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[摘 要]蓄电池是风光储联合发电系统中重要的组成部分，而蓄电池的成本及使用寿命严重制约着风光储联合发电系统的广泛应用。蓄电池的充电过程是影响蓄电池寿命的主要因素，文章对目前常用的几种充电方法进行分析研究，探讨了一种优化的充电控制方法，可以在一定程度上提高充电效率及蓄电池寿命。
[关键词]蓄电池 充电方法 充电寿命
中图分类号：TP393.08 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）46-0279-01
引言
由于风力发电和光伏发电系统受自然气候的影响具有较大的随机波动性，因此为满足系统稳定可靠运行要求，提高系统的稳定性，配备一定容量的储能设备成为风光发电系统保障其正常运行的重要途径。蓄电池是一种比较理想的储能装置，近年来已成为电力系统应用最为广泛的储能装置。但是考虑到蓄电池及风光发电系统自身的成本和技术成熟度，目前一般采用铅酸蓄电池储能[1]。由于蓄电池成本在风光发电系统成本中占有较大的比重，因而蓄电池的使用寿命则成为风光发电系统广泛应用的瓶颈。充放电电流大小和对蓄电池的过充电现象是影响蓄电池寿命的两个主要因素[2]。如何高效、快速、无损地对蓄电池进行充电，一直是蓄电池界极其关注的问题，也是蓄电池使用和保养中非常重要的内容。绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。充电装置的性能优劣对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。因此，研究和探讨先进的充电技术及充电装置是蓄电池领域重要的课题，本文对目前常用的充电方法进行分析，探讨了一种优化充电控制方法。
1 目前常用的充电方法
1.1 多阶段充电法
1） 二阶段恒流充电法
采用二段恒流充电，第一段为大电流恒流充电，充电初期蓄电池可接受的充电电流较大，因而先采用大电流恒流充电以使电池获得大部分的电量。随着充电的进行，蓄电池可接受的充电电流不断减小，当蓄电池端电压达到设定值，蓄电池进入小电流恒流充电阶段。二阶段恒流充电法的充电效果比恒压或恒流充电法要好，不过它只是对马斯曲线的粗略模拟，还达不到蓄电池高性能快速充电的要求。
2） 二阶段恒流恒压充电法
采用恒流和恒压相结合的充电方法，第一段为恒流充电，充电电流为i1，t1时刻蓄电池端电压达到恒压值u1，此时进入恒压充电阶段。随后充电电流逐渐减小，直到充电结束。两阶段充电过程中，电解液中产生的气泡很少，可以节省电能、降低蓄电池的温升，避免电池极板的损坏。恒压限流充电是一种十分有效的充电方式，如果加上过充判断、浮充控制、温度补偿等，就可以构成一个简单的电池管理系统。
3） 三阶段充电法
在第一阶段以适当的恒定电流进行充电，蓄电池充电到一定容量后，采用恒压充电，充电电流减小，直到充足为止。这样，蓄电池在充电初期不会出现很大的电流，在后期也不会出现过高电压，使蓄电池产生析气。
在两阶段充电完毕，蓄电池容量可达到当时环境条件下的额定容量。但由于蓄电池自放电会损失一部分容量，因而许多充电控制器在电池充满后继续以小电流进行充电，来弥补蓄电池的自放电，这种以小电流充电的方式也称为浮充或涓流充电。这就是在两阶段基础上的第三阶段，但这一阶段的充电电压要比恒压阶段低。
1.2 脉冲式充电法
脉冲式充电是指充电电流以脉冲的形式加在蓄电池两端，在电池充电过程中为其提供一小段间歇时间，使极化现象快速消失的一种充电方法。实现的方法是调节充电电压的开关器件导通角，或者调整充放电脉冲的宽度或充放电周期的大小。脉冲充电方法的理论基础是通过在充电中途短时间的停充电，使参加反应的铅离子来得及通过PbSO4溶解而生成并提高其浓度，又使生成的H+和HSO4—离子及时从电极表面附近移开，减少析气量，提高蓄电池的充电电流接受率。电池内部温度也会得到有效控制，充电副反应也将减少，充电速度就可大大加快，缩短充电时间，充电容量也将提高很多。
1.3 REFLEX充电法
Reflex快速充电法[3]是美国的一项专利技术，实际是对脉冲式充电方法的改进。它是在脉冲式充电法的基础上加入反向放电，大大减弱蓄电池充电的极化现象，提高蓄电池可接受的充电电流。Reflex充电方法主要面对的充电对象是镍镉电池，它解决了电池的记忆效应，能大大缩短蓄电池的充电时间。铅酸蓄电池的充电方法和对充电状态的检测与镍镉电池有很大不同，但它们之间可以相互借鉴，互相参考。
1.4 变电压间歇充电法
变电压间歇充电法通过间歇停充，使蓄电池化学反应产生的氧气被重新化合吸收，减轻蓄电池的内压，使蓄电池可以吸收更多的电量。实验结果验证，这种充电方法能够有效的提高充电的速度和效率，变压充电更符合蓄电池的最佳充电曲线，从工程角度看，恒压控制更容易实现。
1.5 变电流间歇充电法
变电流间歇充电方法是把恒流充电改成限压变电流充电。充电前期，各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流得到绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电，获得过充电量，将电池恢复至完全充电状态。通过间歇停充，可使蓄电池吸收更多的电量。从马斯曲线[4]很容易得出：蓄电池可接受的充电电流随着充电时间的增加而减小。变电流间歇充电方法正是根据这一结论，在充电初期用大电流充电，随着充电的进行不断减小充电电流，并在电流转换阶段停充一段时间，使蓄电池内化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合，使浓差极化和欧姆极化得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮恒流充电能更加顺利地进行。
2 优化的充电方法
蓄电池内部的极化现象在充电末期才会严重比较严重，带来如析气、温升等严重的负面影响，这些因素将折损蓄电池寿命。在正常浮充电压下，浮充电流不应超过0.05C（此时气体复合率为90%），以防止蓄电池过量失水而加剧蓄电池容量不一致。因此，普通的三段式充电方法末期充电电流要求很小，致使充电时间过长，而充电末期采用脉冲充電法可以消除上述负面效应，加快充电速度并能有效延长蓄电池使用寿命。这样探讨一种阶段恒流与脉冲充电相结合的充电方法，充电特性如图1所示。
充电过程分为3个阶段，即涓流-恒流Ⅰ-停充-恒流Ⅱ-停充-正负脉冲充电。其中，涓流充电阶段是为了激活电池，为大电流充电创造条件，避免了在冷态下直接用大电流充电对电池的危害，有效延长电池寿命；中间二段恒流充电在防止过电压的情况下对电池进行快速充电，每阶段之后停充10s，使大电流充电产生的气体复合，从而利于下一阶段充电的进行；正负脉冲阶段是维护电池，克服电池硫化和自放电问题，能显著提高充电速度并延长电池寿命。
3 结论
本文对现有的几种蓄电池充电控制方法进行了分析比较，针对当前充电方法存着的缺点进行改进，探讨了一种优化的多阶段充电方法，可以实现快速充电的控制目标，并在一定程度上可以延长铅酸蓄电池的使用寿命。
参考文献
[1] 洪刚.蓄电池太阳能充电系统研究[D].重庆大学，2008.
[2] 王菊芬，李宣富，杨海平 等. 光伏发电系统中影响蓄电池寿命因素分析[J].蓄电池，2002，（2）：51-54.
[3] 陈维， 沈辉等.太阳能光伏系统中的储能系统研究.蓄电池， 2006， （1）：21-27.
[4] 毕大成，周希德.电动汽车铅酸蓄电池快速充电方法的研究[J].电源技术，2000，24（3）：159-161.
作者简介：周阳、男、1985.11、汉族、山东省滨州市、工程师、新能源发电技术
[关键词]蓄电池 充电方法 充电寿命
中图分类号：TP393.08 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）46-0279-01
引言
由于风力发电和光伏发电系统受自然气候的影响具有较大的随机波动性，因此为满足系统稳定可靠运行要求，提高系统的稳定性，配备一定容量的储能设备成为风光发电系统保障其正常运行的重要途径。蓄电池是一种比较理想的储能装置，近年来已成为电力系统应用最为广泛的储能装置。但是考虑到蓄电池及风光发电系统自身的成本和技术成熟度，目前一般采用铅酸蓄电池储能[1]。由于蓄电池成本在风光发电系统成本中占有较大的比重，因而蓄电池的使用寿命则成为风光发电系统广泛应用的瓶颈。充放电电流大小和对蓄电池的过充电现象是影响蓄电池寿命的两个主要因素[2]。如何高效、快速、无损地对蓄电池进行充电，一直是蓄电池界极其关注的问题，也是蓄电池使用和保养中非常重要的内容。绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。充电装置的性能优劣对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。因此，研究和探讨先进的充电技术及充电装置是蓄电池领域重要的课题，本文对目前常用的充电方法进行分析，探讨了一种优化充电控制方法。
1 目前常用的充电方法
1.1 多阶段充电法
1） 二阶段恒流充电法
采用二段恒流充电，第一段为大电流恒流充电，充电初期蓄电池可接受的充电电流较大，因而先采用大电流恒流充电以使电池获得大部分的电量。随着充电的进行，蓄电池可接受的充电电流不断减小，当蓄电池端电压达到设定值，蓄电池进入小电流恒流充电阶段。二阶段恒流充电法的充电效果比恒压或恒流充电法要好，不过它只是对马斯曲线的粗略模拟，还达不到蓄电池高性能快速充电的要求。
2） 二阶段恒流恒压充电法
采用恒流和恒压相结合的充电方法，第一段为恒流充电，充电电流为i1，t1时刻蓄电池端电压达到恒压值u1，此时进入恒压充电阶段。随后充电电流逐渐减小，直到充电结束。两阶段充电过程中，电解液中产生的气泡很少，可以节省电能、降低蓄电池的温升，避免电池极板的损坏。恒压限流充电是一种十分有效的充电方式，如果加上过充判断、浮充控制、温度补偿等，就可以构成一个简单的电池管理系统。
3） 三阶段充电法
在第一阶段以适当的恒定电流进行充电，蓄电池充电到一定容量后，采用恒压充电，充电电流减小，直到充足为止。这样，蓄电池在充电初期不会出现很大的电流，在后期也不会出现过高电压，使蓄电池产生析气。
在两阶段充电完毕，蓄电池容量可达到当时环境条件下的额定容量。但由于蓄电池自放电会损失一部分容量，因而许多充电控制器在电池充满后继续以小电流进行充电，来弥补蓄电池的自放电，这种以小电流充电的方式也称为浮充或涓流充电。这就是在两阶段基础上的第三阶段，但这一阶段的充电电压要比恒压阶段低。
1.2 脉冲式充电法
脉冲式充电是指充电电流以脉冲的形式加在蓄电池两端，在电池充电过程中为其提供一小段间歇时间，使极化现象快速消失的一种充电方法。实现的方法是调节充电电压的开关器件导通角，或者调整充放电脉冲的宽度或充放电周期的大小。脉冲充电方法的理论基础是通过在充电中途短时间的停充电，使参加反应的铅离子来得及通过PbSO4溶解而生成并提高其浓度，又使生成的H+和HSO4—离子及时从电极表面附近移开，减少析气量，提高蓄电池的充电电流接受率。电池内部温度也会得到有效控制，充电副反应也将减少，充电速度就可大大加快，缩短充电时间，充电容量也将提高很多。
1.3 REFLEX充电法
Reflex快速充电法[3]是美国的一项专利技术，实际是对脉冲式充电方法的改进。它是在脉冲式充电法的基础上加入反向放电，大大减弱蓄电池充电的极化现象，提高蓄电池可接受的充电电流。Reflex充电方法主要面对的充电对象是镍镉电池，它解决了电池的记忆效应，能大大缩短蓄电池的充电时间。铅酸蓄电池的充电方法和对充电状态的检测与镍镉电池有很大不同，但它们之间可以相互借鉴，互相参考。
1.4 变电压间歇充电法
变电压间歇充电法通过间歇停充，使蓄电池化学反应产生的氧气被重新化合吸收，减轻蓄电池的内压，使蓄电池可以吸收更多的电量。实验结果验证，这种充电方法能够有效的提高充电的速度和效率，变压充电更符合蓄电池的最佳充电曲线，从工程角度看，恒压控制更容易实现。
1.5 变电流间歇充电法
变电流间歇充电方法是把恒流充电改成限压变电流充电。充电前期，各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流得到绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电，获得过充电量，将电池恢复至完全充电状态。通过间歇停充，可使蓄电池吸收更多的电量。从马斯曲线[4]很容易得出：蓄电池可接受的充电电流随着充电时间的增加而减小。变电流间歇充电方法正是根据这一结论，在充电初期用大电流充电，随着充电的进行不断减小充电电流，并在电流转换阶段停充一段时间，使蓄电池内化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合，使浓差极化和欧姆极化得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮恒流充电能更加顺利地进行。
2 优化的充电方法
蓄电池内部的极化现象在充电末期才会严重比较严重，带来如析气、温升等严重的负面影响，这些因素将折损蓄电池寿命。在正常浮充电压下，浮充电流不应超过0.05C（此时气体复合率为90%），以防止蓄电池过量失水而加剧蓄电池容量不一致。因此，普通的三段式充电方法末期充电电流要求很小，致使充电时间过长，而充电末期采用脉冲充電法可以消除上述负面效应，加快充电速度并能有效延长蓄电池使用寿命。这样探讨一种阶段恒流与脉冲充电相结合的充电方法，充电特性如图1所示。
充电过程分为3个阶段，即涓流-恒流Ⅰ-停充-恒流Ⅱ-停充-正负脉冲充电。其中，涓流充电阶段是为了激活电池，为大电流充电创造条件，避免了在冷态下直接用大电流充电对电池的危害，有效延长电池寿命；中间二段恒流充电在防止过电压的情况下对电池进行快速充电，每阶段之后停充10s，使大电流充电产生的气体复合，从而利于下一阶段充电的进行；正负脉冲阶段是维护电池，克服电池硫化和自放电问题，能显著提高充电速度并延长电池寿命。
3 结论
本文对现有的几种蓄电池充电控制方法进行了分析比较，针对当前充电方法存着的缺点进行改进，探讨了一种优化的多阶段充电方法，可以实现快速充电的控制目标，并在一定程度上可以延长铅酸蓄电池的使用寿命。
参考文献
[1] 洪刚.蓄电池太阳能充电系统研究[D].重庆大学，2008.
[2] 王菊芬，李宣富，杨海平 等. 光伏发电系统中影响蓄电池寿命因素分析[J].蓄电池，2002，（2）：51-54.
[3] 陈维， 沈辉等.太阳能光伏系统中的储能系统研究.蓄电池， 2006， （1）：21-27.
[4] 毕大成，周希德.电动汽车铅酸蓄电池快速充电方法的研究[J].电源技术，2000，24（3）：159-161.
作者简介：周阳、男、1985.11、汉族、山东省滨州市、工程师、新能源发电技术