;还有氢燃料电池汽车、超级电容汽车、太阳能电池汽车等多种汽车) , 到底选择哪种电能驱动汽车才能够最经济和实用?这是需要认真研究的问题。只有最经济和实用的电能驱动的汽车, 消费者才能够踊跃购买, 这种汽车产业才能够发展, 否则一事无成。
1 汽车蓄电池的发展方向
1.1 纯蓄电池驱动汽车行驶的优点
蓄电池驱动的轿车就是用所携带蓄电池中的电能代替燃油 (气) 汽车携带汽 (柴) 油燃烧的热能。使用纯蓄电池驱动轿车的最大好处是无空气污染, 并且机动行驶能力与燃油 (气) 轿车是一样的。
如果纯蓄电池驱动的轿车在续驶里程 (充满一次电或加满一次油能够行驶的最大里程叫一个续驶里程) 、充电时间、动力性能、百公里费用、年折旧费用、购车价格上与燃油 (气) 轿车基本相同的话, 消费者就能够愿意购买这种纯蓄电池轿车, 用来代替燃油 (气) 轿车, 从而达到使用无空气污染轿车的目的。这是最理想的要求, 也是我国乃至全世界科技工作者的奋斗目标。然而, 实际情况与理想还有很大的差距。
1.2 消费者对当前国产电动汽车的态度
当前, 消费者对我国生产的纯蓄电池驱动的轿车多持不满意的态度。所谓不满意之处, 也就是当前生产的纯蓄电池轿车的缺点。
总体来说, 广大消费者对我国当前生产的纯蓄电池驱动的轿车是不满意的, 具体表现在:当前国家大力提倡使用纯蓄电池轿车, 并且采用价格补贴、减免购置税、设立配套充电站、对购置燃油 (气) 轿车者按排量征收环保税费、规定行政事业单位购轿车必须购买一定比例的纯蓄电池轿车等多种措施。即使这样, 购买纯蓄电池轿车的数量与购买燃油 (气) 轿车的数量相比, 仍然占很小的比例, 没有达到预计的目标 (以携带燃油 (气) 发动机为增程手段的新能源汽车不包括在内) 。
那么, 采取这么多的鼓励措施消费者仍然不愿意买纯蓄电池轿车的原因是什么呢?经调查, 原因不在于车本身的质量、不在于电费高 (蓄电池轿车百公里耗电10度, 电费是燃油 (气) 轿车油费的1/9左右) 、也不全在于消费者没有环保意识, 而在于驱动轿车的蓄电池性能让消费者不满意, 具体表现如下。
(1) 蓄电池电能储存量少
下面以与燃油 (气) 轿车满油箱汽 (柴) 油重量相等的蓄电池相比较。
当前驱动轿车的铅酸蓄电池价格最低, 其轿车价格也最低, 但跑完燃油 (气) 轿车的一个续驶里程要充5次电 (铅酸蓄电池轿车的一个续驶里程是50~120 km) 。锂电池等新材料电池储存电量多一些, 但也只达到燃油 (气) 轿车一个续驶里程的1/3左右, 即燃油 (气) 轿车每加一次油, 则锂电池轿车要充3次电 (锂电池轿车的一个续驶里程是130~250 km) 。
(2) 蓄电池充电时间长
当前生产的驱动轿车用蓄电池 (也叫动力电池) , 无论铅酸蓄电池还是锂电池等新材料电池, 充满电时间都在3~8 h之间, 即快充满电需要3h, 慢充满电需要8 h。少于3 h的快充电对电池损害极大, 不能采用。假设蓄电池轿车按平均80 km/h速度行驶, 按以上数据计算, 铅酸蓄电池轿车每跑1~2 h要充3~8 h电;锂电池轿车每跑2~3 h要充3~8 h电。这样慢的充电速度, 对于需要跑长途的消费者来说, 是不能接受的。
如果在蓄电池轿车上加装燃油 (气) 发动机做为增程手段 (当前此类车比较多) , 就又回到了污染空气的老路上, 是最不科学最不合理的, 从长远看应该废止。即使当前有很大一部分消费者购买此类汽车也应该废止。
即使用增加蓄电池重量的方法也行不通。若用此法达到燃油 (气) 轿车的续驶里程, 就不能坐人了, 就失去了轿车的作用。另外, 这样做在经济上也行不通。
如果用增设更换动力电池 (用无电的电池换充满电的电池, 交一定的费用) 服务站的方法增程也行不通。这样做一则需要服务人员多、装卸机械多, 工作量太大;二则动力电池品种、型号太多, 每天的用量也不均衡, 服务站很难备齐;三则新旧好坏不等, 很难做到双方都满意。总之, 此方法很难服务到位, 很难让消费者满意。
(3) 蓄电池使用寿命短
当前生产的动力电池, 不论普通电池还是锂电池等新材料电池, 最长的使用寿命是4年。当前一个续驶里程在200~250 km的蓄电池轿车, 其蓄电池价格在6万元左右。照此计算, 每年蓄电池的折旧损耗在1.5万元以上。也就是说, 消费者每年用蓄电池轿车节省的行驶费用 (燃油轿车的油费减去蓄电池轿车的电费之差, 就是节省的行驶费用) , 需要减去约1.5万元的蓄电池折旧损耗, 才是纯节省的行驶费用。这也影响到消费者购买使用纯蓄电池轿车的信心。
(4) 电量剩1/4时, 车速太慢无法行驶
动力电池的电量所剩不到一半时, 车速会随着电量的逐渐减少而逐渐降低直到停车。当车速低于15 km/h以下时, 因车速太慢消费者一般不使用。因此, 消费者应用的续驶里程是出厂标注的3/4左右。
动力电池以上这4种缺点, 是制约蓄电池轿车业发展的技术瓶颈问题, 此问题是世界性的难题。而前3种难题是最主要的。就因为这3种难题没有解决, 才使得消费者对购买和使用纯蓄电池驱动的轿车热情不高, 国家即使采用了多种优惠政策, 其收效也不太明显。
那么, 动力电池的技术瓶颈问题就不能打破吗?就不能有一个技术的飞跃吗?现在, 对于动力电池充电时间长和使用寿命短的问题, 在技术上应该得到了突破, 至少看到了成功的希望。
1.3 电池充电时间长、使用寿命短的问题有望得到解决
据2014年10月14日人民日报报道, 新型电池充满电仅需5分钟。
据该报报道:新加坡南洋理工大学研究人员表示, 他们经过三年努力, 成功研制出一种超快速充电电池, 两分钟即可充电70%, 充满电仅需5分钟, 并且电池寿命长达20年。现在的电池一般可充电500次, 按每天充电一次计算, 大约为两年使用寿命。而新型电池可充电1万次, 按每天充电一次的假设, 其寿命至少20年。
据介绍, 传统锂电池的电极使用石墨, 而该新型电池使用二氧化钛的新型凝胶材料来代替, 并且使用新技术使材料形成微小纳米管, 加快电池中的化学反应速度, 令电池可以极快速充电。
虽然上述报道内容没有提到已经研制成功的极快速充电电池是否可以直接用于驱动汽车, 但是, 蓄电池充电慢和使用寿命短的原理问题已经得到解决。我国完全可以通过引进或自主研发, 在这个基础之上, 通过我国广大科技工作者的不懈努力, 应该能够研制出极快速充电和使用寿命长的动力电池, 用来驱动汽车行驶。
作者认为, 如果驱动汽车的蓄电池充满电时间能够缩短到10~15 min, 即使动力电池存电量少这个技术瓶颈问题没有解决, 消费者也能够接受这种纯蓄电池轿车。也就是说, 普通蓄电池驱动的轿车每跑50~120 km (1~2 h) 需要停车充电10~15min;锂电池驱动的轿车每跑130~250 km (2~3h) 需要停车充电10~15 min, 那么, 就可以解决消费者停车充电等待时间过长的问题。同时, 动力电池的使用寿命能够加长的话, 再加上国家对购买蓄电池轿车的一系列优惠政策扶持, 按现在的电价不变, 那么, 消费者购买使用纯蓄电池轿车的积极性就必然极大提高, 纯蓄电池轿车的销售量就必然大幅度上升, 就能够基本上达到用节能环保的纯蓄电池轿车代替燃油 (气) 轿车的目的。
2 目前实用的三种车型
作者在《交通节能与环保》2014年第5期 (总第43期) 题目为《关于我国发展电力汽车产业及其配套公路的设想》论文中, 设想了“蓄电池有线电力两用轿车 (简称A型车) ”、“蓄电池超级电容两用轿 (客) 车 (简称B型车”和“燃油 (气) 有线电力两用大型货车 (简称C型车) 这三种车型, 并且分析了各自的优缺点, 主张在动力电池的技术瓶颈问题没有打破之前, 为解决燃油 (气) 汽车的尾气排放问题和减少燃油 (气) 消耗量, 应该根据实际情况, 试用这三种车型。
A型车是蓄电池与有线电力两套动力系统, 跑短途用蓄电池驱动, 跑长途进入有线电力车站后在其公路上用有线电力驱动, 相当于现在的“无轨电车”。该车优点是蓄电池轿车用有线电力增程, 纯电驱动, 无空气污染, 无限续驶里程;缺点是有线电力公路建设费较高。
B型车是蓄电池与超级电容两套动力系统, 其特点是两套动力系统可以根据充电站情况任意选择使用。利用超级电容充电快 (充满电仅0.5~1 min) 的特点, 即充即走。超级电容的优点是充电快, 动力强劲, 纯电驱动, 无空气污染, 有机动行驶能力;缺点是续驶里程短 (3~5 km) , 因此停车充电频繁。
C型车是用现在的燃油 (气) 大型货车加装有线电力驱动系统增程, 优点是跑长途纯电驱动, 无空气污染, 无限续驶里程。该型车虽然也用燃油 (气) , 但由于大型货车所跑路程主要是长途, 用有线电力系统跑长途, 就可以大量节省燃油 (气) 消耗, 解能减排效果相当显著;缺点也是建设费较高。
综上所述, A型车和B型车都是纯电驱动, 动力强劲, 无技术瓶颈问题, 只是机动行驶能力都不如单纯蓄电池驱动的汽车。如果蓄电池汽车的充电时间能够缩短到10~15 min, 动力电池使用寿命能够加长, 消费者能够普遍接受蓄电池汽车时, 还是发展蓄电池汽车为第一选择。如果解决动力电池的技术瓶颈问题遥遥无期, 为解决我国燃油 (气) 汽车的空气污染问题, 应该优先考虑选择A型车和B型车。
由于大型货车需要的驱动力很大, 在动力电池存电量少这个技术瓶颈问题没有解决之前, 不论其它技术瓶颈问题是否解决, 都不能用蓄电池驱动行驶, 而只能用有线电力和燃油 (气) 系统驱动, 所以, 要想解决燃油 (气) 大型货车的空气污染问题 (同时为大量节省燃油资源) , 现在就应该考虑应用C型车。
3 结语
多年来, 我国科技工作者一直在研究动力电池, 力求打破动力电池的技术瓶颈问题。当前, 在外国科技工作者对于电池充电慢和使用寿命短这两个技术瓶颈问题已经打破的情况下, 我们认为, 希望国家增加这方面的研究经费, 引进这项新技术成果, 加强这方面的技术力量, 在此基础上, 进行技术攻关, 尽快研制出极快速充电和使用寿命长的动力电池, 装备我国的汽车业 (首先应该是用于驱动轿车和客车) 。作者认为, 只要动力电池充电慢和使用寿命短这两个技术难题得到解决, 即使存电量少这个技术难题没有解决, 消费者也能够踊跃购买纯蓄电池轿车, 这就能够迎来纯蓄电池轿车产业大发展的春天, 为我国乃至世界汽车节能环保事业做出贡献。
参考文献
[1]王天乐.新型电池充满电仅需5分钟[N].人民日报国际部分, 2014, 10, 14:22版.
锂电池充电方法分析 篇7
能源是人类社会赖以生存和发展的重要基础。随着经济的快速增长, 能源需求增加, 能源供需矛盾突出。利用太阳能、风能等清洁、环保、免费的可再生能源发电, 缓解能源矛盾成为全世界研究的热门课题[1,2]。在远离电网覆盖的地区, 需要低成本、高可靠的电源系统, 风光互补独立供电系统就成为这些地区最合适的电源系统[3]。风光互补供电系统应用于通信和军用独立电源等领域需要满足大功率变换和高可靠性的要求, 这就需要采用并联冗余运行方式, 在这一系统中需要并联冗余的部分是DC-DC模块。在并联系统中如果不采取均流技术, 由于各模块特性不一致, 会导致某些模块过载, 某些模块轻载, 过载模块热应力大, 寿命下降, 降低了系统的可靠性。而采用均流技术, 可以保证各模块之间的电流应力和热应力均匀分配, 防止一个或多个模块工作在电流极限状态。所以均流技术是DC-DC模块并联冗余运行的关键技术。
目前已有多种均流方法, 典型的有阻抗法、主从均流法、自动均流法、民主均流法、强迫均流法等[4,5,6,7]。阻抗法, 通过调节各稳压电源并联模块的外特性斜率, 即调节输出阻抗使并联模块实现近似均流, 也称下垂法。该方法实现简单, 均流性能较差, 会导致电压调整率下降, 只适用于要求较低的系统。主从均流法, 首先要选择一个指定的主电源, 由它决定输出电压, 其他从电源作为压控电流源使用。如果主模块失效, 其他模块也不能工作, 因此不能用于冗余并联工作。自动均流法, 在每个电源模块中加一个特殊的均流控制器, 用以检测各并联模块电流的不均衡情况, 通过调节控制信号实现均流。此方法均流精度较高, 但硬件复杂, 瞬态性能差, 对噪声敏感。民主均流法, 在各并联模块中把输出电流最大的模块自动认定为主模块, 其余模块自动认定为从模块, 依次整定各从模块的电压差, 以校正电流的不均衡, 该方法从模块均流效果较好, 主模块会有一定误差。强迫均流法, 通过自动调整每个电源的输出电压来保持均流的方法, 该方法精度较高, 但每个模块都需监控模块, 实现复杂, 一旦监控模块失效, 将无法均流。
DC-DC变换器模块并联冗余的基本要求为:
·各模块电流应能自动平衡, 实现均流;
·为提高系统的可靠性, 应尽量不增加外部均流控制的措施;
·当输入电压和/或负载电流变化时, 应保持输出电压的稳定, 并且均流的瞬态响应要好;
·采用冗余技术, 当某个模块发生故障时, 不影响整个系统的正常工作, 系统应有足够的负载能力。
在风光互补系统中, DC-DC变换器模块用来给蓄电池充电, 根据蓄电池和系统特性, DC-DC变换器模块除满足上述基本要求外还要满足以下要求:
·满足蓄电池三段式充电要求;
·能够自适应温度变化。
因此, 现有的均流方法都无法直接应用到风光互补系统中。本文提出了一种新的智能均流方法--基于平均电流法原理实现瞬时均流, 同时满足风光互补系统蓄电池充电的特殊要求。该方法以风光互补智能控制器中的单片机为控制核心, 无需额外添加控制芯片, 硬件简单, 实时性好, 均流精度高。
1 系统结构
风光互补系统包括能量转换、存储、使用, 结构如图1所示。风力发电机的输出经过整流滤波后与太阳能板输出相同, 所以本文的仿真和实验仅针对太阳能输入。
为提高控制器的可靠性, 控制器中主要能量转换模块DC-DC变换器需要工作在并联冗余模式, 如图2所示。
每一个DC-DC模块经过一个电流检测电阻和一个二极管给蓄电池充电, 二极管起到故障隔离作用。在某一DC-DC模块出现故障时, 可直接热插拔该模块, 实现了冗余, 提高了系统可靠性。
2 系统建模
亏电的蓄电池有很高的电流接受能力, 开始充电后充电电压缓慢上升, 充电电流较大, 蓄电池电动势缓慢上升;随着充电进行, 充电电压上升到最大充电电压, 蓄电池接受电流的能力限制了充电电流, 充电电流逐渐减小。最终充电电流达到恒定值并保持不变, 此时的充电电流是副反应引起的。铅酸蓄电池充电过程可以分为两个阶段[8]:
·恒流充电阶段, 充电器充电电流保持恒定, 充入电量快速增加, 电池电压上升;
·恒压充电阶段, 充电器充电电压保持恒定, 充入电量继续增加, 电池电压缓慢上升, 充电电流下降。
单体铅酸蓄电池充电特性曲线图如图3所示。
为了维持蓄电池的满电荷状态, 抵消蓄电池的副反应, 在蓄电池充满后再加一个浮充阶段。
·浮充充电阶段, 蓄电池充满, 充电电流下降到浮充转换电流, 充电器充电电压降低到浮充电压, 充电电压保持为浮充电压。
此三段式充电曲线也适用于其他蓄电池体系。根据充电曲线得到充电过程简易数学模型:
(1) 恒流阶段:
式中, Vt为t时刻蓄电池的充电电压, It为t时刻蓄电池的充电电流。在这一阶段充电电压是以蓄电池初始电压V0为初始值逐渐上升的曲线, 利用多项式模拟这一过程, 为简化运算采用三次多项式模拟, K1、K2、K3为恒定值, 可根据充电曲线采用最小二乘拟合获得;充电电流保持为恒流充电电流;时间t由初始充电时间t0开始到恒压阶段转折时间tH结束。
(2) 恒压阶段:
在这一阶段充电电压保持为恒压;充电电流是随时间下降的曲线, 最低值为浮充电流IF, 依然用三次多项式模拟, K4、K5、K6为恒定值时间由恒压阶段转折时间tH开始到浮充阶段转折时间tF结束。
(3) 浮充阶段:
在这一阶段, 充电电压保持为浮充电压, 充电电流保持为浮充电流, 时间t由浮充阶段转折时间tF开始到下次蓄电池放电再次进入恒流阶段结束。
单个隔离式DC-DC模块输出电压:
式中, Vin为输入电压, Np为所用变压器原边匝数, Ns为所用变压器副边匝数, D为PWM信号占空比。
蓄电池为含有内阻的容性负载, DC-DC输出功率超过蓄电池接受能力时:
式中, I0为输出电流, E为蓄电池电动势, 随着充电的进行缓慢上升, R为蓄电池内阻随着充电进行而增大, Vin为输入电压, 随环境变化而变化, Np和Ns为固定值, 通过调节D可改变I0。
DC-DC输出功率较低时:
式中, P为DC-DC输入功率, 为效率。
系统控制核心为单片机, 通过单片机A/D口检测实时充电电压Vt和各模块实时充电电流Int, 通过温度传感器测得实时温度并传递给单片机, 然后将得到的采样值进行运算比较, 通过运算结果调整各DC-DC模块占空比Dn, 从而达到系统控制要求。各模块占空比Dn的步长ΔDn的选择对控制算法的性能有很大影响, ΔDn选得过大, 容易造成振荡;过小时则系统的动态性能变差。为了提高系统性能, 本文采用一种初始化时ΔDn自动确定的策略。系统初始工作时, 分别使每个并联模块单独工作, 改变占空比Dn, 分别使充电电压加大 (减小) 1V或充电电流加大 (减小) 1A, 记录相应ΔDVnk和ΔDInk, 反复改变N次, 从而得到各模块改变单位电压和单位电流所需近似步长为:
3 控制算法
本文设计控制算法流程图如图4所示
初始化, 依据公式 (10) 、 (11) 确定各模块ΔDvn、ΔDin。
检测当前环境温度, 根据所选蓄电池参数和环境温度确定以下参数:
恒压限定电压:
式中, V25max为时蓄电池恒压限定电压值, T为实时环境温度 () , ΔVb为温度补偿系数 () 。
浮充电压:
式中, V25为时蓄电池浮充电压值。
恒流限定电流Imax和浮充电流IF由所选蓄电池决定, 不随温度改变。
检测蓄电池充电电压V和各模块充电电流In, 根据蓄电池充电电压V和充电电流I判断蓄电池充电所处阶段。
式中, Ik为第k个模块的充电电流, N为正常工作的模块数。
(1) 当V
式中, S为充电阶段标志位, S=0表示恒流充电阶段, S=1表示恒压充电阶段, S=2表示浮充阶段。Iavr为各模块平均电流, 为保证充电电流不超过恒流限定电流, 先限定电流再均流, ΔIn为各模块电流与平均电流的差值, Dnk为k时刻模块n的PWM信号占空比。
(2) 当时, 蓄电池进入恒压充电阶段:
式中, ΔV为充电电压与恒压限定电压的差值, Dnkv是一个过度量, 表示由ΔV确定的k时刻模块n的PWM信号占空比。
(3) 当S=1, I=IF时, 蓄电池进入浮充阶段:
4 仿真与实验
4.1 仿真
利用Matlab对多模块并联DC-DC蓄电池充电模型以及控制算法进行仿真。在Simulink中, 依公式 (1) - (9) 建立三个DC/DC并联冗余工作的蓄电池充电的仿真模型。输入依据太阳能电池P-U曲线[9]。仿真结果如图5、图6所示:
从仿真结果可以看出, 本文所采用的控制策略能够很好地满足DC-DC模块并联冗余的要求, 在输入功率满足要求时能够很好地满足蓄电池三段式充电的要求, 在输入功率不足时也能正常为蓄电池充电。仿真结果证明了本文所提出的控制算法的有效性。
4.2 实验
为了验证本文所提出的控制方法与上述仿真结果是否相符以及此方法的实际可行性, 采用了图7所示电路进行实验。
图7实验电路图 (参见下页)
实验样机为太阳能消防车投射灯系统。控制器采用ATMEL公司的ATmega64单片机作为控制核心[10]。该单机具有8路10位ADC, 两路8位PWM通道, 6路编程分辨率从1到16位可变的PWM通道, 完全能够满足系统需求。
系统主要参数:35V, 1k VA太能电池板;24V, 300AH蓄电池;1.8k VA智能控制器, 其中包含三路并联冗余工作的各600VA DC-DC变换器。输入范围DC24~45V, 输出DC30V。
4.2.1 有效性实验
根据正常天气下光照和温度的变化情况, 对本文提出的控制算法进行测试。实验地点为安徽省滁州市, 实验时间为3月16日到3月20日每天早上8点到下午16点, 一共45个小时, 每隔一小时采样记录一次数据。图9为这段时间的蓄电池充电曲线, 图10为各并联模块的充电电流曲线。图8和图9中有几个小时 (3月16日8点、9点、10点、16点, 3月17日8点、9点) 充电电流低于理论值, 因为在这些点太阳能输出功率较低不能完全满足蓄电池充电要求。从实验结果可以看出, 本文的控制方法能够满足DC-DC模块并联冗余的要求, 各模块电流差值不大于0.1A, 即均流精度不低于1%;在输入功率足够的情况下本文的控制算法能够满足蓄电池三段式充电要求, 在输入功率不足时控制器也能正常为蓄电池充电。
4.2.2 冗余条件实验
为了测试控制器的冗余性, 进行冗余性实验。人为破坏掉控制器的一路DC-DC变换器, 在和正常实验同样的条件下测试。图10为蓄电池充电曲线, 图11为各并联DC-DC模块的充电电流曲线。由实验结果可以看出, 在一路DC-DC变换器出现故障的情况下, 控制器性能和正常情况下几乎一致, 能够满足DC-DC模块并联冗余的要求和蓄电池三段式充电的要求, 控制器很好地实现了冗余。
5 结论
本文在分析DC-DC变换器和蓄电池充电系统的特性以及数学模型的基础上, 提出了一种适用于风光互补智能控制器的DC-DC模块并联冗余控制方法, 基于平均电流法实现瞬时均流。文中分析了系统结构和控制原理, 并给出了仿真和实验结果, 验证了控制方法的有效性。本文提出的控制方法结构简单, 计算量小, 能够同时满足DC-DC变换器并联冗余的要求和蓄电池三段式充电要求。
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