變幅脈沖充電技術在直流電源裝置中的應用

　　近年來隨著技術的不斷進步，變電站綜合自動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、信號回路、事故照明回路、繼電保護裝置、自動裝置、遠動裝置（RTU）以及逆變電源等提供可靠直流電源的設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，在電網出現故障時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工作，保證蓄電池組的容量充足、保持單節電池的電壓及內阻的一致性就顯得尤為重要。

　　當前對蓄電池組進行維護的主要方法還是定期核對性放電，而充電方式多采用傳統的三段式充電：恒流限壓—恒壓限流—涓流充電。而這種充電方法在多個電池串聯的VRLA蓄電池組充電時并不是很合適，容易給蓄電池造成以下故障：一是如果長期充電不足，正負極表面沉積大量體積大、活性差的PbSO4結晶和其包覆下的活性差的PbO2。表現為充電時該電池電壓很快升到控制的終止電壓，放電時又很快跌落到放電終止電壓，電池放不出電。二是經常進行的均充和長期浮充，使電池析出大量的氣體導致電解液中的水損失加快，內阻增大。三是電池組中各電池性能的差異性在長期使用后表現非常明顯。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、降低用戶使用成本、節約資源、提高直流電源裝置的穩定性就成了目前設備制造商和用戶的共同要求。

　　1 技術原理

　　自1859年由普蘭特（G.plante）發明鉛酸蓄電池以來，業界從充電管理角度對電池組壽命問題的理論研究缺乏，導致恒壓限流、均衡充電的傳統方法一直沿用。實踐證明，單體電池數量較多的電池組用傳統的均衡充電方法來平衡電池的內阻，已很難奏效，反而會嚴重影響壽命。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、濃差極化和電化學極化），并且單體數越多，相對差異越大。當電池組充電容量達到90%時，各單體電池的電壓將會有明顯差異，個別單體電池壓差甚至超過150mV。若繼續對電池組充電至設定的終止總電壓，則會出現極化大的單體電池發生嚴重過充電，極化小的單體電池充電不足。若繼續循環，電池組的性能將很快惡化，過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。

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

　　變幅脈沖充電技術的充電曲線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，可以使實際充電曲線擬合圖1所示的最佳充電效率曲線，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，參考了Mass定律描述的蓄電池的最佳充電效率曲線來設計充電工藝，即在充電效率最大的區域以大電流恒流充電，當充電容量達到額定容量或前一周使用容量的60～70%時，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，適當降低充電的平均電流，減少極化。

　　我公司已取得了上述技術的發明專利：《閥控式密封鉛酸蓄電池的充電方法》，專利號：ZL 2004 1 0079386.6。

圖1 VRLA電池組用變幅脈沖充電的典型曲線

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 變幅脈沖發生控制器

　　變幅脈沖發生和控制的電原理框圖如圖

圖3 變幅脈沖發生和控制的電原理框圖

　　AC/DC模塊為高頻開關電源，Q1、Q2在MCU的控制下按設定要求輪流導通、截止，可達到充電輸出電流為變幅脈沖的要求。本單元裝置合理設計了驅動電路、保護電路和器件組合，在大電流高電壓條件下，在毫秒級的工作狀態下能保證連續工作的高可靠性。

　　2.2 集中控制器

　　根據變幅脈沖充電模式的要求設計了相應的硬件結構，主控器采用完全集成的混合信號級MCU芯片構成了能夠真正獨立工作的片上系統。MCU能有效的管理模擬和數字外設，通過監控硬件數字接口和變幅脈沖高頻開關電源模塊間完成數據交換和控制。同時還使用非易失性鐵電存儲器FRAM來保存關鍵的工藝和運行參數，重要的工藝參數可保存10年，參數修改次數可以達到1012。通過監控硬件的實現，創新建立了合理的電力電子變流技術與嵌入式系統控制技術以及電化學變幅脈沖充電技術完美結合的充電模型，該模型的硬件原理圖如圖4所示。通過精心設計的PC機綜合管理軟件，完成了PC機和充電單元間的數據交換和控制，實現了各參數的同步采樣與控制。在電腦終端建立了完備的充電數據分析管理數據庫，以達到不斷完善變幅脈沖均衡充電技術并建立更加科學合理的充電模型的目的。

　　3 軟件流程圖

　　根據直流電源裝置的使用規范和鉛酸蓄電池組的充電最優曲線，在直流電源監控裝置中植入了相應的軟件，該軟件獲得一項國家軟件著作權證書。其軟件流程圖如圖5。

圖5 變幅脈沖充放電機監控軟件流程圖

　　4 實驗結果與分析

　　為了證明變幅脈沖充電技術對蓄電池組充電的良好效果，我們特意選擇了一組共9節使用在直流系統中的CGB12V/65Ah電池進行充電實驗。由于長期帶負載過量放電，使電池失水嚴重、容量放空、極板嚴重硫化，導致單節電池開壓在0.74V～0.86V之間，均無法充放電。

　　檢查電池內部：將電池上蓋板撬開，打開膠帽，膠帽內沾有少量酸液，電池內隔板有干涸的跡象，用廣泛pH試紙測膠帽內酸液顯弱酸性。

　　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電池串聯后對一只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。此時認為電池已初步活化。

　　將激活后的電池串聯，首先采用恒流5A給電池組充電。充電后，以5.0A容量檢測放電。其結果見表1。

　　表1數據表明，該組電池在充電初期由于極板硫化嚴重，電池電壓虛高且均衡性較差。在傳統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，導致電池充入容量到40Ah后就無法再進一步充入。并且電池均衡性差異較大，最大壓差達到0.79V。

　　采用變幅脈沖充電方法充電，然后以次5A放電檢測電池容量，其結果見表2和表3。

　　表2數據表明，經過變幅脈沖充電8小時后，電池電壓上升速度明顯減慢，證明極板中的硫酸鉛大結晶體在減少，結構逐漸疏松。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。這說明在變幅脈沖的作用下，該組電池中內阻較大的電池并未隨著充電的進行而產生更大的極化電壓，而內阻小的電池也很好的接受了充入的電量，并未發生充電不足的現象。最后的充入容量達到了70Ah，還有了一定的過充量。

　　在變幅脈沖充電結束后，對該組電池進行了核對性放電，參數如表3所示。

　　由以上數據可見，電池放電時電池的一致性較好，重新充電后電池放電容量為額定容量的96%。

　　5 結論

　　在現有的蓄電池充電技術基礎上，通過對Mass定律的理論擴展所形成的變幅脈沖充電技術解決了蓄電池組在使用維護過程中的內阻均衡性差、使用壽命短、容量不足的問題。為直流電源裝置在變電站提供穩定可靠的直流電源提供了一種堅實的技術保障。這必將能大幅提高直流電源裝置運行的可靠性，做為一項具有自主知識產權的技術，其推廣空間也十分的廣泛。