基于時(shí)分隔離技術(shù)的充電模式的研究

毛 萌，劉立新，金國(guó)衛(wèi)，鄺 凡，黃懿赟

(1.中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所，安徽合肥230031；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司重慶分公司，重慶400123；3.黃山市金屹電源制造有限公司，安徽黃山245000)

基于時(shí)分隔離技術(shù)的充電模式的研究

毛 萌1，劉立新2，金國(guó)衛(wèi)3，鄺 凡1，黃懿赟1

(1.中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所，安徽合肥230031；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司重慶分公司，重慶400123；3.黃山市金屹電源制造有限公司，安徽黃山245000)

時(shí)分隔離技術(shù)能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)蓄電池組的電氣隔離，同時(shí)可將組合開關(guān)電源對(duì)并聯(lián)蓄電池組充電模式改變?yōu)槊}沖充電。構(gòu)建了鉛酸蓄電池的充電模型，并對(duì)恒流充電和脈沖充電兩種充電方式進(jìn)行技術(shù)分析和仿真對(duì)比，結(jié)果表明，脈沖充電較恒流充電能夠有效提高充電效率并優(yōu)化充電性能，為時(shí)分隔離技術(shù)的推廣與使用提供了重要的理論依據(jù)。

時(shí)分隔離技術(shù)；并聯(lián)；建模；恒流充電；脈沖充電

鉛酸蓄電池常作為獨(dú)立的電源廣泛地應(yīng)用于通信及電力部門。由于受單體電池容量的限值，往往采用并聯(lián)運(yùn)行的方法來延長(zhǎng)蓄電池組的持續(xù)放電時(shí)間，但即使是相同規(guī)格型號(hào)的鉛酸電池，其電動(dòng)勢(shì)及內(nèi)阻也會(huì)受到諸多因素的影響而導(dǎo)致其端電壓難以保持一致，將這樣的蓄電池進(jìn)行并聯(lián)運(yùn)行后將會(huì)產(chǎn)生一定的弊病，并且在現(xiàn)有蓄電池組并聯(lián)技術(shù)方案中，蓄電池組之間通常只是利用開關(guān)或者熔斷器進(jìn)行隔離，但這種簡(jiǎn)單的機(jī)械隔離并沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的電氣隔離，因此，在并聯(lián)鉛酸蓄電池組的運(yùn)行過程中，有效地隔離結(jié)構(gòu)能夠使蓄電池組運(yùn)行在最好的工況下。鉛酸蓄電池的基礎(chǔ)充電方法有常規(guī)充電方法和快速充電方法，常規(guī)充電法中的恒流充電和恒壓充電一般不單獨(dú)進(jìn)行使用，而將二者相結(jié)合組成的分階段充電由于其良好的特性而被廣泛使用?？焖俪潆姺ǖ暮诵乃枷胧敲}沖充電，脈沖充電能夠顯著提高電池的充電性能，諸如縮短充電時(shí)間、節(jié)約充電電能、提高電池壽命和增加電池容量等。因此，將幾種充電方法相結(jié)合來對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，這將會(huì)極大地提升電池的充電性能。

1 時(shí)分隔離充電技術(shù)原理分析

并聯(lián)蓄電池專利[1]提出了一種新型的時(shí)分隔離技術(shù)，如圖1所示，該專利從充放電兩個(gè)角度分別優(yōu)化了并聯(lián)蓄電池組的工作性能。

圖1 時(shí)分隔離充電模型

在蓄電池組進(jìn)行充電的過程中，利用序列脈沖輸出驅(qū)動(dòng)控制電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，按一定的時(shí)間間隔輪流驅(qū)動(dòng)異步充電支路中的場(chǎng)效應(yīng)管V1～V，從而將組合開關(guān)電源對(duì)并聯(lián)蓄電池的連續(xù)恒流充電改變?yōu)槊}沖充電，以達(dá)到對(duì) 組蓄電池進(jìn)行隔離充電的目的。由于每條支路在分別進(jìn)行充電的過程中，其脈沖充電的電流強(qiáng)度提高為恒流充電方法的n倍，而脈沖大電流充電方式對(duì)改善并聯(lián)蓄電池的充電性能如增加蓄電池容量、增強(qiáng)除硫效果和延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命都是非常有利的[2]。

在蓄電池組進(jìn)行放電的過程中，在每條放電支路中放置二極管D1～Dn，利用其單向?qū)ǖ奶匦允垢髦沸铍姵刂荒芘c通信負(fù)荷構(gòu)成回路，不與其他支路的蓄電池構(gòu)成直接連通的關(guān)系，從而消除了蓄電池組間相互充電、鉗位等危害。若在運(yùn)行過程中某支路蓄電池因損壞而導(dǎo)致其端電壓下降，則受D1～Dn的隔離作用，該支路將會(huì)退出供電，該均流保護(hù)作用使得損壞的蓄電池支路不至于拖垮其他支路，而導(dǎo)致整個(gè)并聯(lián)蓄電池組運(yùn)行的崩壞。

2 脈沖充電技術(shù)的仿真研究

對(duì)于通信基站中電源電壓為48 V的負(fù)載，通常情況下采用由12節(jié)2 V 500 Ah的鉛酸蓄電池進(jìn)行串聯(lián)后對(duì)其進(jìn)行供電，基于容量及放電時(shí)間的考慮，會(huì)適當(dāng)增加蓄電池的并聯(lián)支數(shù)。時(shí)分隔離充電技術(shù)中很重要的一點(diǎn)就是將組合開關(guān)電源對(duì)并聯(lián)蓄電池的連續(xù)恒流充電改變?yōu)槊}沖充電，故而將這兩種充電方法進(jìn)行比較是非常有必要的。選擇采用建模仿真的方法，下面就利用蓄電池的充電過程中各種物理參數(shù)和電氣參數(shù)，對(duì)時(shí)分隔離技術(shù)中的脈沖充電方法進(jìn)行分析研究。

2.1 鉛酸蓄電池的建模

目前，在精確建模過程中使用較為廣泛的鉛酸蓄電池的模型，是由Massimo Creole提出的三階動(dòng)態(tài)模型[3]，而其余蓄電池的模型如初等模型和Thevenin模型[4]，則由于建模參數(shù)多為常數(shù)而導(dǎo)致模型不夠精確，只在精確度要求不高的情況下進(jìn)行應(yīng)用。

三階動(dòng)態(tài)模型從電氣描述的角度，可看做是由2個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)和1個(gè)代數(shù)支路組成的等效電路，如圖2示。該模型從主反應(yīng)電路和寄生支路兩個(gè)部分對(duì)鉛酸蓄電池的基本特性進(jìn)行了較為精確的描述：主反應(yīng)電路體現(xiàn)了蓄電池內(nèi)部的能量散發(fā)現(xiàn)象、歐姆效應(yīng)和電極反應(yīng)，而寄生支路則主要體現(xiàn)了蓄電池的自放電現(xiàn)象和水解反應(yīng)。

圖2 鉛酸蓄電池的三階動(dòng)態(tài)模型

三階動(dòng)態(tài)模型的數(shù)學(xué)描述則是從電氣參數(shù)和物理參數(shù)表達(dá)式的角度來對(duì)電池模型進(jìn)行定義的，相關(guān)數(shù)學(xué)表達(dá)式及相關(guān)參數(shù)已在文獻(xiàn)[3]中有詳細(xì)表述。由其數(shù)學(xué)描述可以看出該單體鉛酸蓄電池模型的輸入量為電池組的充電電流(A)和環(huán)境溫度(℃)，輸出量為電池組的荷電狀態(tài)SOC、充電深度DOC、電池端電壓(V)及電池電解液溫度(℃)，在Matlab-Simulink中建立鉛酸蓄電池系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真模型如圖3所示，在模型的具體運(yùn)算過程中，還應(yīng)設(shè)置相關(guān)初始值與邊界值以完善模型的合理性與準(zhǔn)確性。

圖3 鉛酸蓄電池系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真模型

2.2 仿真結(jié)果

2.2.1脈沖充電同直流充電的仿真對(duì)比

在已建立的鉛酸電池模型仿真基礎(chǔ)上，針對(duì)鉛酸電池蓄電池恒流充電與脈沖充電這兩種充電模式進(jìn)行仿真比較，保持鉛酸蓄電池模型構(gòu)架不變，僅改變不同充電模式下的鉛酸電池充電時(shí)所需自行設(shè)置外部參數(shù)，所建立的針對(duì)這兩種充電模式同時(shí)進(jìn)行仿真的模型如圖4所示。不同充電模式下鉛酸電池具體的外部充電參數(shù)設(shè)置如下：

圖4 鉛酸電池脈沖充電同直流充電的仿真模型

(1)荷電狀態(tài)SOC的比較和充電深度DOC的比較

荷電狀態(tài)SOC代表了蓄電池現(xiàn)有容量相對(duì)于其完全充電狀態(tài)狀態(tài)的容量的大小，在兩種充電模式下，鉛酸電池的荷電狀態(tài)SOC的變化曲線如圖5所示，可以看出在相同時(shí)間內(nèi)，脈沖充電方式下電池的荷電狀態(tài)SOC值大于恒流充電方式下的荷電狀態(tài)SOC值，這說明了在相同的充電時(shí)間內(nèi)，脈沖充電較恒流充電能夠給電池充入更多的電量，能夠有效地提高鉛酸電池的容量。由于在充電過程中，電池的荷電狀態(tài)SOC和DOC在定義上只有少許差別，SOC表示在給定溫度的條件下，電池相對(duì)其最大容量的充滿程度，DOC則表示電池相對(duì)于其實(shí)際容量的充滿程度，該實(shí)際容量值是以恒定電流充電時(shí)得到的電池容量，故在充電過程中，二者是相近的，在兩種充電模式下的鉛酸電池充電深度DOC的變化曲線如圖5所示。可以看出，在達(dá)到相同充電深度DOC值的情況下，脈沖充電較恒流充電耗時(shí)更短。但是在放電過程中，荷電狀態(tài)SOC和放電深度DOD的定義卻是截然不同的，并且有SOC+DOD=1的數(shù)學(xué)關(guān)系。

圖5 兩種充電模式下荷電狀態(tài)SOC曲線和DOC曲線

在允許的溫度范圍內(nèi)，較高的電池電解液溫度有助于電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)速率的加快，能夠起到增加電池容量的作用，但是過高的電解液溫度會(huì)對(duì)蓄電池產(chǎn)生損害從而縮短其循環(huán)壽命。在兩種充電模式下，鉛酸電池電解液溫度的變化曲線如圖7所示，可以看出在兩種模式下電解液溫度的變化并不大，但該變化不大的溫差是在脈沖電流幅值增大近一倍的情況下產(chǎn)生的，故可以表明蓄電池在脈沖充電過程中表現(xiàn)出了較好的溫度特性。

圖6 兩種充電模式下端電壓曲線

圖7 兩種充電模式下電解液溫度曲線

(4)電池各等效內(nèi)阻的比較

鉛酸蓄電池的內(nèi)阻一般情況下可分為極化內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻。極化內(nèi)阻主要考慮的是正負(fù)極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)阻，歐姆內(nèi)阻則指的是電極材料、電解液和隔膜之間的電阻。在兩種充電模式下，鉛酸電池模型中等效的極化內(nèi)阻、的變化曲線如圖8所示，可以看出，模型中反應(yīng)極化電阻大小的和在恒流充電過程中的阻值都大于脈沖充電過程中的阻值，故可以表明脈沖充電能夠降低蓄電池在充電過程中所產(chǎn)生的極化電阻值。

圖8 兩種充電模式下極化內(nèi)阻和曲線

圖9 兩種充電模式下歐姆內(nèi)阻曲線

2.2.2不同占空比下脈沖充電的仿真對(duì)比

脈沖充電同恒流充電最大的區(qū)別在于充電電流的不同，鉛酸電池在恒流充電過程中保持電流幅值的大小不變，而脈沖充電的充電電流是一組組的脈沖電流，雖然在充電過程中同樣保持了脈沖電流的幅值不變，但是其頻率和占空比都是可調(diào)的，故為了使鉛酸蓄電池在達(dá)到最好的充電效果，我們可以通過調(diào)節(jié)其頻率和占空比來對(duì)其充電性能進(jìn)行研究。但是由于本文在對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行數(shù)學(xué)建模過程中，在對(duì)電荷量的數(shù)學(xué)模型定義時(shí)采取了積分的形式，這就直接導(dǎo)致了無法體現(xiàn)脈沖充電電流的頻率大小對(duì)輸出量的影響，故在此只對(duì)不同占空比情況下脈沖充電的仿真結(jié)果進(jìn)行研究比對(duì)。

在仿真之前設(shè)置相關(guān)外部參數(shù)，將各脈沖充電電流的占空比分別設(shè)置為70%和60%，設(shè)置脈沖充電的脈沖幅值均為100 A和脈沖周期均為10 s，然后進(jìn)行仿真得到相關(guān)輸出量的變化曲線如圖10所示?？梢钥闯觯?dāng)脈沖充電電流的占空比降低，即脈沖電流空閑時(shí)間增大時(shí)候，鉛酸電池模型的輸出量荷電狀態(tài)SOC和充電深度DOC都有所下降，這表明減小脈沖充電電流的占空比會(huì)在一定程度上降低蓄電池的容量，同時(shí)輸出量蓄電池端電壓和電解液溫度也呈下降趨勢(shì)，并且端電壓曲線的斜率更為平緩，這證明了較低的占空比有利于維持蓄電池端電壓的平穩(wěn)性和較低的電解液溫度，但是考慮到由于電池容量的下降會(huì)直接導(dǎo)致充電時(shí)間的延長(zhǎng)，故應(yīng)在充電過程中適當(dāng)選擇脈沖充電電流的占空比以達(dá)到最佳的充電效果。

3 結(jié)論

本文主要介紹了一種新型的并聯(lián)蓄電池專利，利用仿真的方法對(duì)該專利所產(chǎn)生的脈沖充電方式進(jìn)行分析和研究。將脈沖充電方式與恒流充電方式進(jìn)行仿真對(duì)比，從荷電狀態(tài)SOC和充電深度DOC的角度證明了脈沖充電較恒流充電可夠有效地提高鉛酸電池的容量；通過對(duì)蓄電池端電壓和電解液溫度的對(duì)比，可以看出采用脈沖充電方式下的蓄電池有著更平穩(wěn)的端電壓變化情況和較好的溫度特性；綜合考量蓄電池的極化內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻，能夠得出脈沖充電能起夠到減少蓄電池內(nèi)阻的結(jié)論。在針對(duì)脈沖充電相關(guān)參數(shù)設(shè)置的仿真過程中，在減小脈沖電流的占空比時(shí)，蓄電池的容量有所降低，同時(shí)也有著斜率更為平緩的端電壓fffd62和降低的電解液溫度fffd61。以上仿真結(jié)果證明了該并聯(lián)蓄電池專利中所提出的時(shí)分隔離技術(shù)在充電性能上的優(yōu)越性，為其推廣與使用提供了理論依據(jù)。

[1]中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司.并聯(lián)蓄電池組充放電保護(hù)裝置：中國(guó),ZL201020502722.4[P].2011-10-12.

[2]劉立新，魏弢.基站(房)并聯(lián)蓄電池組時(shí)分隔離技術(shù)研究[J].通信電源技術(shù)，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]王治國(guó)，高玉峰，楊萬利.鉛酸蓄電池等效電路模型研究[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，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

國(guó)家磁約束聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)(2015GB103000)

毛萌(1990—)，女，陜西省人，碩士生，主要研究方向?yàn)樽冸娬径卧O(shè)計(jì)及繼電保護(hù)。