基于时分隔离技术的充电模式的研究

毛 萌，刘立新，金国卫，邝 凡，黄懿赟

(1.中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥230031；2.中国移动通信集团设计院有限公司重庆分公司，重庆400123；3.黄山市金屹电源制造有限公司，安徽黄山245000)

基于时分隔离技术的充电模式的研究

毛 萌1，刘立新2，金国卫3，邝 凡1，黄懿赟1

(1.中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥230031；2.中国移动通信集团设计院有限公司重庆分公司，重庆400123；3.黄山市金屹电源制造有限公司，安徽黄山245000)

时分隔离技术能有效实现对并联蓄电池组的电气隔离，同时可将组合开关电源对并联蓄电池组充电模式改变为脉冲充电。构建了铅酸蓄电池的充电模型，并对恒流充电和脉冲充电两种充电方式进行技术分析和仿真对比，结果表明，脉冲充电较恒流充电能够有效提高充电效率并优化充电性能，为时分隔离技术的推广与使用提供了重要的理论依据。

时分隔离技术；并联；建模；恒流充电；脉冲充电

铅酸蓄电池常作为独立的电源广泛地应用于通信及电力部门。由于受单体电池容量的限值，往往采用并联运行的方法来延长蓄电池组的持续放电时间，但即使是相同规格型号的铅酸电池，其电动势及内阻也会受到诸多因素的影响而导致其端电压难以保持一致，将这样的蓄电池进行并联运行后将会产生一定的弊病，并且在现有蓄电池组并联技术方案中，蓄电池组之间通常只是利用开关或者熔断器进行隔离，但这种简单的机械隔离并没有实现真正意义上的电气隔离，因此，在并联铅酸蓄电池组的运行过程中，有效地隔离结构能够使蓄电池组运行在最好的工况下。铅酸蓄电池的基础充电方法有常规充电方法和快速充电方法，常规充电法中的恒流充电和恒压充电一般不单独进行使用，而将二者相结合组成的分阶段充电由于其良好的特性而被广泛使用。快速充电法的核心思想是脉冲充电，脉冲充电能够显著提高电池的充电性能，诸如缩短充电时间、节约充电电能、提高电池寿命和增加电池容量等。因此，将几种充电方法相结合来对蓄电池进行充电，这将会极大地提升电池的充电性能。

1 时分隔离充电技术原理分析

并联蓄电池专利[1]提出了一种新型的时分隔离技术，如图1所示，该专利从充放电两个角度分别优化了并联蓄电池组的工作性能。

图1 时分隔离充电模型

在蓄电池组进行充电的过程中，利用序列脉冲输出驱动控制电路产生驱动信号，按一定的时间间隔轮流驱动异步充电支路中的场效应管V1～V，从而将组合开关电源对并联蓄电池的连续恒流充电改变为脉冲充电，以达到对 组蓄电池进行隔离充电的目的。由于每条支路在分别进行充电的过程中，其脉冲充电的电流强度提高为恒流充电方法的n倍，而脉冲大电流充电方式对改善并联蓄电池的充电性能如增加蓄电池容量、增强除硫效果和延长蓄电池的使用寿命都是非常有利的[2]。

在蓄电池组进行放电的过程中，在每条放电支路中放置二极管D1～Dn，利用其单向导通的特性使各支路蓄电池只能与通信负荷构成回路，不与其他支路的蓄电池构成直接连通的关系，从而消除了蓄电池组间相互充电、钳位等危害。若在运行过程中某支路蓄电池因损坏而导致其端电压下降，则受D1～Dn的隔离作用，该支路将会退出供电，该均流保护作用使得损坏的蓄电池支路不至于拖垮其他支路，而导致整个并联蓄电池组运行的崩坏。

2 脉冲充电技术的仿真研究

对于通信基站中电源电压为48 V的负载，通常情况下采用由12节2 V 500 Ah的铅酸蓄电池进行串联后对其进行供电，基于容量及放电时间的考虑，会适当增加蓄电池的并联支数。时分隔离充电技术中很重要的一点就是将组合开关电源对并联蓄电池的连续恒流充电改变为脉冲充电，故而将这两种充电方法进行比较是非常有必要的。选择采用建模仿真的方法，下面就利用蓄电池的充电过程中各种物理参数和电气参数，对时分隔离技术中的脉冲充电方法进行分析研究。

2.1 铅酸蓄电池的建模

目前，在精确建模过程中使用较为广泛的铅酸蓄电池的模型，是由Massimo Creole提出的三阶动态模型[3]，而其余蓄电池的模型如初等模型和Thevenin模型[4]，则由于建模参数多为常数而导致模型不够精确，只在精确度要求不高的情况下进行应用。

三阶动态模型从电气描述的角度，可看做是由2个RC网络和1个代数支路组成的等效电路，如图2示。该模型从主反应电路和寄生支路两个部分对铅酸蓄电池的基本特性进行了较为精确的描述：主反应电路体现了蓄电池内部的能量散发现象、欧姆效应和电极反应，而寄生支路则主要体现了蓄电池的自放电现象和水解反应。

图2 铅酸蓄电池的三阶动态模型

三阶动态模型的数学描述则是从电气参数和物理参数表达式的角度来对电池模型进行定义的，相关数学表达式及相关参数已在文献[3]中有详细表述。由其数学描述可以看出该单体铅酸蓄电池模型的输入量为电池组的充电电流(A)和环境温度(℃)，输出量为电池组的荷电状态SOC、充电深度DOC、电池端电压(V)及电池电解液温度(℃)，在Matlab-Simulink中建立铅酸蓄电池系统的数学仿真模型如图3所示，在模型的具体运算过程中，还应设置相关初始值与边界值以完善模型的合理性与准确性。

图3 铅酸蓄电池系统的数学仿真模型

2.2 仿真结果

2.2.1脉冲充电同直流充电的仿真对比

在已建立的铅酸电池模型仿真基础上，针对铅酸电池蓄电池恒流充电与脉冲充电这两种充电模式进行仿真比较，保持铅酸蓄电池模型构架不变，仅改变不同充电模式下的铅酸电池充电时所需自行设置外部参数，所建立的针对这两种充电模式同时进行仿真的模型如图4所示。不同充电模式下铅酸电池具体的外部充电参数设置如下：

图4 铅酸电池脉冲充电同直流充电的仿真模型

(1)荷电状态SOC的比较和充电深度DOC的比较

荷电状态SOC代表了蓄电池现有容量相对于其完全充电状态状态的容量的大小，在两种充电模式下，铅酸电池的荷电状态SOC的变化曲线如图5所示，可以看出在相同时间内，脉冲充电方式下电池的荷电状态SOC值大于恒流充电方式下的荷电状态SOC值，这说明了在相同的充电时间内，脉冲充电较恒流充电能够给电池充入更多的电量，能够有效地提高铅酸电池的容量。由于在充电过程中，电池的荷电状态SOC和DOC在定义上只有少许差别，SOC表示在给定温度的条件下，电池相对其最大容量的充满程度，DOC则表示电池相对于其实际容量的充满程度，该实际容量值是以恒定电流充电时得到的电池容量，故在充电过程中，二者是相近的，在两种充电模式下的铅酸电池充电深度DOC的变化曲线如图5所示。可以看出，在达到相同充电深度DOC值的情况下，脉冲充电较恒流充电耗时更短。但是在放电过程中，荷电状态SOC和放电深度DOD的定义却是截然不同的，并且有SOC+DOD=1的数学关系。

图5 两种充电模式下荷电状态SOC曲线和DOC曲线

在允许的温度范围内，较高的电池电解液温度有助于电池内部电化学反应速率的加快，能够起到增加电池容量的作用，但是过高的电解液温度会对蓄电池产生损害从而缩短其循环寿命。在两种充电模式下，铅酸电池电解液温度的变化曲线如图7所示，可以看出在两种模式下电解液温度的变化并不大，但该变化不大的温差是在脉冲电流幅值增大近一倍的情况下产生的，故可以表明蓄电池在脉冲充电过程中表现出了较好的温度特性。

图6 两种充电模式下端电压曲线

图7 两种充电模式下电解液温度曲线

(4)电池各等效内阻的比较

铅酸蓄电池的内阻一般情况下可分为极化内阻和欧姆内阻。极化内阻主要考虑的是正负极发生电化学反应时所产生的内阻，欧姆内阻则指的是电极材料、电解液和隔膜之间的电阻。在两种充电模式下，铅酸电池模型中等效的极化内阻、的变化曲线如图8所示，可以看出，模型中反应极化电阻大小的和在恒流充电过程中的阻值都大于脉冲充电过程中的阻值，故可以表明脉冲充电能够降低蓄电池在充电过程中所产生的极化电阻值。

图8 两种充电模式下极化内阻和曲线

图9 两种充电模式下欧姆内阻曲线

2.2.2不同占空比下脉冲充电的仿真对比

脉冲充电同恒流充电最大的区别在于充电电流的不同，铅酸电池在恒流充电过程中保持电流幅值的大小不变，而脉冲充电的充电电流是一组组的脉冲电流，虽然在充电过程中同样保持了脉冲电流的幅值不变，但是其频率和占空比都是可调的，故为了使铅酸蓄电池在达到最好的充电效果，我们可以通过调节其频率和占空比来对其充电性能进行研究。但是由于本文在对铅酸蓄电池进行数学建模过程中，在对电荷量的数学模型定义时采取了积分的形式，这就直接导致了无法体现脉冲充电电流的频率大小对输出量的影响，故在此只对不同占空比情况下脉冲充电的仿真结果进行研究比对。

在仿真之前设置相关外部参数，将各脉冲充电电流的占空比分别设置为70%和60%，设置脉冲充电的脉冲幅值均为100 A和脉冲周期均为10 s，然后进行仿真得到相关输出量的变化曲线如图10所示。可以看出，当脉冲充电电流的占空比降低，即脉冲电流空闲时间增大时候，铅酸电池模型的输出量荷电状态SOC和充电深度DOC都有所下降，这表明减小脉冲充电电流的占空比会在一定程度上降低蓄电池的容量，同时输出量蓄电池端电压和电解液温度也呈下降趋势，并且端电压曲线的斜率更为平缓，这证明了较低的占空比有利于维持蓄电池端电压的平稳性和较低的电解液温度，但是考虑到由于电池容量的下降会直接导致充电时间的延长，故应在充电过程中适当选择脉冲充电电流的占空比以达到最佳的充电效果。

3 结论

本文主要介绍了一种新型的并联蓄电池专利，利用仿真的方法对该专利所产生的脉冲充电方式进行分析和研究。将脉冲充电方式与恒流充电方式进行仿真对比，从荷电状态SOC和充电深度DOC的角度证明了脉冲充电较恒流充电可够有效地提高铅酸电池的容量；通过对蓄电池端电压和电解液温度的对比，可以看出采用脉冲充电方式下的蓄电池有着更平稳的端电压变化情况和较好的温度特性；综合考量蓄电池的极化内阻和欧姆内阻，能够得出脉冲充电能起够到减少蓄电池内阻的结论。在针对脉冲充电相关参数设置的仿真过程中，在减小脉冲电流的占空比时，蓄电池的容量有所降低，同时也有着斜率更为平缓的端电压fffd62和降低的电解液温度fffd61。以上仿真结果证明了该并联蓄电池专利中所提出的时分隔离技术在充电性能上的优越性，为其推广与使用提供了理论依据。

[1]中国移动通信集团设计院有限公司.并联蓄电池组充放电保护装置：中国,ZL201020502722.4[P].2011-10-12.

[2]刘立新，魏弢.基站(房)并联蓄电池组时分隔离技术研究[J].通信电源技术，2012,29(5):88-90.

[3]CERAOLO M.New dynamical models of lead-acid batteries[J].IEEE Transactions on Power Systems,2000,15(4):1184-1190.

[4]王治国，高玉峰，杨万利.铅酸蓄电池等效电路模型研究[J].装甲兵工程学院学报，2003,17(1):78-81.

Research on charging method based on time-division isolation technology

The electrical isolation of the parallel battery unit efficiently could be realized by time-division isolation technology.The charging method could be transformed into pulse-current charging by switch power supplies for the parallel battery unit.The charging model of lead-acid battery was constructed,and constant-current charging with pulse-current charging by simulation was analyzed and compared.The results show that pulse-current charging has a higher charging efficiency than constant-current charging and optimizes the charging performance, providing important theoretical basis for extending and using the time-division isolation technology.

time-division isolation technology;parallel;constant-current charging;pulse-current charging

TM 912

A

1002-087 X(2016)03-0645-04

2015-08-19

国家磁约束聚变能发展研究专项(2015GB103000)

毛萌(1990—)，女，陕西省人，硕士生，主要研究方向为变电站二次设计及继电保护。