变幅脉冲充电技术在直流电源装置中的应用

近年来随着技术的不断进步，变电站综合自动化的程度也日渐提高。直流电源装置做为给变电站控制回路、信号回路、事故照明回路、继电保护装置、自动装置、远动装置（RTU）以及逆变电源等提供可靠直流电源的设备其重要性也日益突出。蓄电池组做为直流电源装置中的主要部件，在电网出现故障时就成为了唯一的直流电源提供者。所以，做好蓄电池组的日常维护工作，保证蓄电池组的容量充足、保持单节电池的电压及内阻的一致性就显得尤为重要。

当前对蓄电池组进行维护的主要方法还是定期核对性放电，而充电方式多采用传统的三段式充电：恒流限压—恒压限流—涓流充电。而这种充电方法在多个电池串联的VRLA蓄电池组充电时并不是很合适，容易给蓄电池造成以下故障：一是如果长期充电不足，正负极表面沉积大量体积大、活性差的PbSO4结晶和其包覆下的活性差的PbO2。表现为充电时该电池电压很快升到控制的终止电压，放电时又很快跌落到放电终止电压，电池放不出电。二是经常进行的均充和长期浮充，使电池析出大量的气体导致电解液中的水损失加快，内阻增大。三是电池组中各电池性能的差异性在长期使用后表现非常明显。目前造成蓄电池失效有50%由上述原因引起。

因此，研制一种适用于VRLA蓄电池的新型充电模式，以提高电池组使用寿命、降低用户使用成本、节约资源、提高直流电源装置的稳定性就成了目前设备制造商和用户的共同要求。

1 技术原理

自1859年由普兰特（G.plante）发明铅酸蓄电池以来，业界从充电管理角度对电池组寿命问题的理论研究缺乏，导致恒压限流、均衡充电的传统方法一直沿用。实践证明，单体电池数量较多的电池组用传统的均衡充电方法来平衡电池的内阻，已很难奏效，反而会严重影响寿命。其原因是：由于各单体电池的极化电压降不同，（注：极化电压降由三部分组成，即欧姆极化、浓差极化和电化学极化），并且单体数越多，相对差异越大。当电池组充电容量达到90%时，各单体电池的电压将会有明显差异，个别单体电池压差甚至超过150mV。若继续对电池组充电至设定的终止总电压，则会出现极化大的单体电池发生严重过充电，极化小的单体电池充电不足。若继续循环，电池组的性能将很快恶化，过充电的单体电池电解液干涸，容量衰退，欠充电的单体电池极板硫酸盐化，电池失效。

针对上述存在的问题，我们开发出了一种新的变幅脉冲均衡充电技术：先用大电流恒流充电至额定容量的70%左右（这时电池产生极化很小，各单体电池的电性能状态基本一致），然后开始脉冲充电。脉冲充电时正脉冲电流由电池组电压与充电电源所设定的输出电压差确定，即正脉冲电流与上述压差成正比关系。而去极化脉冲（负脉冲）电流自始至终变化很小，这样就使充电过程随着电池组电压的升高（极化变大），正负脉冲的比例越来越小，即去极化作用加大，从而达到抑制极化电压和均衡内阻的效果。变幅脉冲充电模式是从VRLA蓄电池正极板的结构特性入手，研究一种能使电池在循环过程中，正极板保持有高容量、高充放效率和机械性好的充电模式，使电池组充足又不过充，析气率控制在允许的范围内。

变幅脉冲充电技术的充电曲线和电流波形分别如图1、图2所示。如图2所示，如此控制充电脉冲电量和去极化脉冲电量之间的比例，可以使实际充电曲线拟合图1所示的最佳充电效率曲线，提高充电效率，减少析气量，避免电解液温度升高。

我们提出的变幅脉冲均衡充电技术，参考了Mass定律描述的蓄电池的最佳充电效率曲线来设计充电工艺，即在充电效率最大的区域以大电流恒流充电，当充电容量达到额定容量或前一周使用容量的60～70%时，加入间隙性去极化脉冲，并以充电脉冲和去极化脉冲周期性地相继施加在电池上，适当降低充电的平均电流，减少极化。

我公司已取得了上述技术的发明专利：《阀控式密封铅酸蓄电池的充电方法》，专利号：ZL 2004 1 0079386.6。

图1 VRLA电池组用变幅脉冲充电的典型曲线

图2 VRLA电池组各充电阶段电流脉冲幅度变化示意图

2 硬件原理

2.1 变幅脉冲发生控制器

变幅脉冲发生和控制的电原理框图如图

图3 变幅脉冲发生和控制的电原理框图

AC/DC模块为高频开关电源，Q1、Q2在MCU的控制下按设定要求轮流导通、截止，可达到充电输出电流为变幅脉冲的要求。本单元装置合理设计了驱动电路、保护电路和器件组合，在大电流高电压条件下，在毫秒级的工作状态下能保证连续工作的高可靠性。

2.2 集中控制器

根据变幅脉冲充电模式的要求设计了相应的硬件结构，主控器采用完全集成的混合信号级MCU芯片构成了能够真正独立工作的片上系统。MCU能有效的管理模拟和数字外设，通过监控硬件数字接口和变幅脉冲高频开关电源模块间完成数据交换和控制。同时还使用非易失性铁电存储器FRAM来保存关键的工艺和运行参数，重要的工艺参数可保存10年，参数修改次数可以达到1012。通过监控硬件的实现，创新建立了合理的电力电子变流技术与嵌入式系统控制技术以及电化学变幅脉冲充电技术完美结合的充电模型，该模型的硬件原理图如图4所示。通过精心设计的PC机综合管理软件，完成了PC机和充电单元间的数据交换和控制，实现了各参数的同步采样与控制。在电脑终端建立了完备的充电数据分析管理数据库，以达到不断完善变幅脉冲均衡充电技术并建立更加科学合理的充电模型的目的。

　　3 软件流程图

根据直流电源装置的使用规范和铅酸蓄电池组的充电最优曲线，在直流电源监控装置中植入了相应的软件，该软件获得一项国家软件著作权证书。其软件流程图如图5。

图5 变幅脉冲充放电机监控软件流程图

　　4 实验结果与分析

为了证明变幅脉冲充电技术对蓄电池组充电的良好效果，我们特意选择了一组共9节使用在直流系统中的CGB12V/65Ah电池进行充电实验。由于长期带负载过量放电，使电池失水严重、容量放空、极板严重硫化，导致单节电池开压在0.74V～0.86V之间，均无法充放电。

检查电池内部：将电池上盖板撬开，打开胶帽，胶帽内沾有少量酸液，电池内隔板有干涸的迹象，用广泛pH试纸测胶帽内酸液显弱酸性。

高压水疗激活电池：电池中加入1.05g/mL稀硫酸50mL/单格，用2只12V/12Ah电池串联后对一只CGB12V/65Ah电池充电，充电电压高至25V，回路电流慢慢增加，约45min后回路中电流增大到5A左右。此时认为电池已初步活化。

将激活后的电池串联，首先采用恒流5A给电池组充电。充电后，以5.0A容量检测放电。其结果见表1。

表1数据表明，该组电池在充电初期由于极板硫化严重，电池电压虚高且均衡性较差。在传统的三段式充电模式下，蓄电池组的电压迅速上升至充电限压值，导致电池充入容量到40Ah后就无法再进一步充入。并且电池均衡性差异较大，最大压差达到0.79V。

采用变幅脉冲充电方法充电，然后以次5A放电检测电池容量，其结果见表2和表3。

表2数据表明，经过变幅脉冲充电8小时后，电池电压上升速度明显减慢，证明极板中的硫酸铅大结晶体在减少，结构逐渐疏松。在充电的最后阶段，各单体电池间的电压均衡性逐渐趋于一致，最大压差缩小到0.21V。这说明在变幅脉冲的作用下，该组电池中内阻较大的电池并未随着充电的进行而产生更大的极化电压，而内阻小的电池也很好的接受了充入的电量，并未发生充电不足的现象。最后的充入容量达到了70Ah，还有了一定的过充量。

在变幅脉冲充电结束后，对该组电池进行了核对性放电，参数如表3所示。

由以上数据可见，电池放电时电池的一致性较好，重新充电后电池放电容量为额定容量的96%。

5 结论

在现有的蓄电池充电技术基础上，通过对Mass定律的理论扩展所形成的变幅脉冲充电技术解决了蓄电池组在使用维护过程中的内阻均衡性差、使用寿命短、容量不足的问题。为直流电源装置在变电站提供稳定可靠的直流电源提供了一种坚实的技术保障。这必将能大幅提高直流电源装置运行的可靠性，做为一项具有自主知识产权的技术，其推广空间也十分的广泛。