孫，王春芳（青島大學自動化工程學院，山東 青島 266071）

一種饋能式正負脈沖快速充電方法

摘要：為了對鉛酸蓄電池進行快速充電并延長其使用壽命，本文提出了一種具有饋能作用的正負脈沖快速充電法。該方法采用雙向升降壓斬波電路作為基本充放電電路，正脈沖期間為鉛酸蓄電池恒壓充電，負脈沖期間鉛酸蓄電池放電并饋能至電解電容，該電路在整個充放電過程中均實現(xiàn)了零電壓開通軟開關控制，大大降低了開關損耗。與傳統(tǒng)的正負脈沖充電法相比，該方法是將鉛酸蓄電池對電阻放電產(chǎn)生的負放電脈沖改為對前級電解電容充電饋能，并在充電時重新使用，有效地解決了放電能量浪費的問題，并且具有一定的修復效果。實驗驗證了該充電方法的實用性和可行性。

關鍵詞：饋能；正負脈沖充電；軟開關；鉛酸蓄電池；快速充電；雙向升降壓斬波電路

0　引言

目前鉛酸蓄電池的充電方法既包含控制簡單的恒壓、恒流充電法，也包含了變電壓間歇、變電流間歇等混合型充電方法[1-3]。本文提出了一種基于恒壓充電法的具有饋能作用的正負脈沖式快速充電法。與傳統(tǒng)正負脈沖充電法相比，所述方法做了如下改進：1) 將鉛酸蓄電池對電阻放電產(chǎn)生的負放電脈沖改為對前級電解電容充電饋能，當正脈沖充電時，電容中儲存的電能再傳輸給鉛酸蓄電池，所以這種充電方法具有節(jié)能作用；2) 由于用饋能電容取代了放電電阻，充電過程中可以根據(jù)需要改變負脈沖的放電幅值，減小了充電后期大放電電流對蓄電池的沖擊；3) 將傳統(tǒng)的大脈沖拆分為多個小的脈沖，由于正負脈沖的交替頻率高于傳統(tǒng)正負脈沖的交替頻率，提高了蓄電池的充電接受能力，在整個充電過程中還會對鉛酸蓄電池進行一定的修復，屬于修復型快速充電法。本文對該充電法進行了研究，驗證了所給方法的可行性和實用性。

1　饋能式正負脈沖快速充電方法

傳統(tǒng)正負脈沖充電法的工作過程是施加正脈沖時給鉛酸蓄電池充電，蓄電池對電阻放電時形成負脈沖，且正脈沖持續(xù)時間遠遠大于負脈沖時間，否則將會導致蓄電池電量不斷下降。與其他充電方法不同的是，這種充電方法在充電過程中，會有一段時間讓蓄電池進行放電。從表面上看這樣會減緩充電速度，其實不然。根據(jù)馬斯第三定律，鉛酸蓄電池在充電過程中適當放電，可以有效提高其充電接受能力。

然而，傳統(tǒng)的正負脈沖充電法在負脈沖放電過程中，蓄電池對外放電電能以電阻發(fā)熱的形式被消耗掉，導致能源浪費?；谶@種情況，本文提出了一種具有饋能作用的正負脈沖充電法，如圖 1 所示。T1 時段通過電感 L 的電流為正大于負的多個三角波電流，其等效充電電流為具有一定幅值的正向充電電流，開關電源通過充電電路對鉛酸蓄電池進行恒壓充電，等效為正脈沖，能量正向流動；T2時段，通過電感 L 的電流為負大于正的多個三角波電流，其等效放電電流為具有一定幅值的負的放電電流，鉛酸蓄電池進行放電饋能，等效為負脈沖，能量反向流動。隨著時間的增加，充電電壓與蓄電池之間的壓差不斷減小，等效充電電流呈指數(shù)規(guī)律下降，與馬斯曲線相符合。圖 1 中僅為幾個周期的正負脈沖，無法看出其等效電流的變化規(guī)律。虛線表示的等效電流為鉛酸蓄電池流過的電流。由于 t1和 t2時段可以通過單片機控制電路進行調(diào)整，通過設置合適的脈沖寬度來改變正負脈沖的交替頻率，從而提高了鉛酸蓄電池的充電接受能力，適當去除硫化[4]。

圖1　電感 L 電流波形

2　雙向 buck-boost 電路

為了實現(xiàn)所提出的充電方法，采用雙向 buckboost 電路作為主電路，如圖 2 所示，其工作波形如圖 3 所示。該電路是由 buck 電路與 boost 電路組合而成，正脈沖期間可以視為 buck 電路斷續(xù)工作模式給鉛酸蓄電池充電，疊加的 boost 電路用于實現(xiàn)軟開關；負脈沖期間可以視為 boost 電路斷續(xù)工作模式使鉛酸蓄電池放電饋能，疊加的 buck 電路用于實現(xiàn)軟開關。 Buck 充電電路由開關管 V1、電感 L、電解電容 C1、C2 和二極管 D2 組成，工作過程為：開關管 V1 導通、V2 關斷時，開關電源和電容 C1 通過電感 L 給蓄電池恒壓充電；開關管 V1斷開后，電感 L 通過二極管 D2 進行續(xù)流，電感電流逐漸減小為 0。在二極管 D2 導通時，開通開關管 V2 即可實現(xiàn) boost 電路零電壓開通軟開關技術(shù)（對應于圖 3 中 t0～t1階段，t0代表開關管 V1 關斷時，t1代表電感電流降為 0 時），此時由電容 C2對鉛酸蓄電池進行恒壓充電。Boost 放電電路由開關管 V2、電感 L、電解電容 C1、C2 和二極管 D1組成，工作過程為：開關管 V2 導通、V1 關斷時，蓄電池對電感 L 儲能；開關管 V2 關斷后，蓄電池、電容 C2 及電感 L 通過二極管 D1 向電容 C1 進行饋能，電感電流逐漸減小為 0。在二極管 D1 導通時，開通開關管 V1 即可實現(xiàn) buck 電路零電壓開通軟開關技術(shù)（對應于圖 3 中 t2～t3階段，t2代表開關管 V2 關斷時，t3代表電感電流降為 0 時）。其中，t0～t4為一個完整的開關周期，饋能電容 C1為開關電源輸出濾波電容，電容 C2 為雙向 buckboost 電路的輸出濾波電容。

圖2　雙向 buck-boost 電路

圖3　雙向 buck-boost 電路工作波形

雙向 buck-boost 電路能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動，利用續(xù)流二極管實現(xiàn)零電壓導通軟開關技術(shù)，大大減少了開通損耗，并在鉛酸蓄電池放電過程中將釋放的能量儲存于電容 C1 中，在正脈沖到來時，釋放給鉛酸蓄電池。這種電路結(jié)構(gòu)簡單，采用的器件較少，控制上僅需對兩個 IGBT 進行操作，系統(tǒng)體積小，成本低，易于實現(xiàn)。

根據(jù)電感 L 值的大小不同，電路存在三種運行方式：單向 buck 工作狀態(tài)、單向 boost 工作狀態(tài)和雙向 buck-boost 工作狀態(tài)。當電感值取得較大時，會使電路處于前兩種工作狀態(tài)，并不能滿足零電壓導通軟開關技術(shù)的要求。因此，需要對電感 L 的值進行計算，從而保證電路可以實現(xiàn)零電壓導通軟開關技術(shù)，計算公式[5]如下：

式中，US為開關電源的輸出電壓，UC2為雙向buck-boost 電路的輸出電壓，iL為電感 L 的平均電流，fS為開關管 V1 和 V2 的開關頻率。

在 buck 或者 boost 電路中，電感電流的紋波小于等于電感電流平均值的 2 倍，而在雙向 buckboost 電路中則高于電感電流的 2 倍，可以由此推導出該公式，即將該電路視為 buck 電路和 boost 電路電感電流均為斷續(xù)的狀態(tài)。

正脈沖階段開關管 V1 的占空比決定鉛酸蓄電池的充電電壓，根據(jù) buck 電路輸出電壓的計算公式即可選擇最佳的充電電壓；負脈沖階段開關管V2 的占空比決定鉛酸蓄電池的放電電流大小。同時為了保證零電壓軟開關控制的實現(xiàn)及防止電路發(fā)生直通，兩開關管的驅(qū)動波形之間需要帶有一定的死區(qū)時間。根據(jù) buck 電路與 boost 電路電感電流斜率之間的關系可知，當一個開關管的占空比給出后，另一個開關管的占空比即可得出。所以，在控制方法上，開關管 V1、V2 的驅(qū)動信號必然是一對互補的帶有一定死區(qū)時間的 PWV 波。

3　仿真和實驗驗證

圖4　正脈沖期間鉛酸蓄電池充電電流

為了對該充電方法進行仿真和實驗驗證，對應圖 2 中開關電源 US為 64 V，采用 3 只 12 V/10 Ah鉛酸蓄電池串聯(lián)，開關管 V1 和 V2 的驅(qū)動波形采用單片機半橋 PWM 模式輸出，正負脈沖的寬度通過單片機的定時功能設置，并在負脈沖階段利用單片機輸出 PWM 封鎖信號將開關電源斷開。

圖4 和圖 5 為鉛酸蓄電池充電和放電時電流的MATLAB 仿真波形，從圖中可以看出在正脈沖期間鉛酸蓄電池處于充電狀態(tài)，負脈沖期間鉛酸蓄電池處于放電狀態(tài)。

圖6 為正脈沖階段電感電流與開關管 V1 的驅(qū)動電壓波形，為使開關管完全導通，設計的驅(qū)動電壓為 15 V，開關管的開關頻率為 20 kHz。從圖中可以看出，開關管處于零電壓導通狀態(tài)且電感電流有正有負，即電路工作于雙向 buck-boost 狀態(tài)，與圖 3 相符。

圖5　負脈沖期間鉛酸蓄電池放電電流

圖6　電感電流與驅(qū)動波形

圖7 為整個充電過程的電感 L 電流波形，T1階段為正脈沖充電，T2 階段為負脈沖放電，與圖 1相符。

從實驗波形中我們可以發(fā)現(xiàn)：雙向 buck-boost電路可以很好地適用于饋能式正負脈沖充電法并實現(xiàn)軟開關技術(shù)。

圖7　電感 L 電流波形

4　結(jié)束語

本文介紹了一種新型充電方法，不僅可以大大提高鉛酸蓄電池的充電速度，而且利用負脈沖放電饋能有效地消除了充電過程中存在的極化問題，并且延長了鉛酸蓄電池的使用壽命。若將本文提出方法中的前級開關電源的輸出直流電壓 US由 64 V 改為 300～500 V，則可對電動汽車用電池組進行快速充電。

參考文獻：

[1]賈英江, 王維斌. 鉛酸蓄電池充電方法初探[J].電源技術(shù), 2001, 25(1): 27–28.

[2]廖金華, 李建黎. 鉛酸蓄電池充電技術(shù)綜述[J].蓄電池, 2010, 47(3): 4–8.

[3]李俄收, 王遠, 吳文民. 鉛酸蓄電池充電技術(shù)的研究[J]. 蓄電池, 2011, (6): 253–258.

[5]朱世盤. 饋能式鉛酸蓄電池快速充電機的研究[D]. 青島大學, 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

中圖分類號：TM 912.1

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0847(2015)05-233-04

收稿日期：2015–03–19

*通訊聯(lián)系人