铅酸蓄电池充电策略的研究

陈元凯,文小玲,万子银

（武汉工程大学 电气信息学院，湖北 武汉 430205）

铅酸蓄电池是电池的一种，其作用是把电能储存起来，其用途也十分广泛。随着光伏发电、电动汽车产业的不断发展，对于蓄电池充电效率的要求也越来越高，有效且方便的将电能储存到电池的方法也各不相同。本文从铅酸蓄电池的模型出发，基于Boost变换器建立模型，具体的仿真出了各种充电方法，并根据仿真结果系统的分析了各种充电策略。

1 铅酸蓄电池

1.1 蓄电池参数设定

无论是在光伏发电系统还是电动汽车中蓄电池都是寿命最短的部件，故控制蓄电池充电电压和电流在安全稳定的范围内，最大限度的延长寿命并提高充电效率显得尤为重要。

蓄电池容量Q是由电流i和时间t共同决定的[1]：

可以看出电池容量恒定，电流越大充电速率也越快。相应的，时间过短会导致电流过大，影响蓄电池寿命；反之，电流太小会使充电时间过长。

蓄电池电压V是由单体（格）电压值U和单体个数N决定：

12 V铅酸蓄电池含有6个单体，单体电压为2 V，实际充电最佳电压为2.4～2.7 V，即最佳端电压在14.5～16 V范围内，单体电压过低或者过高会相应的导致充电缓慢和电池受损。

1.2 Thevenin蓄电池模型

Thevenin模型是一种常用的模型[2]，能很好的模拟蓄电池充电效果，它是由一个内电势E0，内阻r，大电容C0，过压电阻R0组成，如图1所示。C0代表平行板间的电容，R0为板与电解液之间的接触电阻。

图1 蓄电池Thevenin模型Fig.1 Thevenin battery model

2 蓄电池各种充电策略及仿真

2.1 恒流充电法

恒流充电是对蓄电池充电时保持充电的电流不变。利用

模型，通过 主电路为蓄电池充电，图 给出蓄电池恒流充电Matlab仿真电路[3]。其中主要参数输入电压E=12 V，储能电感L=4.5 mH，电容C1=3 mF，以 10 A的直流为蓄电池充电。

图2 蓄电池恒流充电仿真电路图Fig.2 Constant current battery charging simulation

如图2所示，电流传感器实时跟踪通过电池的平均电流，通过PI算法[4]计算出下一时刻的电流值，并产生相对应占空比的PWM波送入IGBT，实现电流的闭环控制。图3分别显示了对蓄电池以10 A恒流充电时蓄电池两端的电压。

图3 恒流充电波形Fig.3 Constant current charging waveforms

通过PI调节，电流迅速上升至10 A，相应的，蓄电池的端电压也会不断上升，甚至超过蓄电池充电电压的最佳范围。这种方法优点在于可以快速充电，同时可以避免充电初期过高电流对电池的影响。但是在充电后期，蓄电池会长时间处于较高的电压下，影响电池寿命。

2.2 恒压充电法

恒压充电是指对蓄电池充电时始终保持充电的电压不变。利用上述模型，给出蓄电池以15 V恒压充电的Matlab仿真电路图[5]，如图4所示。

图4 恒压充电的仿真电路图Fig.4 Constant voltage battery charging simulation

恒压充电的原理与恒流充电原理类似，通过捕捉实时的平均电压，利用PI算法实现电压的闭环控制。图5分别显示了对蓄电池以15 V恒压充电时蓄电池两端电流的变化。

图5 恒压充电波形Fig.5 Constant voltage charging waveforms

通过PI调节，蓄电池电压将趋于恒定并稳定在15 V，但是仿真初期流过蓄电池电流明显过高，并且随着蓄电池内势的增加充电电流逐渐减小。这种方法的优点在于抑制了充电后较高的电压，然而，恒压充电时间过长且初期电流过高，会使电池大量发热，对电池的寿命产生不利影响。

2.3 分段式充电法

第一阶段——恒流段，当电池电势较低时，采用恒流充电，充电过程中电池电压会逐渐升高，然后转入下一阶段。恒流充电为主充电阶段，此时电池已经充入约80%电量。

第二阶段——恒压段，当电池电势升高后，采用恒压充电，进入二阶段后，略微降低充电电压，并保持这个恒定的电压充电，当电流下降到一定值时转入下一充电阶段。恒压充电阶段是对电池充电的补充，该阶段结束时电池已基本充满。

第三阶段——浮充段，也称为涓流充电，涓流充电实际上也是恒压充电，只是充电电压较低，它可以使电池的电量充到接近100%，并能弥补电流过小时的自放电。

利用Matlab的Switch模块来模拟恒流恒压的切换[6]，仿真电路如图6所示。

图6 分段充电仿真电路图Fig.6 Sub-battery charging simulation

分段式充电法采用双闭环控制策略，利用两个独立工作的PI控制环，同时设计出一个切换开关用于恒流和恒压之间的切换。仿真中，先接通恒流环，以10 A的恒流充电，当蓄电池端电压升至15 V时自动切换为恒压环，并调整电压至14.5 V，实现恒压控制。图7分别显示了恒压恒流充电时的蓄电池端电压和电流的变化。

图7 分段式充电波形Fig.7 Sub-battery charging waveforms

通过波形可以看出，无论电压还是电流均位于安全稳定的范围内，恒流充电至蓄电池端电压为15 V时自动切换至二阶段。这种充电方法优点在于算法稳定，对蓄电池影响较小，克服了上两种方法的不足，能有效的延长蓄电池的使用寿命。但是分段式充电法充电时间较长，必须找准阶段转换的时机，否则达不到充电的效果，对蓄电池损伤也是不可逆的。

3 结论

文中针对铅酸电池目前几种较为常见的充电方法进行了具体的仿真和分析。由仿真结果可以看出不同的充电方法有着各自的优缺点，相应的也有着各自的应用范围，比如说恒流法适合于快速充电的场合，而分段法则适用于不方便更换电池且对充电时间要求不高的地方。但每种方法也有着各自的缺点，相信随着蓄电池电源技术的不断发展，会有更加全面完善的充电方法不断的涌现。

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