鉛酸蓄電池脈沖充電技術(shù)研究

余 峰 張志華 何 俊

（中國船舶重工集團公司712研究所，武漢430064）

1 引言

鉛酸蓄電池由于其制造成本低、容量大，價格低廉而受到了廣泛的使用。高效、可靠的蓄電池充電方法顯得越來越重要。這極大地推動了智能快速充電技術(shù)的發(fā)展。隨著人們對快速充電理論的研究不斷深入，電力電子技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，鉛酸蓄電池快速充電技術(shù)也有了一定的發(fā)展。但離全面使用還有一定的距離。

上世紀60年代中期，美國科學家馬斯對開口蓄電池的充電過程作了大量的試驗研究，并提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線，如圖1所示。實驗表明，如果充電電流按這條曲線變化，就可以大大縮短充電時間，并且對電池的容量和壽命也沒有影響。原則上把這條曲線稱為最佳充電曲線，從而奠定了快速充電方法的研究方向[1]。由圖 1可以看出：初始充電電流很大，但是衰減很快。主要原因是充電過程中產(chǎn)生了極化現(xiàn)象。在蓄電池充電過程中，內(nèi)部產(chǎn)生氧氣和氫氣，當氧氣不能被及時吸收時，便堆積在正極板（正極板產(chǎn)生氧氣），使電池內(nèi)部壓力加大，電池溫度上升，同時縮小了正極板的面積，表現(xiàn)為內(nèi)阻上升，出現(xiàn)所謂的極化現(xiàn)象。根據(jù)馬斯定律，我們可以知道在充電過程中，當充電電流接近蓄電池固有的微量析氣充電曲線時，適時地對電池進行反向大電流瞬間放電（如圖 2），能夠除去正極板上的氣體，并使氧氣在負極板上被吸收，從而解決了電池在快速充電過程中的極化問題。提高了充電效率和蓄電池的充電接受能力，從而大大提高充電速度，縮短充電時間。

圖1 蓄電池可接受充電電流曲線

圖2 充放電脈沖

我們通過設(shè)計DC200 V/50 A脈沖充電機，開展了對鉛酸蓄電池脈沖充電方式的研究。經(jīng)過大量的試驗摸索，總結(jié)出了一種正負脈沖充電方法，達到了縮短充電時間，提高充電效率的目的。

2 電路設(shè)計

脈沖充電機的系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 充電機系統(tǒng)原理框圖

該充電機采用全控電力電子元器件為控制核心，可實現(xiàn)正負脈沖間歇工作方式充放電，也可實現(xiàn)恒流充放電。脈沖充放電時，充電脈沖幅值、時間，間歇時間均可設(shè)定。脈沖充電時，正脈沖充電產(chǎn)生的電池極化由放電負脈沖及時消除，可減小電池極化電阻，提高蓄電池化成充放電的效率。

1）主電路設(shè)計

脈沖充電機的主電路原理圖如圖4所示。

圖4 充電機主電路原理圖

三相AC380 V電源通過相控整流橋U1整流和 LC濾波后得到直流電源。蓄電池充電時，通過控制兩個IGBT模塊U2、U3的間歇導通和關(guān)斷來控制充電和放電脈沖的幅值和時間。U2導通、U3關(guān)斷時，實現(xiàn)正脈沖恒流充電。U2關(guān)斷、U3導通時，實現(xiàn)負脈沖恒流放電。

2）驅(qū)動電路設(shè)計

IGBT驅(qū)動電路采用集成驅(qū)動芯片M57962L。M57962L驅(qū)動電路如圖5所示。該電路具有IGBT過流過壓保護功能。當檢測到輸入1端的電壓為7 V時，模塊判定為電路短路，立即通過光耦輸出關(guān)斷信號關(guān)斷，從而使其5端輸出低電平將IGBT的GE兩端置于負向偏置，可靠關(guān)斷。延時2～3秒后，若檢測到13端為高電平，則M57962L恢復(fù)工作。穩(wěn)壓管D5用于防止D3擊穿而損壞M57962AL，R11為限流電阻，D7和 D8起限幅作用，以確保IGBT可靠開通與關(guān)斷，而不被誤導通或擊穿。

圖5 IGBT驅(qū)動電路

3) 控制電路設(shè)計

由 intel16位單片機及其外圍電路組成核心控制電路。由采樣電路完成充電電流、充電電壓及蓄電池溫度和密度的采樣。采用單閉環(huán)PI調(diào)節(jié)的PWM控制方式通過控制IGBT模塊U2和U3的間歇導通和關(guān)斷來實現(xiàn)對蓄電池的脈沖充電及充放電電流的調(diào)節(jié)。脈沖充電時，U2、U3的驅(qū)動波形及實際充放電電流波形如圖6所示。

圖6 U2、U3的驅(qū)動波形及實際充放電電流波形

由觸摸屏顯示面板來實現(xiàn)對充電電壓、充電電流、充電模式和充電終止電壓等充電參數(shù)的設(shè)置及顯示。

3 充電參數(shù)的選擇及試驗結(jié)論

充電參數(shù)的選擇十分重要，不同的充電參數(shù)，其充電速度和充電效果差別很大。理想的快速充電方法，一方面要想方設(shè)法加快電池的化學反應(yīng)速度（提高充電電壓或電流等），另一方面又要避免在充電過程中產(chǎn)生大量氣體，同時要盡可能的消除電池的極化現(xiàn)象。

要想達到理想的充電效果，充電電流就要盡可能接近蓄電池可接受充電電流曲線。經(jīng)過理論分析及多次試驗總結(jié)，我們采用分階段恒流脈沖充電方法，每個階段充電過程按：“正脈沖充電—停止充電——負脈沖放電——停止放電——正脈沖充電”循環(huán)過程進行。隨著充電的進行，充電電流逐階段減小。這種充電方法使得充電曲線在總體上逼近馬斯提出的蓄電池可接受充電電流曲線，如圖7所示。在整個充電期間，始終采取了去極化措施，避免了蓄電池在充電過程中產(chǎn)生大量氣體和溫升過高的問題，從而達到縮短充電時間和提高充電效率的目的。

圖7 分階段恒流脈沖充電方法

為了驗證該方法的充電效果，我們對風帆6-QA-60C型（12 V60 Ah）蓄電池分別采用分階段恒流恒壓充電方法和分階段恒流脈沖充電方法進行了對比試驗。

1) 分階段恒流恒壓充電試驗

目前市面上大多數(shù)充電設(shè)備采用此種充電方法。根據(jù)蓄電池的充電要求，充電初期采用0.5C（30 A）充電電流進行恒流充電。當充電電壓到達14.6 V后，采用恒壓充電，直至充滿。試驗結(jié)果如表1所示。

表1

通過放電實驗測得，實際充入電量為58 Ah，溫升為12.6℃

2）分階段恒流脈沖充電

充電初期采用0.6C（36 A）充電電流進行恒流脈沖充電。然后分階段減小充電電流，以降低充電過程中的出氣率。試驗結(jié)果如表2所示。

表2

通過放電實驗測得，實際充入電量約為58.5 Ah，溫升為12.2℃

通過上述對比試驗可知，分階段恒流脈沖充電方法能夠在短時間內(nèi)充入比較多的電量，達到縮短充電時間，提高充電效率的目的，且溫升不高，是一種比較高效的充電方法。

4 存在的問題及發(fā)展展望

蓄電池的充放電是一個復(fù)雜的電化學過程，而且充電過程中影響充電的因素很多，電解液濃度、極板活性物的濃度和環(huán)境溫度等的不同都會使充電產(chǎn)生很大的差異。而且隨著放電狀態(tài)、使用和保存期的不同，即使相同型號容量的同類電池的充電也大不一樣[2]。要得到更加高效的充電方法，還需要進行大量的試驗和理論研究來獲得更加合適的充電參數(shù)。

所謂快速充電，它的特點是采用大電流，在短時間內(nèi)把電池充好，而在這個過程中，既不產(chǎn)生大量氣體，又不使電解液溫度過高。而目前的蓄電池制造工藝，主要是針對常規(guī)的小電流充電方法設(shè)計和制造，其最大充電電流受到一定的限制，需要進一步改進。

另外，脈沖充電方法對蓄電池使用壽命有何影響，還需要進一步研究。

隨著石油資源等不可再生的能源日益緊缺，以及環(huán)境保護的壓力越來越大。清潔環(huán)保的電力能源逐漸得到更加廣泛的應(yīng)用，電能大規(guī)模地進入許多領(lǐng)域，電動汽車，電動車等各種電動運輸工具成為綠色環(huán)保產(chǎn)品正進入各種消費市場，蓄電池的廣泛應(yīng)用將推動蓄電池充電技術(shù)的快速發(fā)展。

[1] 朱松然. 鉛蓄電池技術(shù)(第2版). 北京：機械工業(yè)出版社,2002.

[2] 徐曼珍. 新型蓄電池原理與應(yīng)用. 北京：人民郵電出版社,2005.

[3] 陳堅. 電力電子學. 北京： 高等教育出版社，2002.

[4] 孫涵芳. Intel 16位單片機. 北京： 北京航空航天大學出版社，1995.

[5] 周志敏等. 充電器電路設(shè)計與應(yīng)用. 北京：人民郵電出版社,2005.