光伏发电系统铅酸蓄电池快速充电研究

2017-01-10刘旭涛赖小龙王志文

电源技术 2016年12期

关键词：充电电流酸蓄电池蓄电池

刘旭涛，赖小龙，卫东，赵磊，王志文

(中国计量学院机电工程学院，浙江杭州310018)

光伏发电系统铅酸蓄电池快速充电研究

刘旭涛，赖小龙，卫东，赵磊，王志文

(中国计量学院机电工程学院，浙江杭州310018)

以使用阀控式铅酸(VRLA)蓄电池的独立光伏发电系统为研究对象，利用马斯提出的最佳充电曲线，分析铅酸蓄电池的充电特性，提出了根据蓄电池阻抗与容抗的变化，预测可接受最大充电电流的方法。根据光伏发电系统的特点，采用变电流方式对铅酸蓄电池进行快速充电，优化充电控制过程。通过对铅酸蓄电池的实验验证和误差分析，表明所提方法具有较高的精度。最后在Matlab中对光伏发电系统进行仿真，仿真研究表明该方法能够快速地完成充电和避免过充，从而延长蓄电池的使用寿命，实现系统的优化运行。

太阳能光伏电池；铅酸蓄电池；快速充电

独立光伏发电系统中，为了保证负载的正常运行，需引入储能装置进行储存和调节电能。由于阀控式铅酸(VRLA)蓄电池具有价格低廉、供电可靠等优点，因此被广泛地应用于光伏发电系统中。但是太阳能光伏电池的输出特性受光照和温度影响较大，发电时间受到限制，造成了蓄电池长期处于欠压状态，影响了蓄电池的使用寿命[1]。因此设计合适的充电方法，提高太阳能光伏电池对蓄电池的充电速度是光伏发电系统中的研究重点。

近年来，针对独立光伏发电系统的充电控制方法主要还是沿用其它系统的充电方式，如恒压充电、恒流充电及多阶段充电等，因而性能还不够完善。这主要是因为蓄电池在其他应用场合中的重要性(特别是性价比)不像独立光伏系统中那么大，其循环使用次数(充、放电次数)也没有在独立光伏系统中那么多，并且充电电源来源于电网，对蓄电池更为关心的是充电效率和速度，对循环使用寿命的考虑较少[2]。随着太阳能技术的发展，越来越多的学者开始关注这方面的研究，主要体现在蓄电池容量预测和充电控制方面。

在蓄电池容量预测方面，提出了基于开路电压和环境温度的蓄电池充电状态的数学模型来预测蓄电池的荷电状态(SOC)，从而有效地保护蓄电池过放。文献[3]提出通过找到不同放电电流下，蓄电池过放保护电压与容量的关系，来设置过放保护电压。文献[4]提出采用线性方程来代替Peukert方程对蓄电池容量进行预测，在小电流放电时得到较Peukert更为准确结果，且算法简单。采用神经网络技术对容量进行预测，而采用模糊辨识方法技术进行预测，具有更高的预测精度。

在充电控制方面，文献[5]提出采用太阳能光伏电池电流寻优方式进行充电，简化太阳能光伏电池和蓄电池之间的匹配。文献[6-7]提出采用恒压方式充电，充电初期充电电流较大，充电末期电流较小，避免充电末期电池内阻较大而使蓄电池过热，从而延长了蓄电池的使用寿命。还有文献[8-9]提出由于充电终止电压和环境温度、充电电流以及蓄电池容量的关系难以用一确切的数学模型描述，因此采用模糊逻辑技术建立模型，其输入为蓄电池容量和充电电流大小，输出为充电终止电压，来对充电进行控制。

然而，容量预测模型只给出了蓄电池容量与过充、过放电压之间的关系，并没有详细揭示蓄电池容量与充电电流之间的关系，而在充电控制方法中由于无法准确获知蓄电池可接受的最大充电电流，对充电电流的控制更多的是依靠经验值，所以并不能实现最快速地充电，从而降低了光伏发电系统的效率。

根据上述问题，本文针对光伏发电系统提出了铅酸蓄电池快速充电控制方法。首先从蓄电池的充电特性出发，通过分析马斯提出的最佳充电曲线，建立了蓄电池剩余容量与可接受最大充电电流模型；其次，利用模型计算结果，结合光伏电池的输出特性，采用变电流方式对铅酸蓄电池进行快速充电；最后，通过Matlab仿真对本文设计的快速充电方法进行验证，结果证明了该方法的有效性。

1 快速充电

1.1 快速充电理论依据

在对蓄电池进行充电的过程中，如果充电电流过大，超出了蓄电池可接受电流能力，则高出的部分并不增加充电率，只会加速内部水分的分解，产生大量气体；相反，如果充电电流过小，没有达到蓄电池可接受电流能力，则会增加充电时间。为此，美国科学家马斯以蓄电池充电过程中最低析气率为标准，进行了大量的实验研究，研究发现在充电的不同阶段，蓄电池可接受电流能力并不相同，可接受电流能力随充电时间的增加，呈指数衰减，其充电电流曲线如图1所示。

图1 蓄电池可接受充电电流能力曲线

对于任意充电时刻t，蓄电池可接受的充电电流为：

由于蓄电池剩余容量与蓄电池端电压有关，因此式(4)还可表示为：

1.2 衰减率常数a

图2 蓄电池等效电路

文献[10]中提出，蓄电池的充电过程可以看作RC电路的充电过程，其时间常数表征充电的快慢，相当于马斯曲线中的衰减率常数，则有

2 快速充电控制

蓄电池可接受电流能力曲线给出了充电电流与充电时间的关系，由于太阳能光伏电池发电受到光照和温度影响，充电时间并不连续，因此需对曲线进行适当的变化以符合光伏电池的发电特性。在利用太阳能光伏电池对蓄电池充电过程中，充电电流与时间可测，因此充入的容量可知，则由式(1)和式(2)可获得蓄电池在充电过程中任意容量下的可接受最大充电电流，如图3所示。

图3 容量与充电电流的关系

本文设计的快速充电方法是首先测得开始充电时蓄电池的端电压，利用式(4)和式(5)计算需充入容量，利用式(6)～式(8)计算衰减率常数，利用式(3)计算起始最大可接受充电电流，从而获得蓄电池在充电过程中任意容量下最大的充电电流。

太阳能光伏电池对蓄电池充电时，由于输出电压为蓄电池的端电压，因此太阳能光伏电池所能提供的最大充电电流即为最大功率点电流。当最大功率点电流低于蓄电池可接受电流时，需对太阳能光伏电池进行最大功率跟踪，反之，则以蓄电池可接受充电电流进行充电。充电过程中，时时检测蓄电池端电压，当端电压发生变化时，表明蓄电池容量发生了变化，此时应重新计算蓄电池可接受充电电流，及时调整太阳能光伏电池的输出电流，这一过程反复进行，直至蓄电池充满为止。蓄电池快速充电控制流程图如图4所示。

图4 蓄电池快速充电控制流程图

3 结果

3.1 模型验证与误差分析

表1 铅酸蓄电池各参数值

文中利用20 Ω水泥电阻作为负载，对该铅酸蓄电池在分别放电到端电压为13、12.5和12 V，再分别对这三种情况下的铅酸蓄电池进行充电实验，以0.8mL/min析气率为标准，记录了实验数据，实验数据与铅酸蓄电池可接受充电电流理论曲线如图5所示。

图5 充电电流理论曲线与文献数据比较结果

针对三种情况下的数据进行误差计算与分析，相对误差= |理论计算值-文献实测值|/文献实测值，以充电电流为标准值计算充电电流误差，并给出曲线拟合的最大误差和平均误差结果如表2所示。

表2 充电电流误差分析表

由图5和表2分析可知，铅酸蓄电池可接受充电电流理论曲线与文献实验数据吻合很好，平均误差小于3%，最大误差小于5%，具有较高的精度。

3.2 仿真结果分析

在Matlab中对太阳能光伏发电系统进行仿真，其中太阳能光伏电池标准测试条件下参数如表3所示。

表3 太阳能光伏电池参数

利用太阳能光伏电池对端电压为13 V的铅酸蓄电池进行充电。设定太阳能光伏电池可输出的最大电流分别为=2.27 A、=1.5 A和=1 A三种情况，充电过程如图6所示。

图6 不同情况下蓄电池充电电流曲线

分析图6可知，充电初始阶段，如果太阳能光伏电池的最大功率点电流低于蓄电池可接受电流时，光伏系统将工作在最大功率点跟踪状态。此时，由于充电电流没有达到蓄电池的可接受电流，造成充入的容量减少，需要在后续的充电过程中补上，因此形成了新的充电曲线。随着充电过程的进行，充电电流按照马斯快速充电曲线的规律逐渐衰减，最大限度的缩短了充电时间，避免了蓄电池的过充，从而延长了蓄电池的使用寿命。

本文选用12 V20 Ah铅酸蓄电池实验数据，验证快速充电模型的准确性和有效性，表1为该铅酸蓄电池各参数值。

4 结论

本文通过分析蓄电池的充电特性，结合马斯定律，建立了蓄电池剩余容量与可接受最大充电电流模型。利用模型计算结果，结合太阳能光伏电池的输出特性，采用变电流方式对铅酸蓄电池进行快速充电。与文献实测数据进行的比较和误差分析结果表明：(1)利用铅酸蓄电池的阻抗和容抗计算获得的蓄电池剩余容量与可接受最大充电电流模型具有较高的精度，可满足蓄电池充电的工程应用的要求；(2)通过预测任意容量下的蓄电池可接受最大充电电流，采用变电流方式对铅酸蓄电池进行快速充电的方法，能够描述任意光强和环温下的太阳能光伏电池充电特性。

[1]CATHERINO H A，FERES F F，FRANCISCO T.Sulfation in leadacid batteries[J].Journal of Power Sources，2004，129(1)：113-120.

[2]KATTAKAYAM T A，SRINIVASAN K.Lead acid batteries in solar refrigeration systems[J].Renewable Energy，2004，29(8)：1243-1250.

[3]BARCA G，MOSCHETTO A，SAPUPPO C，et al.An advanced SOC model and energy management for a stand-alone telecommunication system[J].Power Electronics，Electrical Drives，Automation and Motion，2008，11(13)：434-438.

[4]KAISER R.Optimized battery management system to improve storage lifetime in renewable energy systems[J].European Lead Battery Conference，2007，168：58-65.

[5]MATTHIAS D，ANDREW C，SINCLAIR G，et al.Dynamic model of a lead acid battery for use in a domestic fuel cell system[J].Journal of Power Sources，2006，161(2)：1400-1411.

[6]廖志凌，阮新波.独立光伏系统能量管理控制策略[J].中国电机工程学报，2009，29(21)：46-52.

[7]李立伟，陈伟斌，马平.独立光伏电站蓄电池优化管理研究[J].电力自动化设备，2009，29(4)：110-133.

[8]雷肖，陈清泉，刘开培.电动车蓄电池荷电状态估计的支持向量机方法[J].中国电机工程学报，2008，28(18)：114-118.

[9]王丽，高田，景志林.蓄电池可接受充电电流预测[J].电源技术，2012，36(7)：962-965.

[10]CHEN G Y，SONG X Y，RICHARDSON T J.Electron microscopy study of the LiFePO4to FePO4phase transition[J].Electrochem Solid State Lett，2006，9：A 295-A 298.

图5 催化剂在1.0 mol/L KOH-1.0 mol/L CH3OH溶液中的计时电流曲线

3 结论

以导电聚合物聚苯胺修饰的碳纳米管为载体制备了甲醇电氧化催化剂。聚苯胺修饰碳载体的采用，使得载体表面Pd纳米粒子的负载更加均匀，分散性能得到改善，对甲醇氧化反应具有较高的催化活性。与 Pd/CNTs催化剂相比，Pd/CNTs-PANI(1∶0.08)催化剂上的氧化电流峰值明显增大，氧化起始电位负移，动力学性能得到提高。聚苯胺修饰载体制备的催化剂对甲醇氧化具有较高的活性和稳定性。

参考文献：

[1]DELIGÖZ H，YILMAZTÜRK S，GÜMÜSOGLU T.Improved direct methanol fuel cell performance of layer-by-layerassembled compoú site and catalyst containing membranes[J].Electrochemica Acta，2013，111：791-796.

[2]罗远来，梁振兴，廖世军.直接甲醇燃料电池阳极催化剂研究进展[J].催化学报，2010，31(2)：141-149.

[3]CHUNG C G，KIM L，SUNG Y W，et al.Degradation mechanism of electrocatalyst during long-term operation of PEMFC[J].Int J Hydrogen Energy，2009，34：8974-8981.

[4]陈维民，辛勤，孙公权.低温燃料电池贵金属催化剂的老化[J].催化学报，2008，29(5)：497-505.

[5]ZHANG X，ZHANG X，FENG R P，et al.Synthesis,characterization and catalytic activity of Au nanoparticles supported on PANI/a-Fe2O3composite carriers[J].Materials Chemistry and Physics，2012，136：555-560.

[6]YUAN Y，AHMED J，KIM S.Polyaniline/carbon black compositesupported iron phthalocyanine as an oxygen reduction catalyst for microbial fuel cells[J].Journal of Power Sources，2011，196：1103-1106.

[7]陈建慧，佟浩，高珍珍，等.聚苯胺共价接枝碳纳米管负载Pt催化剂的制备及对甲醇电催化性能的研究[J].化学学报，2013，71：1647-1655.

[8]HOSSEINI S M，JEDDI F，NEMATI M，et al.Electrodialysis heterogeneous anion exchange membrane modified by PANI/MWCNT composite nanoparticles：Preparation,characterization and ionic transport property in desalination[J].Desalination，2014，341：107-114.

[9]甘全全，徐洪峰，张茂峰.聚苯胺修饰Pt/C催化剂对质子交换膜燃料电池动态响应的促进作用[J].催化学报，2007，28(10)：900-904.

[10]ZHANG X T，ZHANG J，SONG W H，et al.Controllable synthesis of conducting polypyrrole nanostructures[J].Journal of Physical Chemistry，2006，110：1158-1165.

Study on fast charging for lead-acid battery in PV system

The acceptable charging current of the VRLA battery was predicted according to the change of impedance and captance in the independent PV system.The charging characteristics were analyzed based on Mass theory on the optimization charging curve.The variable current charge mode was used to optimize charging control process according to the characteristics of the independent PV system.The experiment and error analysis of the VRLA battery show that the method possesses high accuracy.By simulation,it was verified that the method could complete fast charging and avoid overcharge,thus the battery's life was extended and the performance of the PV system was improved.

solar cell；lead-acid battery；fast charging

TM615

1002-087X(2016)12-2377-04