铅酸蓄电池变电流脉冲充电器的设计-

1、铅酸蓄电池变电流脉冲充电器的设计曹以龙1陈治川2陈宏伟21上海电力学院计算机与信息工程学院,上海200090 2上海大学自动化系,上海200072摘要本文介绍了铅酸蓄电池的一种快速充电方式:变电流脉冲充电,以及开关电源式充电器的硬件结构和控制方式。实验结果表明:变电流脉冲充电能有效消除大电流充电下电池的极化现象,使得充电速度加快,充电效率提高,同时电池析气量少,温升较低。关键词铅酸蓄电池,脉冲充电,变电流充电,开关电源。1.引言铅酸蓄电池由于其百余年的发展历史,以及其成本低、制造工艺简单、原材料丰富、可大电流放电等优点,目前在通讯、交通、电力等部门得到了广泛的使用。但是,铅酸蓄电池往往由于使用

2、不当,尤其是充电方法不合理,因而充电时间较长,电池出现过充电、析其和温升等现象,导致了铅酸蓄电池容量下降过快、循环使用寿命缩短的问题。另外,传统的铅酸蓄电池充电器采用相控电源,利用可控硅整流,其设备体积庞大,效率低下,动态响应也较差。本文介绍的智能充电机为高频开关电源式,大大减小了整个系统的体积,提高了充电效率;充电方法采用变电流脉冲充电法,使得充电电流更好地逼近蓄电池的可接受充电电流曲线,从而加快了充电的速度,有效地保护了蓄电池,延长了电池的循环使用寿命。2.铅酸蓄电池充电特性电时的最低析气率为前提,提出了蓄电池能够接受的最大充电电流和可接受的充电电流曲线(称为马斯曲线。如图1所示,任意充电

3、时刻的蓄电池可接受的充电电流为I=I0e -at。式中I为蓄电池可接受的充电电流,Io为t=0时刻的最大充电电流,a为蓄电池充电电流的接受比,a=Io/c(c为电池的最大容量。从图1可以看出,蓄电池在充电之初可接受电流很大,但是衰减很快,这是由于在充电的过程中蓄电池内部产生了极化现象,阻碍了电池的继续充电。电池的极化分为欧姆极化、电化学极化和浓差极化三部分,其中,欧姆极化和电化学极化在充电停止时即可消失,而浓度差极化的消除比较缓慢,在数秒内逐渐降低并消失。另外,由铅酸蓄电池的电化学理论可知,当充电电流大于蓄电池的可接受电流时,多出的电能将用于水的电解反应,并不能提高蓄电池的充电电量,反而会导致

4、电池极板上产生气泡,电池内部温度上升,进而损坏电池。因而,充电过程中的电流必须尽可能地逼近马斯曲线。3.变电流脉冲充电法脉冲充电法是近年来比较常用的一种快速充电方法,它使用脉冲电流对蓄电池充电,充一段时间,再停一段时间,反复循环。脉冲充电法通过在充电电流中叠加周期性的负尖脉冲或短时间停止充电,使参加反应的铅离子(Pb2+和反应生成的H+离子和HSO4-离子来得及从电极表面移开,从而使浓度差极化由于扩散作用而降低,允许加大充电电流,以提高蓄电池充电接受率,并缩短充电时间。厦门大学的陈体衔教授在VRLA电池充电实验的基础上提出了变电流间歇充电法,其特点是将恒流充电段改为限电压变电流间歇充电段。充电

5、前期的恒电流充电段采用最佳充电电流,获得绝大部分充电量,充电后期采用恒压充电,获得过充电量,将电池充至完全充电态。笔者以脉冲充电法和变电流间歇充电法为基础,提出变电流脉冲充电法。这种充电方法是把变电流间歇充电法的各恒流充电段中加入许多时间很短的停充间隔,这样各恒流充电段可以看成是由脉宽相同的众多脉冲电流组成。脉冲电流充电时,蓄电池被逐渐充满电量。脉冲电流恒流充电过程中的短间歇可以有效地降低浓度差极化,恒流充电段转换之际的长间歇除了可以减弱浓度差极化外,还可使蓄电池内部经化学反应产生的氢气和氧气有时间重新化合,从而继续参加下一轮的化学反应,减少了析气量,采用这样的方法更有利于前面所述的三种极化现

6、象的消除。另外,此种充电方法还可以减弱电池的硫酸盐化,提高电池的均衡性,从而延长电池的循环使用寿命。4.铅酸蓄电池充电器的设计4.1 主电路智能充电机的硬件电路结构图如图3所示,该系统采用交直交直型电路结构。输入为三相380V交流电,经三相桥式整流后得到486530V的直流电压,当中加滤波电容和均压电阻。 图1 蓄电池充电特性曲线 图2 变电流间歇充电与脉冲充电相结合直流交流变换部分采用H桥变换电路,功率开关器件IGBT的选取:(1耐压值,V DC ,留两倍裕量,取V CES=1200V;(2通态电流值,I N=52A,取Ic=100A;(3开关频率在30kHz到40kHz之间。故选用EUPE

7、C公司的DB_FF100R12KS4 系列IGBT模块。该模块内部集成了两个IGBT功率管,每个功率管上并联了保护二极管。 IGBT功率管的导通和关断由PWM 发生器SG3525产生的驱动信号来控制,由此控制输出电压和输出电流的大小。高频变压器的副边输出采用全波整流电路,经电感、电容滤波后对蓄电池进行充电。4.2 控制系统充电机的控制系统采用DSP芯片,选用了TI公司的TMSLF240X系列的2407芯片。在DSP芯片外部配以采样电路(电池端电压、充电电流和电池温度等、输出控制电路、EEPROM读写电路(读取和存储重要充电参数、键盘扫描电路和SCI串行通信电路(用于上位机控制和联机通讯等。DS

8、P还通过并行线与显示屏驱动芯片T6963C相连接,用户通过键盘和显示屏组成的人机界面可以方便地翻阅菜单,设置充电参数,控制整个充电过程。在该系统中,DSP通过采样电路负责对输出电流、蓄电池端电压、直流母线电压、变压器温度、蓄电池温度等多个模拟量进行采样。其中,充电电流、蓄电池端电压和蓄电池温度等采样值在显示屏上实时显示,以使用户能够及时方便地知道充电参数值以及充电过程正处于哪个阶段;同时,DSP通过对各个温度值的检测,决定系统是否应处于工作状态(指处于对蓄电池的充电状态,当检测到任意一种温度值超过允许值时,立即停机。此外,充电电流和蓄电池端电压这两个反馈量与DSP的输出给定量构成电流和电压闭环

9、控制,其比较值经由PI调节器,作为PWM控制器的输入信号。PWM控制芯片用以输出控制功率管导通关断的信号。在该控制电路中选用的是美国硅通用公司的SG3525芯片,其内部结构图如图4所示。SG3525由输出5.1V、温度系数±1%的基准稳压电源、误差放大器、振荡频率在100Hz到400Hz之间的锯齿波振荡器、翻转触发器和保护电路组成,能够输出两路占空比相等,且相位相差180度的驱动信号。设定输出值通过DAC模块,经过电压和电流闭环后,接SG3525内部误差放大器的同相端(引脚2。SG3525上的OUTA(引脚11和OUTB(引脚14各输出两路信号,经过IGBT集成驱动芯片M57959的

10、放大,传至IGBT的栅极,控制H桥逆变电路上处于对角位置的IGBT功率开关管。4.3 软件结构充电机的软件程序是在CCS2(C2000开发系统下编制而成,程序用C语言编写,采用模块化程序设计方法,整个系统工作的主程序如图5所示。充电机上电开机后进行系统初始化、事件管理器模块初始化、模数转换模块初始化。当定时器1 中断时,将某计时标志累加,用以控制输出脉冲的宽度(即脉冲充电和间歇的时间。当定时器 4 中断时,对各采样值进行模数转换,送DSP处理,除反馈作用外,还起过压、过流和过温保护作用。这些采样值包括电池端电压、直流母线电压、充电电流、电池温度、高频变压器温度等需要监测的物理量。如果这些监测量

11、没有异常情况,则继续执行期望的充电过程。在充电期间系统反复测量蓄电池端电压的大小,若电池端电压超过设定的停充电压,则停止充电一段时间后,再以一定比例减小的电流继续对蓄电池进行下一轮脉冲充电,经过几轮电流递减充电后,切换为恒电压充电模式,此时充电电流不断减小,当减小至涓充电流后在设定时间内无变化,则结束充电过程。充电机的软件程序中为用户设计了丰富的功能菜单。用户进入运行界面后,可以选择充电方式,并根据蓄电池的不同,设置各个充电阶段的充电参数,这些参数包括:起充电流、停充电压、停放电压、充电时间(可选择不使用、变电流系数和脉冲占空比等,并可将这些重要参数保存进EEPROM,以供下次相同蓄电池充电的

12、需要。根据具体充电运行情况的不同,用户可通过操作键盘在充电过程中加大或减小充电电流。 图3 充电器主电路结构图 图4 充电器控制电路结构图5.实验结果在充电实验中,所用的蓄电池为由60节蓄电池串联而成的蓄电池组,完全充电后每节电池电压在2.10V左右,因而蓄电池组电压为126V左右。根据具体情况,充电机的首段充电电流为60A,停充电压值为2.55V/cell,停放电压值为2.35V/cell,电流递减系数为0.6。在试验中,一般情况下经过三段恒流脉冲间歇充电后,转为恒压均充电。经过多次充电试验表明,该智能充电机能够对机车用铅酸蓄电池组进行安全和有效的充电。将蓄电池从完全放电态充至完全充电态,整

13、个充电时间可控制在14小时以内。充电过程中,当每段恒流充电的充电电压快接近停充电压值时,此时蓄电池内部有少量气泡析出,其余时间段内蓄电池始终没有气泡析出,且电池温度也始终在较低的范围之内。完全充电后的铅酸蓄电池其放电容量平均在93%左右。与传统充电工艺相比,不仅充电时间缩短,而且能源的利用率也得到增加。 图5 充电机软件主程序框图表1 充电实验数据记录充电时间(min充电电压(V充电电流(A析气情况30 110.9 60 无60 124.6 60 无90 136.5 60 无120 145.2 60 无150 150.7 60 少量气泡析出172 142.3 36 无210 146.7 36

14、无240 150.4 36 无270 152.4 36 有气泡析出,较前多303 141.9 21.6 无330 144.7 21.6 无360 147.8 21.6 无390 149.6 21.6 少量气泡析出420 152.8 21.6 析出气泡增多443 153.1 7 无540 154.3 7 少量气泡析出660 154.5 7 析出气泡增多6 结语采用变电流脉冲充电的方法,显著缩短了充电的时间,提高了充电的效率和质量,并且有效地消除和减弱了蓄电池的极化现象,从而可以延长蓄电池的循环使用寿命。采用开关电源式的蓄电池充电器,减小了充电装置的体积和重量,使得操作和搬运更加简便,提高了电能的利用效率