一種饋能式正負(fù)脈沖快速充電方法

孫，王春芳（青島大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266071）

一種饋能式正負(fù)脈沖快速充電方法

摘要：為了對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行快速充電并延長(zhǎng)其使用壽命，本文提出了一種具有饋能作用的正負(fù)脈沖快速充電法。該方法采用雙向升降壓斬波電路作為基本充放電電路，正脈沖期間為鉛酸蓄電池恒壓充電，負(fù)脈沖期間鉛酸蓄電池放電并饋能至電解電容，該電路在整個(gè)充放電過程中均實(shí)現(xiàn)了零電壓開通軟開關(guān)控制，大大降低了開關(guān)損耗。與傳統(tǒng)的正負(fù)脈沖充電法相比，該方法是將鉛酸蓄電池對(duì)電阻放電產(chǎn)生的負(fù)放電脈沖改為對(duì)前級(jí)電解電容充電饋能，并在充電時(shí)重新使用，有效地解決了放電能量浪費(fèi)的問題，并且具有一定的修復(fù)效果。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該充電方法的實(shí)用性和可行性。

關(guān)鍵詞：饋能；正負(fù)脈沖充電；軟開關(guān)；鉛酸蓄電池；快速充電；雙向升降壓斬波電路

0　引言

目前鉛酸蓄電池的充電方法既包含控制簡(jiǎn)單的恒壓、恒流充電法，也包含了變電壓間歇、變電流間歇等混合型充電方法[1-3]。本文提出了一種基于恒壓充電法的具有饋能作用的正負(fù)脈沖式快速充電法。與傳統(tǒng)正負(fù)脈沖充電法相比，所述方法做了如下改進(jìn)：1) 將鉛酸蓄電池對(duì)電阻放電產(chǎn)生的負(fù)放電脈沖改為對(duì)前級(jí)電解電容充電饋能，當(dāng)正脈沖充電時(shí)，電容中儲(chǔ)存的電能再傳輸給鉛酸蓄電池，所以這種充電方法具有節(jié)能作用；2) 由于用饋能電容取代了放電電阻，充電過程中可以根據(jù)需要改變負(fù)脈沖的放電幅值，減小了充電后期大放電電流對(duì)蓄電池的沖擊；3) 將傳統(tǒng)的大脈沖拆分為多個(gè)小的脈沖，由于正負(fù)脈沖的交替頻率高于傳統(tǒng)正負(fù)脈沖的交替頻率，提高了蓄電池的充電接受能力，在整個(gè)充電過程中還會(huì)對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行一定的修復(fù)，屬于修復(fù)型快速充電法。本文對(duì)該充電法進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了所給方法的可行性和實(shí)用性。

1　饋能式正負(fù)脈沖快速充電方法

傳統(tǒng)正負(fù)脈沖充電法的工作過程是施加正脈沖時(shí)給鉛酸蓄電池充電，蓄電池對(duì)電阻放電時(shí)形成負(fù)脈沖，且正脈沖持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)脈沖時(shí)間，否則將會(huì)導(dǎo)致蓄電池電量不斷下降。與其他充電方法不同的是，這種充電方法在充電過程中，會(huì)有一段時(shí)間讓蓄電池進(jìn)行放電。從表面上看這樣會(huì)減緩充電速度，其實(shí)不然。根據(jù)馬斯第三定律，鉛酸蓄電池在充電過程中適當(dāng)放電，可以有效提高其充電接受能力。

然而，傳統(tǒng)的正負(fù)脈沖充電法在負(fù)脈沖放電過程中，蓄電池對(duì)外放電電能以電阻發(fā)熱的形式被消耗掉，導(dǎo)致能源浪費(fèi)?；谶@種情況，本文提出了一種具有饋能作用的正負(fù)脈沖充電法，如圖 1 所示。T1 時(shí)段通過電感 L 的電流為正大于負(fù)的多個(gè)三角波電流，其等效充電電流為具有一定幅值的正向充電電流，開關(guān)電源通過充電電路對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行恒壓充電，等效為正脈沖，能量正向流動(dòng)；T2時(shí)段，通過電感 L 的電流為負(fù)大于正的多個(gè)三角波電流，其等效放電電流為具有一定幅值的負(fù)的放電電流，鉛酸蓄電池進(jìn)行放電饋能，等效為負(fù)脈沖，能量反向流動(dòng)。隨著時(shí)間的增加，充電電壓與蓄電池之間的壓差不斷減小，等效充電電流呈指數(shù)規(guī)律下降，與馬斯曲線相符合。圖 1 中僅為幾個(gè)周期的正負(fù)脈沖，無法看出其等效電流的變化規(guī)律。虛線表示的等效電流為鉛酸蓄電池流過的電流。由于 t1和 t2時(shí)段可以通過單片機(jī)控制電路進(jìn)行調(diào)整，通過設(shè)置合適的脈沖寬度來改變正負(fù)脈沖的交替頻率，從而提高了鉛酸蓄電池的充電接受能力，適當(dāng)去除硫化[4]。

圖1　電感 L 電流波形

2　雙向 buck-boost 電路

為了實(shí)現(xiàn)所提出的充電方法，采用雙向 buckboost 電路作為主電路，如圖 2 所示，其工作波形如圖 3 所示。該電路是由 buck 電路與 boost 電路組合而成，正脈沖期間可以視為 buck 電路斷續(xù)工作模式給鉛酸蓄電池充電，疊加的 boost 電路用于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)；負(fù)脈沖期間可以視為 boost 電路斷續(xù)工作模式使鉛酸蓄電池放電饋能，疊加的 buck 電路用于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。 Buck 充電電路由開關(guān)管 V1、電感 L、電解電容 C1、C2 和二極管 D2 組成，工作過程為：開關(guān)管 V1 導(dǎo)通、V2 關(guān)斷時(shí)，開關(guān)電源和電容 C1 通過電感 L 給蓄電池恒壓充電；開關(guān)管 V1斷開后，電感 L 通過二極管 D2 進(jìn)行續(xù)流，電感電流逐漸減小為 0。在二極管 D2 導(dǎo)通時(shí)，開通開關(guān)管 V2 即可實(shí)現(xiàn) boost 電路零電壓開通軟開關(guān)技術(shù)（對(duì)應(yīng)于圖 3 中 t0～t1階段，t0代表開關(guān)管 V1 關(guān)斷時(shí)，t1代表電感電流降為 0 時(shí)），此時(shí)由電容 C2對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行恒壓充電。Boost 放電電路由開關(guān)管 V2、電感 L、電解電容 C1、C2 和二極管 D1組成，工作過程為：開關(guān)管 V2 導(dǎo)通、V1 關(guān)斷時(shí)，蓄電池對(duì)電感 L 儲(chǔ)能；開關(guān)管 V2 關(guān)斷后，蓄電池、電容 C2 及電感 L 通過二極管 D1 向電容 C1 進(jìn)行饋能，電感電流逐漸減小為 0。在二極管 D1 導(dǎo)通時(shí)，開通開關(guān)管 V1 即可實(shí)現(xiàn) buck 電路零電壓開通軟開關(guān)技術(shù)（對(duì)應(yīng)于圖 3 中 t2～t3階段，t2代表開關(guān)管 V2 關(guān)斷時(shí)，t3代表電感電流降為 0 時(shí)）。其中，t0～t4為一個(gè)完整的開關(guān)周期，饋能電容 C1為開關(guān)電源輸出濾波電容，電容 C2 為雙向 buckboost 電路的輸出濾波電容。

圖2　雙向 buck-boost 電路

圖3　雙向 buck-boost 電路工作波形

雙向 buck-boost 電路能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，利用續(xù)流二極管實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通軟開關(guān)技術(shù)，大大減少了開通損耗，并在鉛酸蓄電池放電過程中將釋放的能量?jī)?chǔ)存于電容 C1 中，在正脈沖到來時(shí)，釋放給鉛酸蓄電池。這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用的器件較少，控制上僅需對(duì)兩個(gè) IGBT 進(jìn)行操作，系統(tǒng)體積小，成本低，易于實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)電感 L 值的大小不同，電路存在三種運(yùn)行方式：?jiǎn)蜗?buck 工作狀態(tài)、單向 boost 工作狀態(tài)和雙向 buck-boost 工作狀態(tài)。當(dāng)電感值取得較大時(shí)，會(huì)使電路處于前兩種工作狀態(tài)，并不能滿足零電壓導(dǎo)通軟開關(guān)技術(shù)的要求。因此，需要對(duì)電感 L 的值進(jìn)行計(jì)算，從而保證電路可以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通軟開關(guān)技術(shù)，計(jì)算公式[5]如下：

式中，US為開關(guān)電源的輸出電壓，UC2為雙向buck-boost 電路的輸出電壓，iL為電感 L 的平均電流，fS為開關(guān)管 V1 和 V2 的開關(guān)頻率。

在 buck 或者 boost 電路中，電感電流的紋波小于等于電感電流平均值的 2 倍，而在雙向 buckboost 電路中則高于電感電流的 2 倍，可以由此推導(dǎo)出該公式，即將該電路視為 buck 電路和 boost 電路電感電流均為斷續(xù)的狀態(tài)。

正脈沖階段開關(guān)管 V1 的占空比決定鉛酸蓄電池的充電電壓，根據(jù) buck 電路輸出電壓的計(jì)算公式即可選擇最佳的充電電壓；負(fù)脈沖階段開關(guān)管V2 的占空比決定鉛酸蓄電池的放電電流大小。同時(shí)為了保證零電壓軟開關(guān)控制的實(shí)現(xiàn)及防止電路發(fā)生直通，兩開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形之間需要帶有一定的死區(qū)時(shí)間。根據(jù) buck 電路與 boost 電路電感電流斜率之間的關(guān)系可知，當(dāng)一個(gè)開關(guān)管的占空比給出后，另一個(gè)開關(guān)管的占空比即可得出。所以，在控制方法上，開關(guān)管 V1、V2 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)必然是一對(duì)互補(bǔ)的帶有一定死區(qū)時(shí)間的 PWV 波。

3　仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖4　正脈沖期間鉛酸蓄電池充電電流

為了對(duì)該充電方法進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)應(yīng)圖 2 中開關(guān)電源 US為 64 V，采用 3 只 12 V/10 Ah鉛酸蓄電池串聯(lián)，開關(guān)管 V1 和 V2 的驅(qū)動(dòng)波形采用單片機(jī)半橋 PWM 模式輸出，正負(fù)脈沖的寬度通過單片機(jī)的定時(shí)功能設(shè)置，并在負(fù)脈沖階段利用單片機(jī)輸出 PWM 封鎖信號(hào)將開關(guān)電源斷開。

圖4 和圖 5 為鉛酸蓄電池充電和放電時(shí)電流的MATLAB 仿真波形，從圖中可以看出在正脈沖期間鉛酸蓄電池處于充電狀態(tài)，負(fù)脈沖期間鉛酸蓄電池處于放電狀態(tài)。

圖6 為正脈沖階段電感電流與開關(guān)管 V1 的驅(qū)動(dòng)電壓波形，為使開關(guān)管完全導(dǎo)通，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電壓為 15 V，開關(guān)管的開關(guān)頻率為 20 kHz。從圖中可以看出，開關(guān)管處于零電壓導(dǎo)通狀態(tài)且電感電流有正有負(fù)，即電路工作于雙向 buck-boost 狀態(tài)，與圖 3 相符。

圖5　負(fù)脈沖期間鉛酸蓄電池放電電流

圖6　電感電流與驅(qū)動(dòng)波形

圖7 為整個(gè)充電過程的電感 L 電流波形，T1階段為正脈沖充電，T2 階段為負(fù)脈沖放電，與圖 1相符。

從實(shí)驗(yàn)波形中我們可以發(fā)現(xiàn)：雙向 buck-boost電路可以很好地適用于饋能式正負(fù)脈沖充電法并實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)。

圖7　電感 L 電流波形

4　結(jié)束語

本文介紹了一種新型充電方法，不僅可以大大提高鉛酸蓄電池的充電速度，而且利用負(fù)脈沖放電饋能有效地消除了充電過程中存在的極化問題，并且延長(zhǎng)了鉛酸蓄電池的使用壽命。若將本文提出方法中的前級(jí)開關(guān)電源的輸出直流電壓 US由 64 V 改為 300～500 V，則可對(duì)電動(dòng)汽車用電池組進(jìn)行快速充電。

參考文獻(xiàn)：

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[5]朱世盤. 饋能式鉛酸蓄電池快速充電機(jī)的研究[D]. 青島大學(xué), 2013.

A fast charging method by using positive and negative pulse with energy feedback

SUN Yao, WANG Chun-fang*
(School of Automation Engineering, Qingdao University, Qingdao Shandong 266071, China)

Abstract:In order to achieve a fast charging and extend the service life of lead-acid battery, this paper proposes a fast charging method by using positive and negative pulse with energy feedback. Bidirectional buck-boost chopper circuit is the basic charging and discharging circuit of this method. The lead-acid battery is charged during the positive pulse, is discharged and feed back the energy to capacitor during the negative pulse. The circuit realizes zero voltage switch control in the whole process of charging and discharging, so that the switching loss is less. Compared with the traditional positive and negative pulse charging method, the discharging resistance is replaced with energy feedback capacitor during the negative pulse, so the discharging energy is stored and reused during charging. This method effectively solves the problem of wasting the discharging energy and has a certain repair effect. The feasibility and practicability of this method are supported by this experiment.

Key words:energy feedback; positive and negative pulse charging; soft switch; lead-acid battery; fast charging; bidirectional buck-boost chopper circuit

中圖分類號(hào)：TM 912.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-0847(2015)05-233-04

收稿日期：2015–03–19

*通訊聯(lián)系人