陳元?jiǎng)P,文小玲,萬子銀

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205）

鉛酸蓄電池是電池的一種，其作用是把電能儲(chǔ)存起來，其用途也十分廣泛。隨著光伏發(fā)電、電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)于蓄電池充電效率的要求也越來越高，有效且方便的將電能儲(chǔ)存到電池的方法也各不相同。本文從鉛酸蓄電池的模型出發(fā)，基于Boost變換器建立模型，具體的仿真出了各種充電方法，并根據(jù)仿真結(jié)果系統(tǒng)的分析了各種充電策略。

1 鉛酸蓄電池

1.1 蓄電池參數(shù)設(shè)定

無論是在光伏發(fā)電系統(tǒng)還是電動(dòng)汽車中蓄電池都是壽命最短的部件，故控制蓄電池充電電壓和電流在安全穩(wěn)定的范圍內(nèi)，最大限度的延長壽命并提高充電效率顯得尤為重要。

蓄電池容量Q是由電流i和時(shí)間t共同決定的[1]：

可以看出電池容量恒定，電流越大充電速率也越快。相應(yīng)的，時(shí)間過短會(huì)導(dǎo)致電流過大，影響蓄電池壽命；反之，電流太小會(huì)使充電時(shí)間過長。

蓄電池電壓V是由單體（格）電壓值U和單體個(gè)數(shù)N決定：

12 V鉛酸蓄電池含有6個(gè)單體，單體電壓為2 V，實(shí)際充電最佳電壓為2.4～2.7 V，即最佳端電壓在14.5～16 V范圍內(nèi)，單體電壓過低或者過高會(huì)相應(yīng)的導(dǎo)致充電緩慢和電池受損。

1.2 Thevenin蓄電池模型

Thevenin模型是一種常用的模型[2]，能很好的模擬蓄電池充電效果，它是由一個(gè)內(nèi)電勢(shì)E0，內(nèi)阻r，大電容C0，過壓電阻R0組成，如圖1所示。C0代表平行板間的電容，R0為板與電解液之間的接觸電阻。

圖1 蓄電池Thevenin模型Fig.1 Thevenin battery model

2 蓄電池各種充電策略及仿真

2.1 恒流充電法

恒流充電是對(duì)蓄電池充電時(shí)保持充電的電流不變。利用

模型，通過 主電路為蓄電池充電，圖 給出蓄電池恒流充電Matlab仿真電路[3]。其中主要參數(shù)輸入電壓E=12 V，儲(chǔ)能電感L=4.5 mH，電容C1=3 mF，以 10 A的直流為蓄電池充電。

圖2 蓄電池恒流充電仿真電路圖Fig.2 Constant current battery charging simulation

如圖2所示，電流傳感器實(shí)時(shí)跟蹤通過電池的平均電流，通過PI算法[4]計(jì)算出下一時(shí)刻的電流值，并產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)占空比的PWM波送入IGBT，實(shí)現(xiàn)電流的閉環(huán)控制。圖3分別顯示了對(duì)蓄電池以10 A恒流充電時(shí)蓄電池兩端的電壓。

圖3 恒流充電波形Fig.3 Constant current charging waveforms

通過PI調(diào)節(jié)，電流迅速上升至10 A，相應(yīng)的，蓄電池的端電壓也會(huì)不斷上升，甚至超過蓄電池充電電壓的最佳范圍。這種方法優(yōu)點(diǎn)在于可以快速充電，同時(shí)可以避免充電初期過高電流對(duì)電池的影響。但是在充電后期，蓄電池會(huì)長時(shí)間處于較高的電壓下，影響電池壽命。

2.2 恒壓充電法

恒壓充電是指對(duì)蓄電池充電時(shí)始終保持充電的電壓不變。利用上述模型，給出蓄電池以15 V恒壓充電的Matlab仿真電路圖[5]，如圖4所示。

圖4 恒壓充電的仿真電路圖Fig.4 Constant voltage battery charging simulation

恒壓充電的原理與恒流充電原理類似，通過捕捉實(shí)時(shí)的平均電壓，利用PI算法實(shí)現(xiàn)電壓的閉環(huán)控制。圖5分別顯示了對(duì)蓄電池以15 V恒壓充電時(shí)蓄電池兩端電流的變化。

圖5 恒壓充電波形Fig.5 Constant voltage charging waveforms

通過PI調(diào)節(jié)，蓄電池電壓將趨于恒定并穩(wěn)定在15 V，但是仿真初期流過蓄電池電流明顯過高，并且隨著蓄電池內(nèi)勢(shì)的增加充電電流逐漸減小。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于抑制了充電后較高的電壓，然而，恒壓充電時(shí)間過長且初期電流過高，會(huì)使電池大量發(fā)熱，對(duì)電池的壽命產(chǎn)生不利影響。

2.3 分段式充電法

第一階段——恒流段，當(dāng)電池電勢(shì)較低時(shí)，采用恒流充電，充電過程中電池電壓會(huì)逐漸升高，然后轉(zhuǎn)入下一階段。恒流充電為主充電階段，此時(shí)電池已經(jīng)充入約80%電量。

第二階段——恒壓段，當(dāng)電池電勢(shì)升高后，采用恒壓充電，進(jìn)入二階段后，略微降低充電電壓，并保持這個(gè)恒定的電壓充電，當(dāng)電流下降到一定值時(shí)轉(zhuǎn)入下一充電階段。恒壓充電階段是對(duì)電池充電的補(bǔ)充，該階段結(jié)束時(shí)電池已基本充滿。

第三階段——浮充段，也稱為涓流充電，涓流充電實(shí)際上也是恒壓充電，只是充電電壓較低，它可以使電池的電量充到接近100%，并能彌補(bǔ)電流過小時(shí)的自放電。

利用Matlab的Switch模塊來模擬恒流恒壓的切換[6]，仿真電路如圖6所示。

圖6 分段充電仿真電路圖Fig.6 Sub-battery charging simulation

分段式充電法采用雙閉環(huán)控制策略，利用兩個(gè)獨(dú)立工作的PI控制環(huán)，同時(shí)設(shè)計(jì)出一個(gè)切換開關(guān)用于恒流和恒壓之間的切換。仿真中，先接通恒流環(huán)，以10 A的恒流充電，當(dāng)蓄電池端電壓升至15 V時(shí)自動(dòng)切換為恒壓環(huán)，并調(diào)整電壓至14.5 V，實(shí)現(xiàn)恒壓控制。圖7分別顯示了恒壓恒流充電時(shí)的蓄電池端電壓和電流的變化。

圖7 分段式充電波形Fig.7 Sub-battery charging waveforms

通過波形可以看出，無論電壓還是電流均位于安全穩(wěn)定的范圍內(nèi)，恒流充電至蓄電池端電壓為15 V時(shí)自動(dòng)切換至二階段。這種充電方法優(yōu)點(diǎn)在于算法穩(wěn)定，對(duì)蓄電池影響較小，克服了上兩種方法的不足，能有效的延長蓄電池的使用壽命。但是分段式充電法充電時(shí)間較長，必須找準(zhǔn)階段轉(zhuǎn)換的時(shí)機(jī)，否則達(dá)不到充電的效果，對(duì)蓄電池?fù)p傷也是不可逆的。

3 結(jié)論

文中針對(duì)鉛酸電池目前幾種較為常見的充電方法進(jìn)行了具體的仿真和分析。由仿真結(jié)果可以看出不同的充電方法有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，相應(yīng)的也有著各自的應(yīng)用范圍，比如說恒流法適合于快速充電的場(chǎng)合，而分段法則適用于不方便更換電池且對(duì)充電時(shí)間要求不高的地方。但每種方法也有著各自的缺點(diǎn)，相信隨著蓄電池電源技術(shù)的不斷發(fā)展，會(huì)有更加全面完善的充電方法不斷的涌現(xiàn)。

[1]賈全倉，李俊文.汽車鉛酸蓄電池的充電方法探討[J].公路與汽運(yùn)，2009，29(3)：26-29.JIA Quan-cang,LI Jun-wen.Study of automotive lead-acid battery charging method[J].Highways and Automotive Applications,2009,29(3):26-29.

[2]王治國，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.WANG Zhi-guo,GAO Yu-feng,YANG Wang-li.Study on the equivalent circuit model of lead acidbattery[J].Journal of The Academy of Armored Forces Engineering,2003,17(1):78-81.

[3]洪乃剛.電力電子和電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4]王旭峰，陳維榮.Buck型變換器數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)方法研究[J].通信電源技術(shù)，2010，27(4)：1-3.WANG Xu-feng,CHEN Wei-rong.Study on the design method of digital PID controller for Buck-mode converter[J].Telecom Power Technology,2010,27(4):1-3.

[5]劉文定，王東林.過程控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[6]陳靜瑾，余寧梅.閥控鉛酸蓄電池分段恒流充電特性的研究[J].電源技術(shù)，2004,28(1)：26-28.CHEN Jing-jin,YU Ning-mei.Study of VRLA battery piecewise constant current charging characteristics[J].Power Supply Technology,2004,28(1):26-28.