摘要：針對在各行業(yè)中廣泛應(yīng)用的直流電源系統(tǒng)蓄電池組的使用和維護(hù)問題提出了一種新的充電方法-變幅脈沖充電方法，并對其軟硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了簡述。
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Application of pulse charge with variable current scope on DC power supply
HAN Zhi-fei, LIN Tao
(Zhejiang Huayuan electric Co. Ltd., Zhoushan Zhejiang 316000, China)
Abstract: The pulse charge method with variable current scope was proposed to solve the using and maintenance problems of battery packs for DC power supply applied in many fields. The realization of software and hardware was also presented.
Key words: pulse charge with variable current scope; DC power supply; battery pack; check discharge
引言
近年來隨著技術(shù)的不斷進(jìn)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(hù)裝置、自動裝置、遠(yuǎn)動裝置（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)前對蓄電池組進(jìn)行維護(hù)的主要方法還是定期核對性放電，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，業(yè)界從充電管理角度對電池組壽命問題的理論研究缺乏，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)的均衡充電方法來平衡電池的內(nèi)阻，已很難奏效，反而會嚴(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有明顯差異，個(gè)別單體電池壓差甚至超過150mV。若繼續(xù)對電池組充電至設(shè)定的終止總電壓，則會出現(xiàn)極化大的單體電池發(fā)生嚴(yán)重過充電，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(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(shù)，參考了Mass定律描述的蓄電池的最佳充電效率曲線來設(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)明專利：《閥控式密封鉛酸蓄電池的充電方法》，專利號：ZL 2004 1 0079386.6。
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圖1 VRLA電池組用變幅脈沖充電的典型曲線
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圖2 VRLA電池組各充電階段電流脈沖幅度變化示意圖