基于脉冲技术的蓄电池可编程电源设计

王丹， 李敏， 王磊

(1.国网滨州供电公司,山东 滨州 256600;2.壳牌中国勘探与生产有限公司,四川 成都 610000;3.国网东营供电公司,山东 东营 257000)



基于脉冲技术的蓄电池可编程电源设计

王丹1， 李敏2， 王磊3

(1.国网滨州供电公司,山东 滨州 256600;2.壳牌中国勘探与生产有限公司,四川 成都 610000;3.国网东营供电公司,山东 东营 257000)

蓄电池的快速充电技术是应用过程中的关键环节，决定了进行能量传递的效率以及推广应用的前景。基于脉冲充电技术，设计了一套蓄电池可编程快速充电装置，可用于实现蓄电池的快速充放电。此外，可利用可编程功能，研究不同类型、不同容量的蓄电池最佳充放电曲线。

效率;蓄电池;可编程;快速充电;脉冲技术

0 引 言

近年来，新能源的利用引起世界各国的重视，混合动力电动车和电动自行车等的推广为蓄电池技术的研究和发展提供了最佳平台，加速了蓄电池充放电技术及其使用技术的革命[1-2]。

传统充电技术，最初采用单一恒流或恒压对蓄电池进行长时持续充电，而后发展为阶段式充电，一般为包括恒流充电、恒压充电及浮充电的三段式[3]。上述方法解决了蓄电池过充电问题，但由于充电过程中蓄电池极化现象，其可接受的充电电流沿指数曲线下降，实际充电时间长，充电效率低[4-5]。

充电过程中利用短时、大电流负脉冲进行瞬时放电，可消除极化影响[6]。本文依据实际工程项目，设计了一套基于脉冲充放电技术的新型快速充放电电源，并着重从拓扑结构、工作原理以及系统控制策略等方面进行分析和研究，并制造出一套10 kVA样机，进行相关充放电试验。

1 原理与设计

1.1 系统硬件设计

图1为铅蓄电池快速充电电源的主电路拓扑结构。该系统从电气结构上来分析，是一款大功率的低压大电流开关电源，而功能上是一套蓄电池充放电管理系统，因此要求能实现蓄电池的充、放电控制，并实时监测蓄电池容量，防止过充、过放。

系统电源取自380 V交流电网，经过变压器降压、隔离后，由三相桥式不控整流模块整流为直流电。由于变压器T存在励磁涌流问题，故设计变压器上电限流回路。由辅助接触器KM2、限流电阻R1、R2和R3构成。KM1的线圈通过一个时间继电器串联到KM2的主触点回路，系统上电后，首先合上接触器KM2，电阻R1、R2和R3接入主电路，避免了变压器励磁涌流问题的发生。通过调整时间继电器的计时装置，使接触器KM1闭合延迟于KM2闭合1 s～2 s，同时，将接触器KM2及电阻R1、R2和R3短路。

系统提供独立的蓄电池放电通道，控制部分的电路结构分为两级。第一级为由一组IGBT模块构成的开关控制回路，用于实现放电电阻的投切和隔离，由图1中所示的VT1、VT2、D1和D2构成，通过PWM脉冲控制实现低频开关功能：当系统运行于充电模式时，VT1开通，VT2关断，隔离放电电阻；当系统运行于放电模式时，VT2开通，VT1关断，放电电阻被投切到蓄电池放电回路中。第二级为另一套IGBT模块构成的高频开关，由于此处工作电流较大，可采用两组完全相同的IGBT模块并联的方式构成，从而提高系统的耐受电流等级，即图1 中所示的VT3(5)、VT4(6)、D3(5)和D4(6)，其与电感L1、L2，电容C1、C2和C构成两回路的DC/DC双向直流调压电路。

图2所示为系统工作在BUCK降压模式下，参考图1可知，该模式下，IGBT模块中的VT2、VT4及VT6处于关断状态，VT1导通，将由整流桥得到的直流电Ud输送至后级的BUCK电路中。其中，由于电容C在上电时存在较大的充电电流，可能对系统造成冲击，故加入充电限流电阻R4，当VT1导通时，R4被短路。后级的IGBT模块中，VT3、VT5由高频PWM脉冲控制通断，将电压Udc降压后，得到所需的稳定电压或电流输出至蓄电池端，对蓄电池进行充电。

图1 主电路拓扑结构

图2 BUCK工作模式

实际系统中存在六个IGBT开关管，故控制程序中需要同时对六路PWM脉冲进行实时调整。任一时刻，系统应工作在四种主阶段的其中之一：充电脉冲阶段、放电脉冲阶段、前零流阶段或者后零流阶段。其中，前零流阶段和后零流阶段是短暂的静置期，在这两个阶段时，需将六路脉冲全部封锁；充电脉冲阶段即前文所述的BUCK工作模式，该阶段下，电池侧的端电压和电流作为采样反馈值，与给定值进行比较，计算占空比，向不同的IGBT输出相应的PWM脉冲；放电脉冲阶段为Boost工作模式，其控制原理与充电脉冲阶段相似，二者的区别仅在于执行通断功能的IGBT不同。

1.2 系统软件设计

系统在一个开关周期内需要完成信号采集和处理、PWM脉冲计算和输出及各阶段工作模式的判断和切换，对实时性要求较高。本装置选用美国TI公司生产的TMS320C28335系列DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)作为系统的控制核心，实现采样及信号处理、PWM计算与控制、串行通信接口SCI及通讯参数处理等功能，主控程序流程如图3所示。

图3 主程序控制流程

1.3 监控系统设计

应用C++编程技术，构建基于Microsoft Visual Studio 6.0的上位机操作系统，设计人机界面，实验人员可下达操作指令，改变系统的工作模式及更新实验参数。采用RS232全双工通信模式，实现上位机(人机系统)与下位机(CUP数据库)的关联，分别制定相应的通信规约，并在通信规约中加入CRC校验功能，以保证通信过程中DSP接受数据的准确度。

2 实验

2.1 三段式充电

传统的三阶段充电方式是在对马斯充电曲线进行最佳拟合的基础上进行的，主要包括恒流充电、恒压充电和浮充电三个阶段，恒流充电时采用1/4倍率制，针对6 V/700 A·h电池组，充电电流为175 A；恒压充电过充限压值为6.8 V，浮充电压为6.5 V。表1所示为各阶段充电参数设定值。经过7小时后，蓄电池容量增加至100%，达到充满饱和状态。实验结果如图4所示。

表1 三阶段组合参数

图4 三阶段组合充电

三阶段充电方式是一种较为成熟的充电方法，有效利用了马斯定律对蓄电池特性的探究，由图3可以看出，本装置可以方便的实现任一阶段的系统控制，较好地完成了各个工作阶段下不同工作模式的电压、电流控制，并实现了设定点的阶段跳转，完成了对蓄电池的三阶段充电。但是，这种充电方法依然是一种慢速充电方法，完成一次从亏电到100%容量的完整充电过程耗时较长。

2.2 脉冲式充电

利用脉冲模式对铅蓄电池进行多阶段充电，可以解决传统充电方式中蓄电池充电接受比不断下降，充电时间长，且蓄电池充电容量虚高等问题。

图5 脉冲式充电

图5(a)、(b)所示分别为负脉冲600 A和1 000 A模式下，以500 A正电流充电时，正、负电流及前、后零流时间的切换过程。采用含有短时大电流负脉冲的连续充电模式，可以在较大程度上消除极化现象，加快充电速度，针对700 A·h牵引用铅酸蓄电池进行实验，可节省60%以上的充电时间，且对蓄电池使用寿命的影响较小。由图5 c)可以看出，单体电池电压在短时间内快速上升，对已亏电的蓄电池完成一次完全充电只需要2 h～3 h，节约了充电时间，提高了蓄电池地利用效率。

3 结束语

本文利用脉冲充电方式的优点，设计了一套可编程的蓄电池快速充放电装置。相关试验证明，相较于传统的三段式充电，多阶段脉冲式充电具有充电时间短，充电效率高等优势。此外，本装置操作灵活性高，能量转换效率高，能适应多种类型的蓄电池，可方便的实现对各类蓄电池的充放电研究。

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[6] 李俄收，王远，吴文民.铅酸蓄电池充电的研究[J].蓄电池，2010,47(6):253-258.

Design of a Programmable Storage Battery Based on Pulse Technology

Wang Dan1, Li Min2, Wang Lei3

(1. State Grid Binzhou Power Supply Co., Binzhou Shandong 256600, China;2. Shell China Exploration and Production Co., Ltd.,Chengdu Sichuan 610000, China;3. State Grid Dongying Power Supply Co., Dongying Shandong 257000, China)

Rapid charging technology for storage battery is a key factor in its application, and determines its efficiency of energy transfer and prospect of its popularized application. Based on pulse charging technology, this paper gives the design of a set of rapid charging device for the storage battery, which can be used to realize fast battery charging and discharging. Furthermore, its programmable function can be used to study optimal charging/discharging curves of batteries of different types or capacities.

efficiency;storage battery;programmable; rapid charging; pulse technology

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.018

TM912；TN86

A

1000-3886(2016)04-0056-03

王丹(1986-)，男，山东人，硕士生，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用。

定稿日期: 2015-11-17