铅酸蓄电池充电控制策略

陈亚爱

摘要：铅酸蓄电池以其容量大、寿命长、性价比高、输出电压稳定等优点被广泛应用于各个领域。优良的充电控制策略不仅能缩短充电时间，而且能相对延长蓄电池使用寿命，因此，铅酸蓄电池充电控制策略在其应用过程中占有重要地位，并已取得了长足发展。在现有铅酸蓄电池充电控制策略基础上，对其进行分类和归纳，总结了不同充电控制策略的特点及其应用场合，为铅酸蓄电池充电控制策略研究和工程应用提供参考。

关键词：铅酸蓄电池；充电控制策略；恒压充电；恒流充电；脉冲充电

中图分类号：TM 912     文献标识码：A    文章编号：1002-087 X(2017)04-  

Charging control strategy of lead acid battery

CHEN Ya-ai, QIU Huan, ZHOU Jing-hua, LIU Ming-yuan

(Beijing Frequency Conversion Technology Engineering Research Center, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

Abstract: Lead acid battery is widely used in various fields for its advantages of large capacity, long life, high cost performance and stable output voltage. Excellent charging control strategy can not only shorten the charging time, but also to extend the service life of the battery, therefore, lead-acid battery charging control strategy plays an important role in its application process, and has made considerable development. Based on the existing lead acid battery charging control strategy, the characteristics and application situations of different charging control strategies were summarized, providing reference for the research and engineering application of the lead acid battery charging control strategy.

Key words: lead acid battery; charge control strategy; constant voltage charge; constant current charge; pulse charge

铅酸蓄电池以其性价比高、使用寿命长、输出电压稳定等优点占据着极其重要的市场地位^[1]。随着铅酸蓄电池广泛应用，其充电控制策略不断发展，如图1所示。在不影响铅酸蓄电池使用寿命的前提下，实现铅酸蓄电池高效、快速充电是蓄电池业界多年来期待解决的问题。

1 连续式充电

1.1 恒压式充电

1.1.1传统恒压充电

传统恒压充电控制策略是指通过控制充电器输出恒定的电压对蓄电池进行充电的控制策略，其充电电压和电流曲线如图2所示。由图2可见充电初期电流过大，会使铅酸蓄电池正、负极板上的活性物质大量脱落，影响铅酸蓄电池的循环使用寿命。因此该控制策略只有在蓄电池需要低电压大电流充电时才采用^[2]。

1.1.2恒压限流充电

恒压限流充电是在恒压充电基础上，为解决充电初期电流过大而提出的^[3]，这种改进的恒压充电控制策略能克服恒压充电初期电流过大的缺点，又使控制设备简单的优势得以发挥。

1.2 恒流式充电

1.2.1传统恒流充电

传统恒流充电是通过控制充电器的输出电压实现充电电流恒定，其充电电流电压曲线如图3(a)所示，充电器的输出电压必须持续增加，才能保证充电电流恒定，其电能转化率低。在充电前期，铅酸蓄电池可接受充电电流较大，采用恒流充电可对蓄电池迅速充入较多电量。随着充电的继续，蓄电池可接受电流急剧减小，额外的电流大部分用于电解水并使电池发热，对极板造成损坏，严重影响使用寿命，且整个过程需人员看管。通常只有在对蓄电池初充电或小电流去硫化时才使用恒流充电控制策略。

1.2.2阶段恒流充电

为了解决传统恒流充电对电池寿命影响大、电能转化效率低等问题，文献[4]提出了一种阶段式恒流充电控制策略，其充电电流曲线如图3(b)所示。在充电过程中阶段性降低充电电流，将充电电流分为多段，可缩短充电时间，大幅延长蓄电池的使用寿命（5段恒流充电循环寿命达272次），并能提高电能利用率。理论上，分段越多对蓄电池充电效果越好，但从充电器成本和体积上考虑，5段恒流充电最为适合。实验表明，该充电控制策略不仅使充电时间缩短了20%，而且铅酸蓄电池的循环使用寿命延长了1倍以上，将其应用在电动自行车上效果显著。

1.3 阶段式充电

1.3.1恒流-恒压充电

恒流-恒压两段式充电是结合恒流与恒压充电而提出的充电控制策略，如图4(a)所示。在充电初期采用恒流充电，能克服恒压充电初期电流过大对蓄电池使用寿命造成影响的缺点；充电中后期采用恒压充电，使充电电流更接近马斯曲线，可以克服恒流充电后期电流过大的缺点。

1.3.2恒流-恒压-恒流充电

恒流-恒压-恒流三阶段充电控制策略在充电初期采用恒流充电、中期采用恒压充电、末期采用恒流充电，其充电电流曲线如图4(b)所示。该充电控制策略能避免充电初期电流过大和充电末期电流过小的问题。在充电中期采用恒压充电能够使充电电流更接近马斯曲线，在减少析气的情况下提高充电速度；末期的恒流充电（小电流）可将蓄电池充至满电状态，延长蓄电池的使用寿命。

采用阶段式充电控制策略的充电设备简单，无需复杂的控制器，因此被广泛应用于火车、轮船、汽车、厂矿、光伏储能铅酸蓄电池充电。

2 间歇式充电

2.1 变电流间歇充电

采用恒压、恒流等连续式充电控制策略时，蓄电池端电压达到饱和后，其可接受的充电电流将变小，这时应停充一段时间，使蓄电池两极附近在充电过程中形成的物质充分扩散，提高下一周期的充电效率。

文献[5]提出了一种变电流间歇充电控制策略，其充电曲线如图5(a)所示。在充电初期采用大电流向蓄电池迅速充入大电量；充电中期间歇性减小充电电流，使充电电流在蓄电池可接受范围内，减少析气量的同时充入更多电量；充电后期用0.1 C的小电流对蓄电池进行补足充电。

文献[6]在变电流间歇充电控制策略的应用过程中发现，某些充电阶段蓄电池端电压会很快达到停充电压限值，而有时则充电很长时间端电压都无法达到停充电压限值，所以必须对充电时间进行限幅，确保变电流间歇充电顺利进行。该充电策略适用于电动车、厂矿等领域。

2.2 变电压间歇充电

文献[7]提出了一种以变电流间歇充电为基础的变电压间歇充电控制策略，其充电曲线如图5(b)所示，在恒压充电周期内，充电电流最接近马斯曲线，蓄电池析气量小。就工程角度而言，变电压控制比变电流控制更易实现^[8]。

3 脉冲式充电

3.1 单向脉冲充电

脉冲充电控制策略是采用脉冲形式的电压或电流进行充电，其充电曲线如图6(a)所示。在脉冲间的停充阶段，铅酸蓄电池中的充电产物能充分扩散，使下一阶段充电更加顺利地进行。

文献[9-13]提出了一种慢脉冲快速充电控制策略，将充电过程分为两段，分别采用恒流脉冲和恒压脉冲，其充电电流曲线如图6(b)所示。在每次大电流脉冲后紧跟一个小电流维持脉冲，维持脉冲可在蓄电池内形成一定强度的电场，加速电解液离子扩散，使浓差极化快速减弱或消除。文献[11-13]的研究表明，慢脉冲充电控制策略在快速充电的同时不仅能减少充电时蓄电池的析气量，而且能大幅度提高蓄电池寿命。该充电策略适用于电动汽车、电动叉车的快速充电。

3.2 正负脉冲充电

3.2.1正负脉冲间单次停充

Reflex^TM充电控制策略是一种正负脉冲间单次停充的充电控制策略，即在单向脉冲充电基础上加入短时反向放电脉冲，之后再停充一段时间，然后进入下一周期，其充电电流曲线如图7(a)所示。反向放电脉冲可有效去极化，且可对极板上产生的气体和附着物质进行冲刷，使蓄电池内部物质在停充阶段变得更均衡，提高下一周期的充电效率。文献[14]通过实验对比了两段式、脉冲式以及Reflex^TM三种充电控制策略，实验表明，脉冲充电控制策略具有明显优势。

3.2.2正负脉冲间两次停充

正负脉冲间两次停充是在Reflex^TM充电技术的基础上，正向脉冲充电与反向脉冲放电之间加入停充阶段，其充电电流曲线如图7(b)所示。若在正向脉冲充电后直接反向大电流放电，会使铅酸蓄电池极板弯曲，严重时会导致极板变形甚至脱落，因此在正向脉冲后进入短时停充阶段使充电过程变得更加平滑，避免对极板造成伤害。

4 智能充电

文献[3，15-21]提出了跟踪铅酸蓄电池充电参数并根据参数变化进行有效控制的智能充电控制策略。通过采集蓄电池充电过程中的温度、端电压、充电时间等数据，控制器自动调整充电电流更接近马斯曲线，并减少析气量，提高充电速度。智能充电控制策略能基本实现充电过程无析气，最大限度地保护蓄电池使用寿命。

文献[15-16]介绍了一种通过模糊逻辑在线预测蓄电池荷电状态，并结合电池温度参数共同确定电池可接受电流大小的充电控制策略，但由于充电过程中未加入去极化措施，使充电后期蓄电池可接受充电电流减小，充电效率较低。

文献[21]提到了一种化学过程跟踪充电控制策略，充电器对蓄电池充电过程中的化学状态进行跟踪，实时监测充电状态，并对充电电流进行调整，从而达到最佳充电电流。该控制策略可大量节约电能，蓄电池温度不会升高，对电池寿命影响小，但充电器成本过高，无法推广。

5混合式充电

上述各种单一式充电控制策略已很难满足工程中蓄电池充电需求，为了进一步提高充电速度和延长蓄电池使用寿命，文献[22-27]结合恒流充电、恒压充电、间歇式充电以及脉冲充电等控制策略的优点，提出了几种混合式充电控制策略。

文献[3]、[22]将脉冲充电与变电流间歇充电控制策略相结合，提出了具有正负零脉冲的三阶段恒流快速充电控制策略，其充电电流曲线如图8所示。该充电控制策略能提高充电速度，减少蓄电池析气量，节约电能。文献[3]通过实验证明了该充电控制策略相对于三段恒流充电，具有充电速度快、效率高等优点。

文献[23-24]将恒流充电、变电流间歇充电以及正负脉冲充电控制策略相结合，提出了一种恒流-脉冲-变电流间歇充电混合控制策略，其充电电流曲线如图9所示。文献[23]通过实验验证了该充电控制策略的可行性，文献[24]在文献[23]的基础上采用DSP控制器实现了该充电控制策略。

文献[25]在电压脉冲充电的基础上提出了一种变电压正负脉冲充电控制策略，其充电电压曲线如图10所示，即将充电过程分为三个或更多阶段，分阶段逐步减小脉冲电压宽度。文献[25]以简单电路和普通元器件成功研制出变电压正负脉冲充电器，实验证明该充电控制策略能有效去极化，提高蓄电池可接受充电电流，缩短充电时间，不损害蓄电池寿命。该充电控制策略可应用于牵引、电动汽车铅酸蓄电池充电。

6 结论

铅酸蓄电池有各种充电控制策略，每种充电控制策略都有各自的特点，在应用过程中可根据不同需求选择适合的充电控制策略。目前，铅酸蓄电池充电控制策略发展的总体趋势是高效、快速。在充电速度变得越来越快的同时，充电控制策略也更加复杂，新型充电控制策略都是综合了多种基本控制策略的优点，其控制难度也越来越高，有些控制策略已经无法由单片机来完成，需要功能更强大的DSP来实现。

当前实际应用中，大部分还是采用两段式、三段式充电控制策略，不仅充电速度慢，而且对蓄电池寿命影响大。而充电速度快、对蓄电池寿命影响小的充电控制策略也只是在研究过程中，没有推广和应用，并都是针对小容量蓄电池进行研究的，还没有专门针对大容量蓄电池进行有效的实验。因此，如何将优良的充电控制策略应用于实际工程中，将成为研究的热点。

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