光伏發(fā)電系統(tǒng)鉛酸蓄電池快速充電研究

劉旭濤，賴小龍，衛(wèi) 東，趙 磊，王志文

(中國計量學院機電工程學院，浙江杭州310018)

光伏發(fā)電系統(tǒng)鉛酸蓄電池快速充電研究

劉旭濤，賴小龍，衛(wèi) 東，趙 磊，王志文

(中國計量學院機電工程學院，浙江杭州310018)

以使用閥控式鉛酸(VRLA)蓄電池的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，利用馬斯提出的最佳充電曲線，分析鉛酸蓄電池的充電特性，提出了根據(jù)蓄電池阻抗與容抗的變化，預測可接受最大充電電流的方法。根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點，采用變電流方式對鉛酸蓄電池進行快速充電，優(yōu)化充電控制過程。通過對鉛酸蓄電池的實驗驗證和誤差分析，表明所提方法具有較高的精度。最后在Matlab中對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行仿真，仿真研究表明該方法能夠快速地完成充電和避免過充，從而延長蓄電池的使用壽命，實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化運行。

太陽能光伏電池；鉛酸蓄電池；快速充電

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為了保證負載的正常運行，需引入儲能裝置進行儲存和調節(jié)電能。由于閥控式鉛酸(VRLA)蓄電池具有價格低廉、供電可靠等優(yōu)點，因此被廣泛地應用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中。但是太陽能光伏電池的輸出特性受光照和溫度影響較大，發(fā)電時間受到限制，造成了蓄電池長期處于欠壓狀態(tài)，影響了蓄電池的使用壽命[1]。因此設計合適的充電方法，提高太陽能光伏電池對蓄電池的充電速度是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的研究重點。

近年來，針對獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的充電控制方法主要還是沿用其它系統(tǒng)的充電方式，如恒壓充電、恒流充電及多階段充電等，因而性能還不夠完善。這主要是因為蓄電池在其他應用場合中的重要性(特別是性價比)不像獨立光伏系統(tǒng)中那么大，其循環(huán)使用次數(shù)(充、放電次數(shù))也沒有在獨立光伏系統(tǒng)中那么多，并且充電電源來源于電網(wǎng)，對蓄電池更為關心的是充電效率和速度，對循環(huán)使用壽命的考慮較少[2]。隨著太陽能技術的發(fā)展，越來越多的學者開始關注這方面的研究，主要體現(xiàn)在蓄電池容量預測和充電控制方面。

在蓄電池容量預測方面，提出了基于開路電壓和環(huán)境溫度的蓄電池充電狀態(tài)的數(shù)學模型來預測蓄電池的荷電狀態(tài)(SOC)，從而有效地保護蓄電池過放。文獻[3]提出通過找到不同放電電流下，蓄電池過放保護電壓與容量的關系，來設置過放保護電壓。文獻[4]提出采用線性方程來代替Peukert方程對蓄電池容量進行預測，在小電流放電時得到較Peukert更為準確結果，且算法簡單。采用神經(jīng)網(wǎng)絡技術對容量進行預測，而采用模糊辨識方法技術進行預測，具有更高的預測精度。

在充電控制方面，文獻[5]提出采用太陽能光伏電池電流尋優(yōu)方式進行充電，簡化太陽能光伏電池和蓄電池之間的匹配。文獻[6-7]提出采用恒壓方式充電，充電初期充電電流較大，充電末期電流較小，避免充電末期電池內阻較大而使蓄電池過熱，從而延長了蓄電池的使用壽命。還有文獻[8-9]提出由于充電終止電壓和環(huán)境溫度、充電電流以及蓄電池容量的關系難以用一確切的數(shù)學模型描述，因此采用模糊邏輯技術建立模型，其輸入為蓄電池容量和充電電流大小，輸出為充電終止電壓，來對充電進行控制。

然而，容量預測模型只給出了蓄電池容量與過充、過放電壓之間的關系，并沒有詳細揭示蓄電池容量與充電電流之間的關系，而在充電控制方法中由于無法準確獲知蓄電池可接受的最大充電電流，對充電電流的控制更多的是依靠經(jīng)驗值，所以并不能實現(xiàn)最快速地充電，從而降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率。

根據(jù)上述問題，本文針對光伏發(fā)電系統(tǒng)提出了鉛酸蓄電池快速充電控制方法。首先從蓄電池的充電特性出發(fā)，通過分析馬斯提出的最佳充電曲線，建立了蓄電池剩余容量與可接受最大充電電流模型；其次，利用模型計算結果，結合光伏電池的輸出特性，采用變電流方式對鉛酸蓄電池進行快速充電；最后，通過Matlab仿真對本文設計的快速充電方法進行驗證，結果證明了該方法的有效性。

1 快速充電

1.1 快速充電理論依據(jù)

在對蓄電池進行充電的過程中，如果充電電流過大，超出了蓄電池可接受電流能力，則高出的部分并不增加充電率，只會加速內部水分的分解，產(chǎn)生大量氣體；相反，如果充電電流過小，沒有達到蓄電池可接受電流能力，則會增加充電時間。為此，美國科學家馬斯以蓄電池充電過程中最低析氣率為標準，進行了大量的實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)在充電的不同階段，蓄電池可接受電流能力并不相同，可接受電流能力隨充電時間的增加，呈指數(shù)衰減，其充電電流曲線如圖1所示。

圖1 蓄電池可接受充電電流能力曲線

對于任意充電時刻t，蓄電池可接受的充電電流為：

由于蓄電池剩余容量與蓄電池端電壓有關，因此式(4)還可表示為：

1.2 衰減率常數(shù)a

圖2 蓄電池等效電路

文獻[10]中提出，蓄電池的充電過程可以看作RC電路的充電過程，其時間常數(shù)表征充電的快慢，相當于馬斯曲線中的衰減率常數(shù)，則有

2 快速充電控制

蓄電池可接受電流能力曲線給出了充電電流與充電時間的關系，由于太陽能光伏電池發(fā)電受到光照和溫度影響，充電時間并不連續(xù)，因此需對曲線進行適當?shù)淖兓苑瞎夥姵氐陌l(fā)電特性。在利用太陽能光伏電池對蓄電池充電過程中，充電電流與時間可測，因此充入的容量可知，則由式(1)和式(2)可獲得蓄電池在充電過程中任意容量下的可接受最大充電電流，如圖3所示。

圖3 容量與充電電流的關系

本文設計的快速充電方法是首先測得開始充電時蓄電池的端電壓，利用式(4)和式(5)計算需充入容量，利用式(6)～式(8)計算衰減率常數(shù)，利用式(3)計算起始最大可接受充電電流，從而獲得蓄電池在充電過程中任意容量下最大的充電電流。

太陽能光伏電池對蓄電池充電時，由于輸出電壓為蓄電池的端電壓，因此太陽能光伏電池所能提供的最大充電電流即為最大功率點電流。當最大功率點電流低于蓄電池可接受電流時，需對太陽能光伏電池進行最大功率跟蹤，反之，則以蓄電池可接受充電電流進行充電。充電過程中，時時檢測蓄電池端電壓，當端電壓發(fā)生變化時，表明蓄電池容量發(fā)生了變化，此時應重新計算蓄電池可接受充電電流，及時調整太陽能光伏電池的輸出電流，這一過程反復進行，直至蓄電池充滿為止。蓄電池快速充電控制流程圖如圖4所示。

圖4 蓄電池快速充電控制流程圖

3 結果

3.1 模型驗證與誤差分析

表1 鉛酸蓄電池各參數(shù)值

文中利用20 Ω水泥電阻作為負載，對該鉛酸蓄電池在分別放電到端電壓為13、12.5和12 V，再分別對這三種情況下的鉛酸蓄電池進行充電實驗，以0.8mL/min析氣率為標準，記錄了實驗數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)與鉛酸蓄電池可接受充電電流理論曲線如圖5所示。

圖5 充電電流理論曲線與文獻數(shù)據(jù)比較結果

針對三種情況下的數(shù)據(jù)進行誤差計算與分析，相對誤差= |理論計算值-文獻實測值|/文獻實測值，以充電電流為標準值計算充電電流誤差，并給出曲線擬合的最大誤差和平均誤差結果如表2所示。

表2 充電電流誤差分析表

由圖5和表2分析可知，鉛酸蓄電池可接受充電電流理論曲線與文獻實驗數(shù)據(jù)吻合很好，平均誤差小于3%，最大誤差小于5%，具有較高的精度。

3.2 仿真結果分析

在Matlab中對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)進行仿真，其中太陽能光伏電池標準測試條件下參數(shù)如表3所示。

表3 太陽能光伏電池參數(shù)

利用太陽能光伏電池對端電壓為13 V的鉛酸蓄電池進行充電。設定太陽能光伏電池可輸出的最大電流分別為=2.27 A、=1.5 A和=1 A三種情況，充電過程如圖6所示。

圖6 不同情況下蓄電池充電電流曲線

分析圖6可知，充電初始階段，如果太陽能光伏電池的最大功率點電流低于蓄電池可接受電流時，光伏系統(tǒng)將工作在最大功率點跟蹤狀態(tài)。此時，由于充電電流沒有達到蓄電池的可接受電流，造成充入的容量減少，需要在后續(xù)的充電過程中補上，因此形成了新的充電曲線。隨著充電過程的進行，充電電流按照馬斯快速充電曲線的規(guī)律逐漸衰減，最大限度的縮短了充電時間，避免了蓄電池的過充，從而延長了蓄電池的使用壽命。

本文選用12 V20 Ah鉛酸蓄電池實驗數(shù)據(jù)，驗證快速充電模型的準確性和有效性，表1為該鉛酸蓄電池各參數(shù)值。

4 結論

本文通過分析蓄電池的充電特性，結合馬斯定律，建立了蓄電池剩余容量與可接受最大充電電流模型。利用模型計算結果，結合太陽能光伏電池的輸出特性，采用變電流方式對鉛酸蓄電池進行快速充電。與文獻實測數(shù)據(jù)進行的比較和誤差分析結果表明：(1)利用鉛酸蓄電池的阻抗和容抗計算獲得的蓄電池剩余容量與可接受最大充電電流模型具有較高的精度，可滿足蓄電池充電的工程應用的要求；(2)通過預測任意容量下的蓄電池可接受最大充電電流，采用變電流方式對鉛酸蓄電池進行快速充電的方法，能夠描述任意光強和環(huán)溫下的太陽能光伏電池充電特性。

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圖5 催化劑在1.0 mol/L KOH-1.0 mol/L CH3OH溶液中的計時電流曲線

3 結論

以導電聚合物聚苯胺修飾的碳納米管為載體制備了甲醇電氧化催化劑。聚苯胺修飾碳載體的采用，使得載體表面Pd納米粒子的負載更加均勻，分散性能得到改善，對甲醇氧化反應具有較高的催化活性。與 Pd/CNTs催化劑相比，Pd/CNTs-PANI(1∶0.08)催化劑上的氧化電流峰值明顯增大，氧化起始電位負移，動力學性能得到提高。聚苯胺修飾載體制備的催化劑對甲醇氧化具有較高的活性和穩(wěn)定性。

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Study on fast charging for lead-acid battery in PV system

The acceptable charging current of the VRLA battery was predicted according to the change of impedance and captance in the independent PV system.The charging characteristics were analyzed based on Mass theory on the optimization charging curve.The variable current charge mode was used to optimize charging control process according to the characteristics of the independent PV system.The experiment and error analysis of the VRLA battery show that the method possesses high accuracy.By simulation,it was verified that the method could complete fast charging and avoid overcharge,thus the battery's life was extended and the performance of the PV system was improved.

solar cell；lead-acid battery；fast charging

TM615

A

1002-087X(2016)12-2377-04

2016-05-10

國家高技術研究發(fā)展“863”計劃(2012AA051901)；浙江省自然科學基金(Y13F030028)

劉旭濤(1992—)，男，浙江省人，本科，主要研究方向為新能源混合發(fā)電。