變幅脈沖充電技術(shù)在直流電源裝置中的應(yīng)用

　　近年來(lái)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，變電站綜合自動(dòng)化的程度也日漸提高。直流電源裝置做為給變電站控制回路、信號(hào)回路、事故照明回路、繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置（RTU）以及逆變電源等提供可靠直流電源的設(shè)備其重要性也日益突出。蓄電池組做為直流電源裝置中的主要部件，在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)就成為了唯一的直流電源提供者。所以，做好蓄電池組的日常維護(hù)工作，保證蓄電池組的容量充足、保持單節(jié)電池的電壓及內(nèi)阻的一致性就顯得尤為重要。

　　當(dāng)前對(duì)蓄電池組進(jìn)行維護(hù)的主要方法還是定期核對(duì)性放電，而充電方式多采用傳統(tǒng)的三段式充電：恒流限壓—恒壓限流—涓流充電。而這種充電方法在多個(gè)電池串聯(lián)的VRLA蓄電池組充電時(shí)并不是很合適，容易給蓄電池造成以下故障：一是如果長(zhǎng)期充電不足，正負(fù)極表面沉積大量體積大、活性差的PbSO4結(jié)晶和其包覆下的活性差的PbO2。表現(xiàn)為充電時(shí)該電池電壓很快升到控制的終止電壓，放電時(shí)又很快跌落到放電終止電壓，電池放不出電。二是經(jīng)常進(jìn)行的均充和長(zhǎng)期浮充，使電池析出大量的氣體導(dǎo)致電解液中的水損失加快，內(nèi)阻增大。三是電池組中各電池性能的差異性在長(zhǎng)期使用后表現(xiàn)非常明顯。目前造成蓄電池失效有50%由上述原因引起。

　　因此，研制一種適用于VRLA蓄電池的新型充電模式，以提高電池組使用壽命、降低用戶(hù)使用成本、節(jié)約資源、提高直流電源裝置的穩(wěn)定性就成了目前設(shè)備制造商和用戶(hù)的共同要求。

　　1 技術(shù)原理

　　自1859年由普蘭特（G.plante）發(fā)明鉛酸蓄電池以來(lái)，業(yè)界從充電管理角度對(duì)電池組壽命問(wèn)題的理論研究缺乏，導(dǎo)致恒壓限流、均衡充電的傳統(tǒng)方法一直沿用。實(shí)踐證明，單體電池?cái)?shù)量較多的電池組用傳統(tǒng)的均衡充電方法來(lái)平衡電池的內(nèi)阻，已很難奏效，反而會(huì)嚴(yán)重影響壽命。其原因是：由于各單體電池的極化電壓降不同，（注：極化電壓降由三部分組成，即歐姆極化、濃差極化和電化學(xué)極化），并且單體數(shù)越多，相對(duì)差異越大。當(dāng)電池組充電容量達(dá)到90%時(shí)，各單體電池的電壓將會(huì)有明顯差異，個(gè)別單體電池壓差甚至超過(guò)150mV。若繼續(xù)對(duì)電池組充電至設(shè)定的終止總電壓，則會(huì)出現(xiàn)極化大的單體電池發(fā)生嚴(yán)重過(guò)充電，極化小的單體電池充電不足。若繼續(xù)循環(huán)，電池組的性能將很快惡化，過(guò)充電的單體電池電解液干涸，容量衰退，欠充電的單體電池極板硫酸鹽化，電池失效。

　　針對(duì)上述存在的問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)出了一種新的變幅脈沖均衡充電技術(shù)：先用大電流恒流充電至額定容量的70%左右（這時(shí)電池產(chǎn)生極化很小，各單體電池的電性能狀態(tài)基本一致），然后開(kāi)始脈沖充電。脈沖充電時(shí)正脈沖電流由電池組電壓與充電電源所設(shè)定的輸出電壓差確定，即正脈沖電流與上述壓差成正比關(guān)系。而去極化脈沖（負(fù)脈沖）電流自始至終變化很小，這樣就使充電過(guò)程隨著電池組電壓的升高（極化變大），正負(fù)脈沖的比例越來(lái)越小，即去極化作用加大，從而達(dá)到抑制極化電壓和均衡內(nèi)阻的效果。變幅脈沖充電模式是從VRLA蓄電池正極板的結(jié)構(gòu)特性入手，研究一種能使電池在循環(huán)過(guò)程中，正極板保持有高容量、高充放效率和機(jī)械性好的充電模式，使電池組充足又不過(guò)充，析氣率控制在允許的范圍內(nèi)。

　　變幅脈沖充電技術(shù)的充電曲線(xiàn)和電流波形分別如圖1、圖2所示。如圖2所示，如此控制充電脈沖電量和去極化脈沖電量之間的比例，可以使實(shí)際充電曲線(xiàn)擬合圖1所示的最佳充電效率曲線(xiàn)，提高充電效率，減少析氣量，避免電解液溫度升高。

　　我們提出的變幅脈沖均衡充電技術(shù)，參考了Mass定律描述的蓄電池的最佳充電效率曲線(xiàn)來(lái)設(shè)計(jì)充電工藝，即在充電效率最大的區(qū)域以大電流恒流充電，當(dāng)充電容量達(dá)到額定容量或前一周使用容量的60～70%時(shí)，加入間隙性去極化脈沖，并以充電脈沖和去極化脈沖周期性地相繼施加在電池上，適當(dāng)降低充電的平均電流，減少極化。

　　我公司已取得了上述技術(shù)的發(fā)明專(zhuān)利：《閥控式密封鉛酸蓄電池的充電方法》，專(zhuān)利號(hào)：ZL 2004 1 0079386.6。

圖1 VRLA電池組用變幅脈沖充電的典型曲線(xiàn)

圖2 VRLA電池組各充電階段電流脈沖幅度變化示意圖

　　2 硬件原理

　　2.1 變幅脈沖發(fā)生控制器

　　變幅脈沖發(fā)生和控制的電原理框圖如圖

圖3 變幅脈沖發(fā)生和控制的電原理框圖

　　AC/DC模塊為高頻開(kāi)關(guān)電源，Q1、Q2在MCU的控制下按設(shè)定要求輪流導(dǎo)通、截止，可達(dá)到充電輸出電流為變幅脈沖的要求。本單元裝置合理設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和器件組合，在大電流高電壓條件下，在毫秒級(jí)的工作狀態(tài)下能保證連續(xù)工作的高可靠性。

　　2.2 集中控制器

　　根據(jù)變幅脈沖充電模式的要求設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)，主控器采用完全集成的混合信號(hào)級(jí)MCU芯片構(gòu)成了能夠真正獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。MCU能有效的管理模擬和數(shù)字外設(shè)，通過(guò)監(jiān)控硬件數(shù)字接口和變幅脈沖高頻開(kāi)關(guān)電源模塊間完成數(shù)據(jù)交換和控制。同時(shí)還使用非易失性鐵電存儲(chǔ)器FRAM來(lái)保存關(guān)鍵的工藝和運(yùn)行參數(shù)，重要的工藝參數(shù)可保存10年，參數(shù)修改次數(shù)可以達(dá)到1012。通過(guò)監(jiān)控硬件的實(shí)現(xiàn)，創(chuàng)新建立了合理的電力電子變流技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)控制技術(shù)以及電化學(xué)變幅脈沖充電技術(shù)完美結(jié)合的充電模型，該模型的硬件原理圖如圖4所示。通過(guò)精心設(shè)計(jì)的PC機(jī)綜合管理軟件，完成了PC機(jī)和充電單元間的數(shù)據(jù)交換和控制，實(shí)現(xiàn)了各參數(shù)的同步采樣與控制。在電腦終端建立了完備的充電數(shù)據(jù)分析管理數(shù)據(jù)庫(kù)，以達(dá)到不斷完善變幅脈沖均衡充電技術(shù)并建立更加科學(xué)合理的充電模型的目的。

　　3 軟件流程圖

　　根據(jù)直流電源裝置的使用規(guī)范和鉛酸蓄電池組的充電最優(yōu)曲線(xiàn)，在直流電源監(jiān)控裝置中植入了相應(yīng)的軟件，該軟件獲得一項(xiàng)國(guó)家軟件著作權(quán)證書(shū)。其軟件流程圖如圖5。

圖5 變幅脈沖充放電機(jī)監(jiān)控軟件流程圖

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　為了證明變幅脈沖充電技術(shù)對(duì)蓄電池組充電的良好效果，我們特意選擇了一組共9節(jié)使用在直流系統(tǒng)中的CGB12V/65Ah電池進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)。由于長(zhǎng)期帶負(fù)載過(guò)量放電，使電池失水嚴(yán)重、容量放空、極板嚴(yán)重硫化，導(dǎo)致單節(jié)電池開(kāi)壓在0.74V～0.86V之間，均無(wú)法充放電。

　　檢查電池內(nèi)部：將電池上蓋板撬開(kāi)，打開(kāi)膠帽，膠帽內(nèi)沾有少量酸液，電池內(nèi)隔板有干涸的跡象，用廣泛pH試紙測(cè)膠帽內(nèi)酸液顯弱酸性。

　　高壓水療激活電池：電池中加入1.05g/mL稀硫酸50mL/單格，用2只12V/12Ah電池串聯(lián)后對(duì)一只CGB12V/65Ah電池充電，充電電壓高至25V，回路電流慢慢增加，約45min后回路中電流增大到5A左右。此時(shí)認(rèn)為電池已初步活化。

　　將激活后的電池串聯(lián)，首先采用恒流5A給電池組充電。充電后，以5.0A容量檢測(cè)放電。其結(jié)果見(jiàn)表1。

　　表1數(shù)據(jù)表明，該組電池在充電初期由于極板硫化嚴(yán)重，電池電壓虛高且均衡性較差。在傳統(tǒng)的三段式充電模式下，蓄電池組的電壓迅速上升至充電限壓值，導(dǎo)致電池充入容量到40Ah后就無(wú)法再進(jìn)一步充入。并且電池均衡性差異較大，最大壓差達(dá)到0.79V。

　　采用變幅脈沖充電方法充電，然后以次5A放電檢測(cè)電池容量，其結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

　　表2數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過(guò)變幅脈沖充電8小時(shí)后，電池電壓上升速度明顯減慢，證明極板中的硫酸鉛大結(jié)晶體在減少，結(jié)構(gòu)逐漸疏松。在充電的最后階段，各單體電池間的電壓均衡性逐漸趨于一致，最大壓差縮小到0.21V。這說(shuō)明在變幅脈沖的作用下，該組電池中內(nèi)阻較大的電池并未隨著充電的進(jìn)行而產(chǎn)生更大的極化電壓，而內(nèi)阻小的電池也很好的接受了充入的電量，并未發(fā)生充電不足的現(xiàn)象。最后的充入容量達(dá)到了70Ah，還有了一定的過(guò)充量。

　　在變幅脈沖充電結(jié)束后，對(duì)該組電池進(jìn)行了核對(duì)性放電，參數(shù)如表3所示。

　　由以上數(shù)據(jù)可見(jiàn)，電池放電時(shí)電池的一致性較好，重新充電后電池放電容量為額定容量的96%。

　　5 結(jié)論

　　在現(xiàn)有的蓄電池充電技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)Mass定律的理論擴(kuò)展所形成的變幅脈沖充電技術(shù)解決了蓄電池組在使用維護(hù)過(guò)程中的內(nèi)阻均衡性差、使用壽命短、容量不足的問(wèn)題。為直流電源裝置在變電站提供穩(wěn)定可靠的直流電源提供了一種堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。這必將能大幅提高直流電源裝置運(yùn)行的可靠性，做為一項(xiàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，其推廣空間也十分的廣泛。