变幅脉冲充电技术在直流电源装置中的应用

引言

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