鉛酸蓄電池充電機充電控制策略
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鉛酸蓄電池充電機充電控制策略
陳亞愛
陳亞愛 ,女，教授，北方工業大學機電工程學院自動化系教師，1984年7月畢業于同濟大學電氣工程系工業自動化專業，同年7月到北方工業大學任教。
主要研究方向：電力電子及應用、電氣傳動等
主講課程：《電機學》、《供電系統》、《電力拖動基礎》、《建筑供配電》、《自動控制原理》、《建筑電氣技術》、《電工學》等。
獲得的主要榮譽
1、主持的“現代電力電子技術教學實驗改革——三電平實驗平臺的開發方案”教學研究項目2008年獲北方工業大學二等獎；
2、參編的《開關變換器的建模與控制》獲北京市精品教材；
3.《電機與拖動基礎》校級精品課的主持人之一。
學術兼職（其他）
第二屆中國機械工業教育協會電力電子與電力傳動分會委員
摘要：鉛酸蓄電池以其容量大、壽命長、性價比高、輸出電壓穩定等優點被廣泛應用于各個領域。優良的充電機充電控制策略不僅能縮短充電機充電時間，而且能相對延長蓄電池使用壽命，因此，鉛酸蓄電池充電機充電控制策略在其應用過程中占有重要地位，并已取得了長足發展。在現有鉛酸蓄電池充電機充電控制策略基礎上，對其進行分類和歸納，總結了不同充電機充電控制策略的特點及其應用場合，為鉛酸蓄電池充電機充電控制策略研究和工程應用提供參考。
關鍵詞：鉛酸蓄電池；充電機充電控制策略；恒壓充電機充電；恒流充電機充電；脈沖充電機充電
中圖分類號：TM 912 文獻標識碼：A 文章編號：1002-087 X(2017)04-
Charging control strategy of lead acid battery
CHEN Ya-ai, QIU Huan, ZHOU Jing-hua, LIU Ming-yuan
(Beijing Frequency Conversion Technology Engineering Research Center, North China University of Technology, Beijing 100144, China)
Abstract: Lead acid battery is widely used in various fields for its advantages of large capacity, long life, high cost performance and stable output voltage. Excellent charging control strategy can not only shorten the charging time, but also to extend the service life of the battery, therefore, lead-acid battery charging control strategy plays an important role in its application process, and has made considerable development. Based on the existing lead acid battery charging control strategy, the characteristics and application situations of different charging control strategies were summarized, providing reference for the research and engineering application of the lead acid battery charging control strategy.
Key words: lead acid battery; charge control strategy; constant voltage charge; constant current charge; pulse charge
鉛酸蓄電池以其性價比高、使用壽命長、輸出電壓穩定等優點占據著極其重要的市場地位[1]。隨著鉛酸蓄電池廣泛應用，其充電機充電控制策略不斷發展，如圖1所示。在不影響鉛酸蓄電池使用壽命的前提下，實現鉛酸蓄電池高效、快速充電機充電是蓄電池業界多年來期待解決的問題。
1 連續式充電機充電
1.1 恒壓式充電機充電
1.1.1傳統恒壓充電機充電
傳統恒壓充電機充電控制策略是指通過控制充電機充電機輸出恒定的電壓對蓄電池進行充電機充電的控制策略，其充電機充電電壓和電流曲線如圖2所示。由圖2可見充電機充電初期電流過大，會使鉛酸蓄電池正、負極板上的活性物質大量脫落，影響鉛酸蓄電池的循環使用壽命。因此該控制策略只有在蓄電池需要低電壓大電流充電機充電時才采用[2]。
1.1.2恒壓限流充電機充電
恒壓限流充電機充電是在恒壓充電機充電基礎上，為解決充電機充電初期電流過大而提出的[3]，這種改進的恒壓充電機充電控制策略能克服恒壓充電機充電初期電流過大的缺點，又使控制設備簡單的優勢得以發揮。
1.2 恒流式充電機充電
1.2.1傳統恒流充電機充電
傳統恒流充電機充電是通過控制充電機充電機的輸出電壓實現充電機充電電流恒定，其充電機充電電流電壓曲線如圖3(a)所示，充電機充電機的輸出電壓必須持續增加，才能保證充電機充電電流恒定，其電能轉化率低。在充電機充電前期，鉛酸蓄電池可接受充電機充電電流較大，采用恒流充電機充電可對蓄電池迅速充入較多電量。隨著充電機充電的繼續，蓄電池可接受電流急劇減小，額外的電流大部分用于電解水并使電池發熱，對極板造成損壞，嚴重影響使用壽命，且整個過程需人員看管。通常只有在對蓄電池初充電機充電或小電流去硫化時才使用恒流充電機充電控制策略。
1.2.2階段恒流充電機充電
為了解決傳統恒流充電機充電對電池壽命影響大、電能轉化效率低等問題，文獻[4]提出了一種階段式恒流充電機充電控制策略，其充電機充電電流曲線如圖3(b)所示。在充電機充電過程中階段性降低充電機充電電流，將充電機充電電流分為多段，可縮短充電機充電時間，大幅延長蓄電池的使用壽命（5段恒流充電機充電循環壽命達272次），并能提高電能利用率。理論上，分段越多對蓄電池充電機充電效果越好，但從充電機充電機成本和體積上考慮，5段恒流充電機充電最為適合。實驗表明，該充電機充電控制策略不僅使充電機充電時間縮短了20%，而且鉛酸蓄電池的循環使用壽命延長了1倍以上，將其應用在電動自行車上效果顯著。
1.3 階段式充電機充電
1.3.1恒流-恒壓充電機充電
恒流-恒壓兩段式充電機充電是結合恒流與恒壓充電機充電而提出的充電機充電控制策略，如圖4(a)所示。在充電機充電初期采用恒流充電機充電，能克服恒壓充電機充電初期電流過大對蓄電池使用壽命造成影響的缺點；充電機充電中后期采用恒壓充電機充電，使充電機充電電流更接近馬斯曲線，可以克服恒流充電機充電后期電流過大的缺點。
1.3.2恒流-恒壓-恒流充電機充電
恒流-恒壓-恒流三階段充電機充電控制策略在充電機充電初期采用恒流充電機充電、中期采用恒壓充電機充電、末期采用恒流充電機充電，其充電機充電電流曲線如圖4(b)所示。該充電機充電控制策略能避免充電機充電初期電流過大和充電機充電末期電流過小的問題。在充電機充電中期采用恒壓充電機充電能夠使充電機充電電流更接近馬斯曲線，在減少析氣的情況下提高充電機充電速度；末期的恒流充電機充電（小電流）可將蓄電池充至滿電狀態，延長蓄電池的使用壽命。
采用階段式充電機充電控制策略的充電機充電設備簡單，無需復雜的控制器，因此被廣泛應用于火車、輪船、汽車、廠礦、光伏儲能鉛酸蓄電池充電機充電。
2 間歇式充電機充電
2.1 變電流間歇充電機充電
采用恒壓、恒流等連續式充電機充電控制策略時，蓄電池端電壓達到飽和后，其可接受的充電機充電電流將變小，這時應停充一段時間，使蓄電池兩極附近在充電機充電過程中形成的物質充分擴散，提高下一周期的充電機充電效率。
文獻[5]提出了一種變電流間歇充電機充電控制策略，其充電機充電曲線如圖5(a)所示。在充電機充電初期采用大電流向蓄電池迅速充入大電量；充電機充電中期間歇性減小充電機充電電流，使充電機充電電流在蓄電池可接受范圍內，減少析氣量的同時充入更多電量；充電機充電后期用0.1 C的小電流對蓄電池進行補足充電機充電。
文獻[6]在變電流間歇充電機充電控制策略的應用過程中發現，某些充電機充電階段蓄電池端電壓會很快達到停充電機充電壓限值，而有時則充電機充電很長時間端電壓都無法達到停充電機充電壓限值，所以必須對充電機充電時間進行限幅，確保變電流間歇充電機充電順利進行。該充電機充電策略適用于電動車、廠礦等領域。
2.2 變電壓間歇充電機充電
文獻[7]提出了一種以變電流間歇充電機充電為基礎的變電壓間歇充電機充電控制策略，其充電機充電曲線如圖5(b)所示，在恒壓充電機充電周期內，充電機充電電流最接近馬斯曲線，蓄電池析氣量小。就工程角度而言，變電壓控制比變電流控制更易實現[8]。
3 脈沖式充電機充電
3.1 單向脈沖充電機充電
脈沖充電機充電控制策略是采用脈沖形式的電壓或電流進行充電機充電，其充電機充電曲線如圖6(a)所示。在脈沖間的停充階段，鉛酸蓄電池中的充電機充電產物能充分擴散，使下一階段充電機充電更加順利地進行。
文獻[9-13]提出了一種慢脈沖快速充電機充電控制策略，將充電機充電過程分為兩段，分別采用恒流脈沖和恒壓脈沖，其充電機充電電流曲線如圖6(b)所示。在每次大電流脈沖后緊跟一個小電流維持脈沖，維持脈沖可在蓄電池內形成一定強度的電場，加速電解液離子擴散，使濃差極化快速減弱或消除。文獻[11-13]的研究表明，慢脈沖充電機充電控制策略在快速充電機充電的同時不僅能減少充電機充電時蓄電池的析氣量，而且能大幅度提高蓄電池壽命。該充電機充電策略適用于電動汽車、電動叉車的快速充電機充電。
3.2 正負脈沖充電機充電
3.2.1正負脈沖間單次停充
ReflexTM充電機充電控制策略是一種正負脈沖間單次停充的充電機充電控制策略，即在單向脈沖充電機充電基礎上加入短時反向放電脈沖，之后再停充一段時間，然后進入下一周期，其充電機充電電流曲線如圖7(a)所示。反向放電脈沖可有效去極化，且可對極板上產生的氣體和附著物質進行沖刷，使蓄電池內部物質在停充階段變得更均衡，提高下一周期的充電機充電效率。文獻[14]通過實驗對比了兩段式、脈沖式以及ReflexTM三種充電機充電控制策略，實驗表明，脈沖充電機充電控制策略具有明顯優勢。
3.2.2正負脈沖間兩次停充
正負脈沖間兩次停充是在ReflexTM充電機充電技術的基礎上，正向脈沖充電機充電與反向脈沖放電之間加入停充階段，其充電機充電電流曲線如圖7(b)所示。若在正向脈沖充電機充電后直接反向大電流放電，會使鉛酸蓄電池極板彎曲，嚴重時會導致極板變形甚至脫落，因此在正向脈沖后進入短時停充階段使充電機充電過程變得更加平滑，避免對極板造成傷害。
4 智能充電機充電
文獻[3，15-21]提出了跟蹤鉛酸蓄電池充電機充電參數并根據參數變化進行有效控制的智能充電機充電控制策略。通過采集蓄電池充電機充電過程中的溫度、端電壓、充電機充電時間等數據，控制器自動調整充電機充電電流更接近馬斯曲線，并減少析氣量，提高充電機充電速度。智能充電機充電控制策略能基本實現充電機充電過程無析氣，最大限度地保護蓄電池使用壽命。
文獻[15-16]介紹了一種通過模糊邏輯在線預測蓄電池荷電狀態，并結合電池溫度參數共同確定電池可接受電流大小的充電機充電控制策略，但由于充電機充電過程中未加入去極化措施，使充電機充電后期蓄電池可接受充電機充電電流減小，充電機充電效率較低。
文獻[21]提到了一種化學過程跟蹤充電機充電控制策略，充電機充電機對蓄電池充電機充電過程中的化學狀態進行跟蹤，實時監測充電機充電狀態，并對充電機充電電流進行調整，從而達到最佳充電機充電電流。該控制策略可大量節約電能，蓄電池溫度不會升高，對電池壽命影響小，但充電機充電機成本過高，無法推廣。
5混合式充電機充電
上述各種單一式充電機充電控制策略已很難滿足工程中蓄電池充電機充電需求，為了進一步提高充電機充電速度和延長蓄電池使用壽命，文獻[22-27]結合恒流充電機充電、恒壓充電機充電、間歇式充電機充電以及脈沖充電機充電等控制策略的優點，提出了幾種混合式充電機充電控制策略。
文獻[3]、[22]將脈沖充電機充電與變電流間歇充電機充電控制策略相結合，提出了具有正負零脈沖的三階段恒流快速充電機充電控制策略，其充電機充電電流曲線如圖8所示。該充電機充電控制策略能提高充電機充電速度，減少蓄電池析氣量，節約電能。文獻[3]通過實驗證明了該充電機充電控制策略相對于三段恒流充電機充電，具有充電機充電速度快、效率高等優點。
文獻[23-24]將恒流充電機充電、變電流間歇充電機充電以及正負脈沖充電機充電控制策略相結合，提出了一種恒流-脈沖-變電流間歇充電機充電混合控制策略，其充電機充電電流曲線如圖9所示。文獻[23]通過實驗驗證了該充電機充電控制策略的可行性，文獻[24]在文獻[23]的基礎上采用DSP控制器實現了該充電機充電控制策略。
文獻[25]在電壓脈沖充電機充電的基礎上提出了一種變電壓正負脈沖充電機充電控制策略，其充電機充電電壓曲線如圖10所示，即將充電機充電過程分為三個或更多階段，分階段逐步減小脈沖電壓寬度。文獻[25]以簡單電路和普通元器件成功研制出變電壓正負脈沖充電機充電機，實驗證明該充電機充電控制策略能有效去極化，提高蓄電池可接受充電機充電電流，縮短充電機充電時間，不損害蓄電池壽命。該充電機充電控制策略可應用于牽引、電動汽車鉛酸蓄電池充電機充電。
6 結論
鉛酸蓄電池有各種充電機充電控制策略，每種充電機充電控制策略都有各自的特點，在應用過程中可根據不同需求選擇適合的充電機充電控制策略。目前，鉛酸蓄電池充電機充電控制策略發展的總體趨勢是高效、快速。在充電機充電速度變得越來越快的同時，充電機充電控制策略也更加復雜，新型充電機充電控制策略都是綜合了多種基本控制策略的優點，其控制難度也越來越高，有些控制策略已經無法由單片機來完成，需要功能更強大的DSP來實現。
當前實際應用中，大部分還是采用兩段式、三段式充電機充電控制策略，不僅充電機充電速度慢，而且對蓄電池壽命影響大。而充電機充電速度快、對蓄電池壽命影響小的充電機充電控制策略也只是在研究過程中，沒有推廣和應用，并都是針對小容量蓄電池進行研究的，還沒有專門針對大容量蓄電池進行有效的實驗。因此，如何將優良的充電機充電控制策略應用于實際工程中，將成為研究的熱點。
參考文獻：
[1] 梁翠鳳，張雷. 鉛酸蓄電池的現狀及發展方向[J]. 廣東化工，2006，33：4-6.
[2] 程超會. 多階段正負脈沖鉛酸蓄電池充電機充電系統設計[D]. 河南：河南師范大學，2011.
[3] 趙鍵. 基于智能控制技術的鉛酸蓄電池充電機充電設備的研究[D]. 南京：南京理工大學，2008.
[4] 陳靜瑾，余寧梅. 閥控鉛酸蓄電池分段恒流充電機充電特性的研究[J]. 電源技術，2004，28(1)：32-33.
[5] 李慶龍，陳體銜. 變電流間歇快速充電機充電法[J]. 電池，1997，27(6)：266-281.
[6] 郭俊，曹以龍. 新型礦用電機車蓄電池充電機充電裝置[J]. 煤礦機電，2007(1)：63-65.
[7] 王庫，馮義. 快速充電機充電技術的探討[J]. 中國農業大學學報，2001，6(2)：62-67.
[8] 李敬兆. 采用神經網絡預測和變結構模糊控制的鉛酸蓄電池最優充電機充電技術研究[D]. 合肥：合肥工業大學，2003.
[9] 王堅，秦大為. 慢脈沖快速充電機充電方法的研究[J]. 電池工業，2002，7(3/4)：160-164.
[10] 王堅. 慢脈沖快速充電機充電方法：中國，1269616A[P].2000-10-11.
[11] 馬以春，王堅. 慢脈沖快速充電機充電方法析氣性能的研究[J]. 電源技術，2004，28(6)：358-360.
[12] 王堅. 慢脈沖快速充電機充電延長鉛酸蓄電池壽命的研究[J]. 電池，2005，35(4)：288-289.
[13] 王堅. 慢脈沖快速充電機充電對蓄電池不同DOD循環壽命影響的研究[J]. 蓄電池，2007（2）：60-63.
[14] HUA C C, LIN M Y. A study of charging control of lead-acid battery for electric vehicles[C]//IEEE International Symposium on Industrial Electronics. Universidad de las Américas-Puebla, México: IEEE, 2000:135-140.
[15] HUNTER P M, ANBUKY A H. VRLA battery rapid charging under stress management[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2003, 50(6): 1229-1237.
[16] 肖有文. 鉛酸蓄電池智能充電機充電機研究與設計[D]. 天津：天津大學，2010.
[17] SWATHIKA R，RAM R K G，KALAICHELVI V，et al. Application of fuzzy logic for charging control of lead-acid battery in stand-alone solar photovoltaic system[C]//International Conference on Green Computing, Communication and Conservation of Energy. Chennai, India: IEEE，2013: 377-381.
[18] 徐寧，杜少武.電動車用智能型快速充電機充電機的研制[J]. 合肥工業大學學報，2001，24(1)：119-124.
[19] JIA G X, XIAO Y W, ZHAO H C. Lead-acid battery intelligent charger control strategy study[C]// International Conference on Consumer Electronics, Communications and Networks. Chiang Mai, Thailand: IEEE，2011: 2290-2293.
[20] 彭曉光. 節能型快速智能充電機充電裝置的研制[D]. 北京：北京工業大學，2010.
[21] 夏永峰. 鉛酸蓄電池組快速充電機充電裝置的研制[D]. 重慶：重慶大學，2008.
[22] 戚艷. 鉛酸蓄電池快速充電機充電機的設計[D]. 天津：天津大學，2009.
[23] 王源.電動汽車用動力鉛酸電池快速充電機充電技術研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.
[24] 范良松. 鉛酸蓄電池快速充電機充電系統的研究[D]. 長春：長春工業大學，2013.
[25] 肖相如. 鉛酸蓄電池脈沖快速充電機充電方法的研究與應用[J]. 通信電源技術，2013，30(5)：64-67.
[26] 劉超. HEV車載鉛酸蓄電池快速充電機充電系統研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007.
[27] 王磊. 牽引用鉛酸電池快速充電機充電系統[D]. 合肥：安徽理工大學，2007.
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