铅酸蓄电池脉冲充电装置与实验研究

周智勇，杨占录，王阔厅



铅酸蓄电池脉冲充电装置与实验研究

周智勇，杨占录，王阔厅

（海军潜艇学院，山东青岛 266042）

本文以DSP和IGBT为核心，设计了大容量脉冲充电装置，并以火炬7DB700型牵引用铅酸蓄电池为实验对象，验证了脉冲充电装置设计的正确性。从实验数据分析可知，采用脉冲充电方式比采用恒流充电可节约充电时间。

铅酸蓄电池 脉冲充电 DSP

0 引言

上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图l所示。实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且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，从而奠定了快速充电方法的研究方向[1]。

图1 可接受充电电流能力曲线

1 大容量脉冲充电装置设计

文献[2]中，作者采用全控电力电子元器件为控制核心，实现了正负脉冲间歇工作方式充放电，也可实现恒流充放电，但系统功率偏小，充电电流只能达到100 A以下。为满足大容量铅酸蓄电池脉冲充放电实验的需要，本文设计了大容量充电机，能实现充电脉冲电流500 A，放电脉冲电流1000 A，充放电转换时间<1 ms，并以此对火炬7DB700型牵引用铅酸蓄电池进行脉冲充电实验。

1.1 大容量脉冲充电装置工作原理

大容量脉冲充电装置基本原理框图如图2所示。

图2 大容量脉冲充电装置原理框图

该装置的核心执行机构为IGBT双向调压器，逆变器在DSP控制板的控制下可以工作在“升压放电”或者“降压充电”两种模式下。输入的交流电经过降压整流成为直流电。该直流电被双向调压器降压后给蓄电池组充电。对蓄电池组放电时，双向调压器将蓄电池组的电压升高后将电能放到负载上（此处的负载为放电电阻）。

2.2 主电路拓扑结构

大容量脉冲充电装置主电路拓扑结构如图3所示。

图3 充电装置主电路拓扑结构图

装置的两种基本工作状态是“降压充电”与“升压放电”。其中，降压充电工作状态基于Buck模式，升压放电工作状态基于Boost模式。

降压充电时，主电路成为降压斩波电路（Buck Converter）。在一个PWM周期内，VT1导通时，电源向负载供电，负载电压dc2=dc1，负载电流按指数曲线上升；VT1截止时，电流经续流二极管D2续流，负载电压近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为使负载电流连续且脉动较小，通常需要串联电感L。

化简可以得到：

2.3 输出回路设计

为提高输出电流的控制精度，DC/DC的输出端做两个回路，其电流输出的范围分别为：0~300A和250~1500 A。故DC/DC实际结构如图4所示，当电流范围为0~300 A时，使用L1、C2回路；当电流范围为250~1500 A时，使用L2、C3回路。这两个回路中电容、电感的值不同，采用的电流传感器也不同，这样才能确保电流在两个区间内都获得良好的测量精度和控制精度。如果不采用两个回路进行分段输出，电流传感器的测量范围过大，整体测量精度会降低；电感、电容中流过的电流变动范围较大，无法保证控制精度，最终使得总体控制精度下降。

图4 DC/DC两回路输出

图5 脉冲充电方案

3 脉冲充电实验

文献[2]对风帆6-QA-60C型（12V60AH）蓄电池分别采用分阶段恒流恒压充电和分阶段脉冲充电方式进行了对比实验。王坚对小型阀控式铅酸蓄电池进行了慢脉冲充电对比实验[3]。本文以火炬7DB700型牵引用铅酸蓄电池为实验对象，采用以上设计的大容量脉冲充放装置进行了充电实验。

3.1 充电方案

基于马斯三定律理论，综合前面的分析，并考虑到铅酸蓄电池自身的一些特性，本文将整个充电过程分为了预充电（恒流充电）、脉冲快速充电、浮充电3个阶段，如图5所示。

充电初期，由于极化现象不明显，蓄电池可以接受大的充电电流，因此可以采用大电流进行恒流充电，使蓄电池可以在较短的时间内尽量充入较多的电量。

经过第一阶段的大电流预充电后，蓄电池充入的电量增加，电压上升，极化效果明显，所以第二阶段采用脉冲充电方式。在脉冲快速充电后期，电压上升较快，待充电电压稳定后认为快速充电阶段结束，则适时地转入浮充电阶段。浮充电阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，蓄电池只要连接在充电装置上且充电装置接通电源，装置就会给蓄电池不断补充电荷，这样可使电池总处于充足电状态。

3.2 实验结果

对7DB700型牵引用铅酸蓄电池分别以三级恒流充电和脉冲充电进行对比实验，实验结果如表1所示。恒流充电时，充电电流分别为280 A、49 A与10.5 A。采用脉冲充电时，第一阶段为恒流280 A，第二阶段分三部分，分别以140 A、70 A及49 A进行脉冲充电。第三阶段与恒流充电相同，采用10.5 A电流进行浮充电。

表1 充电对比试验

从实验数据分析可知，采用脉冲充电，充电全过程需要7.4 h，而采用恒流充电，需要10.2 h，节约时间大约27%。如果只考虑充电的第二阶段，脉冲充电相对于恒流充电可节约2.8 h，占第二阶段总充电时间的36%。从表中还可以看出，采用脉冲充电，之所以能节约充电时间，最关键的因素是由于有脉冲充电的去极化效应，充电电流，尤其是第二阶段开始时，可以较大的电流（140 A）进行较长时间的充电。

4 结论

脉冲快速充电技术已经在民用小容量电池上得到广泛应用。基于本文设计的脉冲快速充电装置能够满足大容量铅酸蓄电池的充电需要，对提高充电速度有较大作用。

[1] 朱松然. 铅酸蓄电池技术（第二版）[M]. 北京: 机械工业出版社, 2002.

[2] 余峰, 张志华, 何俊. 铅酸蓄电池脉冲充电技术研究[J]. 船电技术, 2010, (6): 51~54.

[3] 王坚. 铅酸蓄电池慢脉冲快速充电研究的突破[J]. 蓄电池, 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，硕士，副教授。专业方向：机电。