一种馈能式正负脉冲快速充电方法

孙，王春芳（青岛大学自动化工程学院，山东 青岛 266071）

一种馈能式正负脉冲快速充电方法

摘要：为了对铅酸蓄电池进行快速充电并延长其使用寿命，本文提出了一种具有馈能作用的正负脉冲快速充电法。该方法采用双向升降压斩波电路作为基本充放电电路，正脉冲期间为铅酸蓄电池恒压充电，负脉冲期间铅酸蓄电池放电并馈能至电解电容，该电路在整个充放电过程中均实现了零电压开通软开关控制，大大降低了开关损耗。与传统的正负脉冲充电法相比，该方法是将铅酸蓄电池对电阻放电产生的负放电脉冲改为对前级电解电容充电馈能，并在充电时重新使用，有效地解决了放电能量浪费的问题，并且具有一定的修复效果。实验验证了该充电方法的实用性和可行性。

关键词：馈能；正负脉冲充电；软开关；铅酸蓄电池；快速充电；双向升降压斩波电路

0　引言

目前铅酸蓄电池的充电方法既包含控制简单的恒压、恒流充电法，也包含了变电压间歇、变电流间歇等混合型充电方法[1-3]。本文提出了一种基于恒压充电法的具有馈能作用的正负脉冲式快速充电法。与传统正负脉冲充电法相比，所述方法做了如下改进：1) 将铅酸蓄电池对电阻放电产生的负放电脉冲改为对前级电解电容充电馈能，当正脉冲充电时，电容中储存的电能再传输给铅酸蓄电池，所以这种充电方法具有节能作用；2) 由于用馈能电容取代了放电电阻，充电过程中可以根据需要改变负脉冲的放电幅值，减小了充电后期大放电电流对蓄电池的冲击；3) 将传统的大脉冲拆分为多个小的脉冲，由于正负脉冲的交替频率高于传统正负脉冲的交替频率，提高了蓄电池的充电接受能力，在整个充电过程中还会对铅酸蓄电池进行一定的修复，属于修复型快速充电法。本文对该充电法进行了研究，验证了所给方法的可行性和实用性。

1　馈能式正负脉冲快速充电方法

传统正负脉冲充电法的工作过程是施加正脉冲时给铅酸蓄电池充电，蓄电池对电阻放电时形成负脉冲，且正脉冲持续时间远远大于负脉冲时间，否则将会导致蓄电池电量不断下降。与其他充电方法不同的是，这种充电方法在充电过程中，会有一段时间让蓄电池进行放电。从表面上看这样会减缓充电速度，其实不然。根据马斯第三定律，铅酸蓄电池在充电过程中适当放电，可以有效提高其充电接受能力。

然而，传统的正负脉冲充电法在负脉冲放电过程中，蓄电池对外放电电能以电阻发热的形式被消耗掉，导致能源浪费。基于这种情况，本文提出了一种具有馈能作用的正负脉冲充电法，如图 1 所示。T1 时段通过电感 L 的电流为正大于负的多个三角波电流，其等效充电电流为具有一定幅值的正向充电电流，开关电源通过充电电路对铅酸蓄电池进行恒压充电，等效为正脉冲，能量正向流动；T2时段，通过电感 L 的电流为负大于正的多个三角波电流，其等效放电电流为具有一定幅值的负的放电电流，铅酸蓄电池进行放电馈能，等效为负脉冲，能量反向流动。随着时间的增加，充电电压与蓄电池之间的压差不断减小，等效充电电流呈指数规律下降，与马斯曲线相符合。图 1 中仅为几个周期的正负脉冲，无法看出其等效电流的变化规律。虚线表示的等效电流为铅酸蓄电池流过的电流。由于 t1和 t2时段可以通过单片机控制电路进行调整，通过设置合适的脉冲宽度来改变正负脉冲的交替频率，从而提高了铅酸蓄电池的充电接受能力，适当去除硫化[4]。

图1　电感 L 电流波形

2　双向 buck-boost 电路

为了实现所提出的充电方法，采用双向 buckboost 电路作为主电路，如图 2 所示，其工作波形如图 3 所示。该电路是由 buck 电路与 boost 电路组合而成，正脉冲期间可以视为 buck 电路断续工作模式给铅酸蓄电池充电，叠加的 boost 电路用于实现软开关；负脉冲期间可以视为 boost 电路断续工作模式使铅酸蓄电池放电馈能，叠加的 buck 电路用于实现软开关。 Buck 充电电路由开关管 V1、电感 L、电解电容 C1、C2 和二极管 D2 组成，工作过程为：开关管 V1 导通、V2 关断时，开关电源和电容 C1 通过电感 L 给蓄电池恒压充电；开关管 V1断开后，电感 L 通过二极管 D2 进行续流，电感电流逐渐减小为 0。在二极管 D2 导通时，开通开关管 V2 即可实现 boost 电路零电压开通软开关技术（对应于图 3 中 t0～t1阶段，t0代表开关管 V1 关断时，t1代表电感电流降为 0 时），此时由电容 C2对铅酸蓄电池进行恒压充电。Boost 放电电路由开关管 V2、电感 L、电解电容 C1、C2 和二极管 D1组成，工作过程为：开关管 V2 导通、V1 关断时，蓄电池对电感 L 储能；开关管 V2 关断后，蓄电池、电容 C2 及电感 L 通过二极管 D1 向电容 C1 进行馈能，电感电流逐渐减小为 0。在二极管 D1 导通时，开通开关管 V1 即可实现 buck 电路零电压开通软开关技术（对应于图 3 中 t2～t3阶段，t2代表开关管 V2 关断时，t3代表电感电流降为 0 时）。其中，t0～t4为一个完整的开关周期，馈能电容 C1为开关电源输出滤波电容，电容 C2 为双向 buckboost 电路的输出滤波电容。

图2　双向 buck-boost 电路

图3　双向 buck-boost 电路工作波形

双向 buck-boost 电路能够实现能量的双向流动，利用续流二极管实现零电压导通软开关技术，大大减少了开通损耗，并在铅酸蓄电池放电过程中将释放的能量储存于电容 C1 中，在正脉冲到来时，释放给铅酸蓄电池。这种电路结构简单，采用的器件较少，控制上仅需对两个 IGBT 进行操作，系统体积小，成本低，易于实现。

根据电感 L 值的大小不同，电路存在三种运行方式：单向 buck 工作状态、单向 boost 工作状态和双向 buck-boost 工作状态。当电感值取得较大时，会使电路处于前两种工作状态，并不能满足零电压导通软开关技术的要求。因此，需要对电感 L 的值进行计算，从而保证电路可以实现零电压导通软开关技术，计算公式[5]如下：

式中，US为开关电源的输出电压，UC2为双向buck-boost 电路的输出电压，iL为电感 L 的平均电流，fS为开关管 V1 和 V2 的开关频率。

在 buck 或者 boost 电路中，电感电流的纹波小于等于电感电流平均值的 2 倍，而在双向 buckboost 电路中则高于电感电流的 2 倍，可以由此推导出该公式，即将该电路视为 buck 电路和 boost 电路电感电流均为断续的状态。

正脉冲阶段开关管 V1 的占空比决定铅酸蓄电池的充电电压，根据 buck 电路输出电压的计算公式即可选择最佳的充电电压；负脉冲阶段开关管V2 的占空比决定铅酸蓄电池的放电电流大小。同时为了保证零电压软开关控制的实现及防止电路发生直通，两开关管的驱动波形之间需要带有一定的死区时间。根据 buck 电路与 boost 电路电感电流斜率之间的关系可知，当一个开关管的占空比给出后，另一个开关管的占空比即可得出。所以，在控制方法上，开关管 V1、V2 的驱动信号必然是一对互补的带有一定死区时间的 PWV 波。

3　仿真和实验验证

图4　正脉冲期间铅酸蓄电池充电电流

为了对该充电方法进行仿真和实验验证，对应图 2 中开关电源 US为 64 V，采用 3 只 12 V/10 Ah铅酸蓄电池串联，开关管 V1 和 V2 的驱动波形采用单片机半桥 PWM 模式输出，正负脉冲的宽度通过单片机的定时功能设置，并在负脉冲阶段利用单片机输出 PWM 封锁信号将开关电源断开。

图4 和图 5 为铅酸蓄电池充电和放电时电流的MATLAB 仿真波形，从图中可以看出在正脉冲期间铅酸蓄电池处于充电状态，负脉冲期间铅酸蓄电池处于放电状态。

图6 为正脉冲阶段电感电流与开关管 V1 的驱动电压波形，为使开关管完全导通，设计的驱动电压为 15 V，开关管的开关频率为 20 kHz。从图中可以看出，开关管处于零电压导通状态且电感电流有正有负，即电路工作于双向 buck-boost 状态，与图 3 相符。

图5　负脉冲期间铅酸蓄电池放电电流

图6　电感电流与驱动波形

图7 为整个充电过程的电感 L 电流波形，T1阶段为正脉冲充电，T2 阶段为负脉冲放电，与图 1相符。

从实验波形中我们可以发现：双向 buck-boost电路可以很好地适用于馈能式正负脉冲充电法并实现软开关技术。

图7　电感 L 电流波形

4　结束语

本文介绍了一种新型充电方法，不仅可以大大提高铅酸蓄电池的充电速度，而且利用负脉冲放电馈能有效地消除了充电过程中存在的极化问题，并且延长了铅酸蓄电池的使用寿命。若将本文提出方法中的前级开关电源的输出直流电压 US由 64 V 改为 300～500 V，则可对电动汽车用电池组进行快速充电。

参考文献：

[1]贾英江, 王维斌. 铅酸蓄电池充电方法初探[J].电源技术, 2001, 25(1): 27–28.

[2]廖金华, 李建黎. 铅酸蓄电池充电技术综述[J].蓄电池, 2010, 47(3): 4–8.

[3]李俄收, 王远, 吴文民. 铅酸蓄电池充电技术的研究[J]. 蓄电池, 2011, (6): 253–258.

[5]朱世盘. 馈能式铅酸蓄电池快速充电机的研究[D]. 青岛大学, 2013.

A fast charging method by using positive and negative pulse with energy feedback

SUN Yao, WANG Chun-fang*
(School of Automation Engineering, Qingdao University, Qingdao Shandong 266071, China)

Abstract:In order to achieve a fast charging and extend the service life of lead-acid battery, this paper proposes a fast charging method by using positive and negative pulse with energy feedback. Bidirectional buck-boost chopper circuit is the basic charging and discharging circuit of this method. The lead-acid battery is charged during the positive pulse, is discharged and feed back the energy to capacitor during the negative pulse. The circuit realizes zero voltage switch control in the whole process of charging and discharging, so that the switching loss is less. Compared with the traditional positive and negative pulse charging method, the discharging resistance is replaced with energy feedback capacitor during the negative pulse, so the discharging energy is stored and reused during charging. This method effectively solves the problem of wasting the discharging energy and has a certain repair effect. The feasibility and practicability of this method are supported by this experiment.

Key words:energy feedback; positive and negative pulse charging; soft switch; lead-acid battery; fast charging; bidirectional buck-boost chopper circuit

中图分类号：TM 912.1

文献标识码：A

文章编号：1006-0847(2015)05-233-04

收稿日期：2015–03–19

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