鉛酸蓄電池充電策略的研究

陳元凱,文小玲,萬子銀

（武漢工程大學 電氣信息學院，湖北 武漢 430205）

鉛酸蓄電池是電池的一種，其作用是把電能儲存起來，其用途也十分廣泛。隨著光伏發電、電動汽車產業的不斷發展，對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，基于Boost變換器建立模型，具體的仿真出了各種充電方法，并根據仿真結果系統的分析了各種充電策略。

1 鉛酸蓄電池

1.1 蓄電池參數設定

無論是在光伏發電系統還是電動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定的范圍內，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。相應的，時間過短會導致電流過大，影響蓄電池壽命；反之，電流太小會使充電時間過長。

蓄電池電壓V是由單體（格）電壓值U和單體個數N決定：

12 V鉛酸蓄電池含有6個單體，單體電壓為2 V，實際充電最佳電壓為2.4～2.7 V，即最佳端電壓在14.5～16 V范圍內，單體電壓過低或者過高會相應的導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，它是由一個內電勢E0，內阻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

恒流充電是對蓄電池充電時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]。其中主要參數輸入電壓E=12 V，儲能電感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，電流傳感器實時跟蹤通過電池的平均電流，通過PI算法[4]計算出下一時刻的電流值，并產生相對應占空比的PWM波送入IGBT，實現電流的閉環控制。圖3分別顯示了對蓄電池以10 A恒流充電時蓄電池兩端的電壓。

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

通過PI調節，電流迅速上升至10 A，相應的，蓄電池的端電壓也會不斷上升，甚至超過蓄電池充電電壓的最佳范圍。這種方法優點在于可以快速充電，同時可以避免充電初期過高電流對電池的影響。但是在充電后期，蓄電池會長時間處于較高的電壓下，影響電池壽命。

2.2 恒壓充電法

恒壓充電是指對蓄電池充電時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，通過捕捉實時的平均電壓，利用PI算法實現電壓的閉環控制。圖5分別顯示了對蓄電池以15 V恒壓充電時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調節，蓄電池電壓將趨于恒定并穩定在15 V，但是仿真初期流過蓄電池電流明顯過高，并且隨著蓄電池內勢的增加充電電流逐漸減小。這種方法的優點在于抑制了充電后較高的電壓，然而，恒壓充電時間過長且初期電流過高，會使電池大量發熱，對電池的壽命產生不利影響。

2.3 分段式充電法

第一階段——恒流段，當電池電勢較低時，采用恒流充電，充電過程中電池電壓會逐漸升高，然后轉入下一階段。恒流充電為主充電階段，此時電池已經充入約80%電量。

第二階段——恒壓段，當電池電勢升高后，采用恒壓充電，進入二階段后，略微降低充電電壓，并保持這個恒定的電壓充電，當電流下降到一定值時轉入下一充電階段。恒壓充電階段是對電池充電的補充，該階段結束時電池已基本充滿。

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%，并能彌補電流過小時的自放電。

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控制策略，利用兩個獨立工作的PI控制環，同時設計出一個切換開關用于恒流和恒壓之間的切換。仿真中，先接通恒流環，以10 A的恒流充電，當蓄電池端電壓升至15 V時自動切換為恒壓環，并調整電壓至14.5 V，實現恒壓控制。圖7分別顯示了恒壓恒流充電時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定的范圍內，恒流充電至蓄電池端電壓為15 V時自動切換至二階段。這種充電方法優點在于算法穩定，對蓄電池影響較小，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間較長，必須找準階段轉換的時機，否則達不到充電的效果，對蓄電池損傷也是不可逆的。

3 結論

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

[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，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].裝甲兵工程學院學報，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控制系統的MATLAB仿真[M].北京：機械工業出版社，2007.

[4]王旭峰，陳維榮.Buck型變換器數字PID控制器設計方法研究[J].通信電源技術，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.過程控制系統的MATLAB仿真[M].北京：機械工業出版社，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，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.