鉛酸蓄電池變電流脈沖充電器的設(shè)計-

1、鉛酸蓄電池變電流脈沖充電器的設(shè)計曹以龍1陳治川2陳宏偉21上海電力學(xué)院計算機(jī)與信息工程學(xué)院,上海200090 2上海大學(xué)自動化系,上海200072摘要本文介紹了鉛酸蓄電池的一種快速充電方式:變電流脈沖充電,以及開關(guān)電源式充電器的硬件結(jié)構(gòu)和控制方式。實驗結(jié)果表明:變電流脈沖充電能有效消除大電流充電下電池的極化現(xiàn)象,使得充電速度加快,充電效率提高,同時電池析氣量少,溫升較低。關(guān)鍵詞鉛酸蓄電池,脈沖充電,變電流充電,開關(guān)電源。1.引言鉛酸蓄電池由于其百余年的發(fā)展歷史,以及其成本低、制造工藝簡單、原材料豐富、可大電流放電等優(yōu)點,目前在通訊、交通、電力等部門得到了廣泛的使用。但是,鉛酸蓄電池往往由于使用

2、不當(dāng),尤其是充電方法不合理,因而充電時間較長,電池出現(xiàn)過充電、析其和溫升等現(xiàn)象,導(dǎo)致了鉛酸蓄電池容量下降過快、循環(huán)使用壽命縮短的問題。另外,傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池充電器采用相控電源,利用可控硅整流,其設(shè)備體積龐大,效率低下,動態(tài)響應(yīng)也較差。本文介紹的智能充電機(jī)為高頻開關(guān)電源式,大大減小了整個系統(tǒng)的體積,提高了充電效率;充電方法采用變電流脈沖充電法,使得充電電流更好地逼近蓄電池的可接受充電電流曲線,從而加快了充電的速度,有效地保護(hù)了蓄電池,延長了電池的循環(huán)使用壽命。2.鉛酸蓄電池充電特性電時的最低析氣率為前提,提出了蓄電池能夠接受的最大充電電流和可接受的充電電流曲線(稱為馬斯曲線。如圖1所示,任意充電

3、時刻的蓄電池可接受的充電電流為I=I0e -at。式中I為蓄電池可接受的充電電流,Io為t=0時刻的最大充電電流,a為蓄電池充電電流的接受比,a=Io/c(c為電池的最大容量。從圖1可以看出,蓄電池在充電之初可接受電流很大,但是衰減很快,這是由于在充電的過程中蓄電池內(nèi)部產(chǎn)生了極化現(xiàn)象,阻礙了電池的繼續(xù)充電。電池的極化分為歐姆極化、電化學(xué)極化和濃差極化三部分,其中,歐姆極化和電化學(xué)極化在充電停止時即可消失,而濃度差極化的消除比較緩慢,在數(shù)秒內(nèi)逐漸降低并消失。另外,由鉛酸蓄電池的電化學(xué)理論可知,當(dāng)充電電流大于蓄電池的可接受電流時,多出的電能將用于水的電解反應(yīng),并不能提高蓄電池的充電電量,反而會導(dǎo)致

4、電池極板上產(chǎn)生氣泡,電池內(nèi)部溫度上升,進(jìn)而損壞電池。因而,充電過程中的電流必須盡可能地逼近馬斯曲線。3.變電流脈沖充電法脈沖充電法是近年來比較常用的一種快速充電方法,它使用脈沖電流對蓄電池充電,充一段時間,再停一段時間,反復(fù)循環(huán)。脈沖充電法通過在充電電流中疊加周期性的負(fù)尖脈沖或短時間停止充電,使參加反應(yīng)的鉛離子(Pb2+和反應(yīng)生成的H+離子和HSO4-離子來得及從電極表面移開,從而使?jié)舛炔顦O化由于擴(kuò)散作用而降低,允許加大充電電流,以提高蓄電池充電接受率,并縮短充電時間。廈門大學(xué)的陳體銜教授在VRLA電池充電實驗的基礎(chǔ)上提出了變電流間歇充電法,其特點是將恒流充電段改為限電壓變電流間歇充電段。充電

5、前期的恒電流充電段采用最佳充電電流,獲得絕大部分充電量,充電后期采用恒壓充電,獲得過充電量,將電池充至完全充電態(tài)。筆者以脈沖充電法和變電流間歇充電法為基礎(chǔ),提出變電流脈沖充電法。這種充電方法是把變電流間歇充電法的各恒流充電段中加入許多時間很短的停充間隔,這樣各恒流充電段可以看成是由脈寬相同的眾多脈沖電流組成。脈沖電流充電時,蓄電池被逐漸充滿電量。脈沖電流恒流充電過程中的短間歇可以有效地降低濃度差極化,恒流充電段轉(zhuǎn)換之際的長間歇除了可以減弱濃度差極化外,還可使蓄電池內(nèi)部經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣和氧氣有時間重新化合,從而繼續(xù)參加下一輪的化學(xué)反應(yīng),減少了析氣量,采用這樣的方法更有利于前面所述的三種極化現(xiàn)

6、象的消除。另外,此種充電方法還可以減弱電池的硫酸鹽化,提高電池的均衡性,從而延長電池的循環(huán)使用壽命。4.鉛酸蓄電池充電器的設(shè)計4.1 主電路智能充電機(jī)的硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,該系統(tǒng)采用交直交直型電路結(jié)構(gòu)。輸入為三相380V交流電,經(jīng)三相橋式整流后得到486530V的直流電壓,當(dāng)中加濾波電容和均壓電阻。 圖1 蓄電池充電特性曲線 圖2 變電流間歇充電與脈沖充電相結(jié)合直流交流變換部分采用H橋變換電路,功率開關(guān)器件IGBT的選取:(1耐壓值,V DC ,留兩倍裕量,取V CES=1200V;(2通態(tài)電流值,I N=52A,取Ic=100A;(3開關(guān)頻率在30kHz到40kHz之間。故選用EUPE

7、C公司的DB_FF100R12KS4 系列IGBT模塊。該模塊內(nèi)部集成了兩個IGBT功率管,每個功率管上并聯(lián)了保護(hù)二極管。 IGBT功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷由PWM 發(fā)生器SG3525產(chǎn)生的驅(qū)動信號來控制,由此控制輸出電壓和輸出電流的大小。高頻變壓器的副邊輸出采用全波整流電路,經(jīng)電感、電容濾波后對蓄電池進(jìn)行充電。4.2 控制系統(tǒng)充電機(jī)的控制系統(tǒng)采用DSP芯片,選用了TI公司的TMSLF240X系列的2407芯片。在DSP芯片外部配以采樣電路(電池端電壓、充電電流和電池溫度等、輸出控制電路、EEPROM讀寫電路(讀取和存儲重要充電參數(shù)、鍵盤掃描電路和SCI串行通信電路(用于上位機(jī)控制和聯(lián)機(jī)通訊等。DS

8、P還通過并行線與顯示屏驅(qū)動芯片T6963C相連接,用戶通過鍵盤和顯示屏組成的人機(jī)界面可以方便地翻閱菜單,設(shè)置充電參數(shù),控制整個充電過程。在該系統(tǒng)中,DSP通過采樣電路負(fù)責(zé)對輸出電流、蓄電池端電壓、直流母線電壓、變壓器溫度、蓄電池溫度等多個模擬量進(jìn)行采樣。其中,充電電流、蓄電池端電壓和蓄電池溫度等采樣值在顯示屏上實時顯示,以使用戶能夠及時方便地知道充電參數(shù)值以及充電過程正處于哪個階段;同時,DSP通過對各個溫度值的檢測,決定系統(tǒng)是否應(yīng)處于工作狀態(tài)(指處于對蓄電池的充電狀態(tài),當(dāng)檢測到任意一種溫度值超過允許值時,立即停機(jī)。此外,充電電流和蓄電池端電壓這兩個反饋量與DSP的輸出給定量構(gòu)成電流和電壓閉環(huán)

9、控制,其比較值經(jīng)由PI調(diào)節(jié)器,作為PWM控制器的輸入信號。PWM控制芯片用以輸出控制功率管導(dǎo)通關(guān)斷的信號。在該控制電路中選用的是美國硅通用公司的SG3525芯片,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。SG3525由輸出5.1V、溫度系數(shù)±1%的基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源、誤差放大器、振蕩頻率在100Hz到400Hz之間的鋸齒波振蕩器、翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器和保護(hù)電路組成,能夠輸出兩路占空比相等,且相位相差180度的驅(qū)動信號。設(shè)定輸出值通過DAC模塊,經(jīng)過電壓和電流閉環(huán)后,接SG3525內(nèi)部誤差放大器的同相端(引腳2。SG3525上的OUTA(引腳11和OUTB(引腳14各輸出兩路信號,經(jīng)過IGBT集成驅(qū)動芯片M57959的

10、放大,傳至IGBT的柵極,控制H橋逆變電路上處于對角位置的IGBT功率開關(guān)管。4.3 軟件結(jié)構(gòu)充電機(jī)的軟件程序是在CCS2(C2000開發(fā)系統(tǒng)下編制而成,程序用C語言編寫,采用模塊化程序設(shè)計方法,整個系統(tǒng)工作的主程序如圖5所示。充電機(jī)上電開機(jī)后進(jìn)行系統(tǒng)初始化、事件管理器模塊初始化、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊初始化。當(dāng)定時器1 中斷時,將某計時標(biāo)志累加,用以控制輸出脈沖的寬度(即脈沖充電和間歇的時間。當(dāng)定時器 4 中斷時,對各采樣值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,送DSP處理,除反饋作用外,還起過壓、過流和過溫保護(hù)作用。這些采樣值包括電池端電壓、直流母線電壓、充電電流、電池溫度、高頻變壓器溫度等需要監(jiān)測的物理量。如果這些監(jiān)測量

11、沒有異常情況,則繼續(xù)執(zhí)行期望的充電過程。在充電期間系統(tǒng)反復(fù)測量蓄電池端電壓的大小,若電池端電壓超過設(shè)定的停充電壓,則停止充電一段時間后,再以一定比例減小的電流繼續(xù)對蓄電池進(jìn)行下一輪脈沖充電,經(jīng)過幾輪電流遞減充電后,切換為恒電壓充電模式,此時充電電流不斷減小,當(dāng)減小至涓充電流后在設(shè)定時間內(nèi)無變化,則結(jié)束充電過程。充電機(jī)的軟件程序中為用戶設(shè)計了豐富的功能菜單。用戶進(jìn)入運(yùn)行界面后,可以選擇充電方式,并根據(jù)蓄電池的不同,設(shè)置各個充電階段的充電參數(shù),這些參數(shù)包括:起充電流、停充電壓、停放電壓、充電時間(可選擇不使用、變電流系數(shù)和脈沖占空比等,并可將這些重要參數(shù)保存進(jìn)EEPROM,以供下次相同蓄電池充電的

12、需要。根據(jù)具體充電運(yùn)行情況的不同,用戶可通過操作鍵盤在充電過程中加大或減小充電電流。 圖3 充電器主電路結(jié)構(gòu)圖 圖4 充電器控制電路結(jié)構(gòu)圖5.實驗結(jié)果在充電實驗中,所用的蓄電池為由60節(jié)蓄電池串聯(lián)而成的蓄電池組,完全充電后每節(jié)電池電壓在2.10V左右,因而蓄電池組電壓為126V左右。根據(jù)具體情況,充電機(jī)的首段充電電流為60A,停充電壓值為2.55V/cell,停放電壓值為2.35V/cell,電流遞減系數(shù)為0.6。在試驗中,一般情況下經(jīng)過三段恒流脈沖間歇充電后,轉(zhuǎn)為恒壓均充電。經(jīng)過多次充電試驗表明,該智能充電機(jī)能夠?qū)C(jī)車用鉛酸蓄電池組進(jìn)行安全和有效的充電。將蓄電池從完全放電態(tài)充至完全充電態(tài),整

13、個充電時間可控制在14小時以內(nèi)。充電過程中,當(dāng)每段恒流充電的充電電壓快接近停充電壓值時,此時蓄電池內(nèi)部有少量氣泡析出,其余時間段內(nèi)蓄電池始終沒有氣泡析出,且電池溫度也始終在較低的范圍之內(nèi)。完全充電后的鉛酸蓄電池其放電容量平均在93%左右。與傳統(tǒng)充電工藝相比,不僅充電時間縮短,而且能源的利用率也得到增加。 圖5 充電機(jī)軟件主程序框圖表1 充電實驗數(shù)據(jù)記錄充電時間(min充電電壓(V充電電流(A析氣情況30 110.9 60 無60 124.6 60 無90 136.5 60 無120 145.2 60 無150 150.7 60 少量氣泡析出172 142.3 36 無210 146.7 36

14、無240 150.4 36 無270 152.4 36 有氣泡析出,較前多303 141.9 21.6 無330 144.7 21.6 無360 147.8 21.6 無390 149.6 21.6 少量氣泡析出420 152.8 21.6 析出氣泡增多443 153.1 7 無540 154.3 7 少量氣泡析出660 154.5 7 析出氣泡增多6 結(jié)語采用變電流脈沖充電的方法,顯著縮短了充電的時間,提高了充電的效率和質(zhì)量,并且有效地消除和減弱了蓄電池的極化現(xiàn)象,從而可以延長蓄電池的循環(huán)使用壽命。采用開關(guān)電源式的蓄電池充電器,減小了充電裝置的體積和重量,使得操作和搬運(yùn)更加簡便,提高了電能的利用效率