基于铅酸蓄电池内化成工艺充电机的研究系统开

　　根据化成方式的不同，铅酸蓄电池分为外化成电池和内化成电池。现阶段，国内铅酸蓄电池行业85%以上的工艺采用的是外化成，外化成电池相比内化成电池的优点是技术成熟，电池极板可以进行筛选，电池的一致性和可靠性有保证；缺点是成本高，需要专门的化成槽，充电电流较小，化成所需时间较长，特别是在生产过程中，外化成工艺中产生的生产废水严重污染环境，国家已将外化成工艺列入蓄电池环保整治重点对象。与此相比，内化成工艺所带来的污染则比外化成工艺要小得多。内化成工艺相比外化成，可以节能28.5%，节水90%以上。因此基于内化成工艺的铅酸蓄电池生产，已经成为一种趋势。但由于基于内化成工艺的电池充电技术研究起步较晚，现阶段并没有一套合理成熟的充电方案。因此，研究基于内化成工艺的电池充电技术是十分有必要的[1]。
　　1 内化成电池充电工艺难点
　　现阶段，基于内化成工艺，对蓄电池进行化成充电，主要难点有：
　　1）内化成充电过程中蓄电池内部温度过高。内化成充电过程中，蓄电池内部的温度一般不宜超过60℃。如果温度过高，蓄电池内部的各种活性物质的活度将会增加，可能会导致极板上产生结晶以及电池过充的可能，从而损害蓄电池。由于内化成工艺相比于外化成工艺，没有专门的水槽给电池进行降温，因此，如何控制充电过程中的温升是困扰内化成充电工艺的一大难题。
　　2）充电过程中的极化现象。极化现象也是影响充电效率的一大因素。在充电过程中，蓄电池内部会发生电化学反应，从而产生极化。极化现象主要有三种：欧姆极化，浓差极化和电化学极化。如果不能控制好充电过程中的极化现象，则会导致蓄电池内部温度升高，可接受的充电电流变小，从而影响充电效率。
　　3）蓄电池容量不易充满及充电时间长。由于极化现象的存在和充电过程中温升的原因，未化成的铅酸蓄电池在第一次化成充电时，其电量并不容易充满以及存在充电时间过长的问题。如果电量没有充满，则会在后续的充电过程中，蓄电池的电量也不容易被充满，从而导致蓄电池的使用效率下降，并影响蓄电池的使用时间。因此，首次化成的铅酸蓄电池，一定要保证其电量饱满[2]。
　　2 脉冲第一论文网专业提供论文写作和写作论文发表服务,欢迎您的光临lunwen.   1KEJI AN.  C OM充电方案设计
　　为解决内化成电池充电工艺中的难点，本文提出一种基于马斯定理的脉冲充电方案。
　　1）马斯定律。每个蓄电池都有其特定的固有充电曲线，只有当充电电流的值小于其特有充电曲线电流的值时，才不会影响充电效率，否则，蓄电池内部会有大量析气产生，阻碍充电电流流入蓄电池，影响充电效率。
　　马斯定律指出，在充电过程中，当蓄电池固有充电曲线电流值降至充电电流的值附近时，将蓄电池进行适度的短时放电，可以使蓄电池固有充电曲线右移，提高蓄电池可接受充电电流的值，从而能使蓄电池保持大电流充电，提高充电效率。同时，短时的放电，能够去除蓄电池在充电过程中产生的电化学极化和浓差极化，蓄电池内部的温度也会降低，从而进一步提升充电效率，减少充电时间。基于马斯定律的电池充电曲线如图1所示[3]。
　　图1 基于马斯定律的电池充电曲线
　　2）充电方案设计。本文在马斯定律的基础上，设计了一种新的充电方案， 在充电的初始阶段，先采用小电流的恒流充电。这是因为充电开始阶段，电池产生的极化反应较小，此时采用恒流充电，可以在短时间内有效的提升蓄电池的容量，并且能减少蓄电池内部的硫化反应。
　　恒流充电过程中，蓄电池电压会持续上升。当蓄电池电压上升到一定的数值时，开始采用脉冲充电，脉冲充电的完整过程是：先对蓄电池继续恒流充电一段时间后，停止充电，静止蓄电池，目的是消除欧姆极化和浓差极化。之后让蓄电池通过放电回路进行短时间的快速放电，以消除充电过程中积累的电化学极化，并排出极板孔中产生的气体，控制电池温升。在蓄电池放电周期结束后，再将蓄电池静置一段时间，目的是避免短时间内的电流反向冲击对蓄电池造成影响。静置结束后，即完成了一个完整的脉冲充电周期。之后再进行下一个周期的恒流充电——静置——放电——静置过程，如此循环往复。
　　当充电电能接近蓄电池的额定容量时，停止脉冲充电，开始最后阶段的恒流充电。最后阶段的小电流恒流充电主要作用是保证蓄电池的电量充足，防止出现电池虚电或充不满的情况，也称为补足充电。由于在第二个充电阶段中，采用的是脉冲充电，电池内部的温升不会过高，极化反应也不会很明显，因此最后阶段的恒流充电能够保证将电池容量充满。
　　3 充电机的具体实现
　　根据上述的充电方案，充电机系统设计如图2所示。
　　图2 充电机系统图
　　充电机通过充电电源采用并联的方式对两路铅酸蓄电池进行充电。充电机系统由充电电路，放电电路，能量回馈电路以及控制驱动，采样电路组成。根据充电方案，在充电第一阶段，充电机对两路铅酸蓄电池进行小电流的恒流预充电。在充电第二阶段，及脉冲充电阶段，先将第一路铅酸蓄电池静置一段时间后进行短时间的放电，第二路铅酸蓄电池则继续以恒流充电的方式进行充电，当第一路铅酸蓄电池结束短时间的放电并静置一段时间后，以恒流充电的方式开始充电，此时将第二路铅酸蓄电池停止充电，将其静置一段时间后进行短时间放电并再次静置，如此循环，两路以互补的方式进行充电。这样做的好处是能够最大的利用充电电源，提升充电效率，避免不必要的电能浪费。在充电的最后一个阶段，充电机对两路铅酸蓄电池进行小电流的补足充电。充电机系统的充电工作时序图如图3所示。
　　图3 充电机工作时序图
　　1）充电电源设计。充电机系统中的电源主要是给电池充电以及控制电路部分供电。给蓄电池充电的电源采用开关电源设计，如图4所示。
　　图4 开关电源电路模型
　　采用开关电源的设计对蓄电池进行充电，好处是输出稳定，抗干扰能力强，使充电电流比较纯净，从而提升充电效率。
　　控制及驱动采样电路供电采用线性电源设计，由于控制及驱动采样电路工作电压和电流较小，因此采样线性电源设计，能够有效的减小电路板元器件数量及电路板体积。
　　2）充电电路设计。充电机采用的是并联的方式对两路铅酸蓄 电池同时进行充电，因此两路的充电过程一致，理论上，当充电结束时，两路铅酸蓄电池最后得到的电能应该一致。但由于实际充电过程中，会出现蓄电第一论文网专业提供论文写作和写作论文发表服务,欢迎您的光临lunwen.   1KEJI AN.  C OM池的个体差异以及环境影响等外界因素，两路充电电路的充电效率不能做到完全一致，因此在第一阶段及第三阶段的恒流充电过程中，采用PWM控制进行充电，通过控制占空比的值，改变充电电流大小，使两路蓄电池得到的电能基本一致，避免出现一路充满而另一路没有充满的情况。充电电路如图5所示。
　　图5 充电电路图
　　充电电路采用经典的BUCK降压电路设计，图中，VA表示输入电源，通过IGBT开关管Q101，电源向电池BATT1进行充电。设t=0时刻，Q101导通，此时电池电压等于供电电压。当t=t1时刻时，关断Q101，此时负载电流通过二极管D蓄流。从0到t1时刻，为一个完整的工作周期，充电电压的有效值如式（1）所示：
　　（1）
　　式中，U表示充电电压有效值，ton表示IGBT导通时间，toff表示IGBT关断时间，t表示IGBT一个导通及关断周期，α表示导通占空比，E为充电电源电压。由式（1）可知，控制器检测电池两端的电压及电流，通过控制信号CHAR1控制开关管导通的占空比α，改变充电电流的大小，使两路铅酸蓄电池充电电能达到基本一致。
　　3）放电电路设计。放电电路采样BOOST升压电路设计。因为充电机系统中含有能量存储部分，用来存储蓄电池放出的电能，必须保证蓄电池能够有效的放出电能，将其存放在能量存储器件中。需将放电电压升高，保证其高于储能元件的电压，如图6所示。
　　图6 放电电路图
　　当控制器通过控制放电信号DISCHARGE1控制IGBT开关管Q103导通及关断，提高电池放电电压的值，如式（2）所示：
　　（2）
　　式中，u0表示电池放电电压，T表示IGBT一个导通及关断周期，E表示电池经过BOOST升压电路处理后最后的放电电压，toff表示开关管关断时间，ton表示开关管导通时间，由于T>toff，可知E大于u0，通过控制开关管的导通占空比，可以改变最终放电电压E的大小。
　　4）电能存储及回馈电路设计。传统工艺中，铅酸蓄电池放出的电能一般采用以下两种方式释放。
　　①通过大功率的放电电阻释放电能。释放到电阻上的电能如式（3）所示：
　　（3）
　　式中，w为释放到电阻上的电能，i为放电电流，r为放电电阻大小，s为放电时间，由式可知，放电时间s越长时，当放电电流i越大，放电电阻所接受的电能也越大。在实际使用中，放电电阻的阻值往往达到了数千欧第一论文网专业提供论文写作和写作论文发表服务,欢迎您的光临lunwen.   1KEJI AN.  C OM，采用通过大功率放电电阻释放电能的方式，不仅需要很大的空间，也会导致环境的污染，不符合现今的环保精神。
　　②使用逆变器将电能回放到电网。通过逆变器，将电能放出的直流电转换为与电网同频率的交流电，再将其回放到电网中。优点是所需空间小，成本低，缺点是会对电网造成高次谐波的污染。
　　基于节能环保的思想，设计了一种新的电能存储及回馈电路，将蓄电池在放电周期中放出的电能存储起来并在下一个充电周期到来的时候重新回充给蓄电池，其工作原理图如图7
　　所示。
　　图7 电能存储及回馈电路
　　当蓄电池处于放电周期时，电容C101将蓄电池放出的电容存储起来；当蓄电池处于充电周期时，控制器通过控制信号RECHAR控制IGBT开关管Q205导通，将电容C101上存储的电能通过开关管Q205及电感L104放出，重新给蓄电池充电。采用电容作为储能元件，将蓄电池放出的电能存储起来并再利用。
　　5）控制电路设计。充电机采用TMS320C2812作为主处理器，该处理器是美国TI公司推出的一种32位定点运算的DPS芯片。其工作最高时钟频率可以达到185M，A/D精度可以达到12位，同时具备32的定时器及两个SCI接口。控制电路主要作用是通过控制充电电路，放电电路及能量回馈电路中的IGBT开关管的通断，从而控制充电机的充电时序，以及完成对电池的数据采集和显示，存储工作等。
　　4 实验结果及分析
　　通过多次的实验及数据分析，充电机以达到预期的效果。图8为某次实验过程中电池内部温度与环境温度对比图。
　　图8 电池内部温度与环境温度对比图
　　从图8中可知，电池内部的温度一直低于60℃，在环境温度明显升高的情况下，电池内部的温度也没有明显的上升。在充电第一阶段即恒流充电阶段中，电池温升较快，达到了50℃左右。在充电第二阶段采用的是脉第一论文网专业提供论文写作和写作论文发表服务,欢迎您的光临lunwen.   1KEJI AN.  C OM冲充电，电池的温升得到了很好的抑制，直到脉冲充电阶段结束，电池的内部最高温度也仅在55℃左右，证明了脉冲充电能够有效地控制电池内部的温升。到最后补足充电结束，整个内化成充电时间仅为1600分钟，较传统的充电方法时间大幅缩短。在实验过程中，充电机与国内某厂商采用传统充电方式同时对10个额定电压为12 V，额定容量为70AH的蓄电池及20个额定电压为12 V，额定容量为70AH的蓄电池进行充电，其耗电量比较如表1所示。
　　由表1可知，充电机采用脉冲充电，相比于传统的充电方式，有效地节省了电能。综上所述，基于马斯定律的脉冲充电法，不仅有效的跟踪了铅酸蓄电池的最佳充电曲线，较好的控制住了电池内部的温升，而且起到了提升充电效率，节约充电时间以及节能环保的作用。
　　参考文献
　　[1]李奇.阀控式铅酸蓄电池的运行与维护[J].湖北电力，2005，29（2）：34-36.
　　[2]徐之鹏，李长威.蓄电池的使用和保养[J].科技创新导报，2010（04）：39.
　　[3]杨淑霞，贾全仓.汽车用起动型蓄电池充电方法研究[J].农业装备与车辆工程，2010（06）：43-45.
　　作者简介
　　黄瑜侃（1985-），男，湖北武汉人，助理工程师，研究方向：电源技术、电机控制技术、红外成像技术。