劉旭濤，賴(lài)小龍，衛(wèi) 東，趙 磊，王志文

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江杭州310018)

光伏發(fā)電系統(tǒng)鉛酸蓄電池快速充電研究

劉旭濤，賴(lài)小龍，衛(wèi) 東，趙 磊，王志文

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江杭州310018)

以使用閥控式鉛酸(VRLA)蓄電池的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用馬斯提出的最佳充電曲線(xiàn)，分析鉛酸蓄電池的充電特性，提出了根據(jù)蓄電池阻抗與容抗的變化，預(yù)測(cè)可接受最大充電電流的方法。根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用變電流方式對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行快速充電，優(yōu)化充電控制過(guò)程。通過(guò)對(duì)鉛酸蓄電池的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和誤差分析，表明所提方法具有較高的精度。最后在Matlab中對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真研究表明該方法能夠快速地完成充電和避免過(guò)充，從而延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。

太陽(yáng)能光伏電池；鉛酸蓄電池；快速充電

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為了保證負(fù)載的正常運(yùn)行，需引入儲(chǔ)能裝置進(jìn)行儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)電能。由于閥控式鉛酸(VRLA)蓄電池具有價(jià)格低廉、供電可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中。但是太陽(yáng)能光伏電池的輸出特性受光照和溫度影響較大，發(fā)電時(shí)間受到限制，造成了蓄電池長(zhǎng)期處于欠壓狀態(tài)，影響了蓄電池的使用壽命[1]。因此設(shè)計(jì)合適的充電方法，提高太陽(yáng)能光伏電池對(duì)蓄電池的充電速度是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的研究重點(diǎn)。

近年來(lái)，針對(duì)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的充電控制方法主要還是沿用其它系統(tǒng)的充電方式，如恒壓充電、恒流充電及多階段充電等，因而性能還不夠完善。這主要是因?yàn)樾铍姵卦谄渌麘?yīng)用場(chǎng)合中的重要性(特別是性?xún)r(jià)比)不像獨(dú)立光伏系統(tǒng)中那么大，其循環(huán)使用次數(shù)(充、放電次數(shù))也沒(méi)有在獨(dú)立光伏系統(tǒng)中那么多，并且充電電源來(lái)源于電網(wǎng)，對(duì)蓄電池更為關(guān)心的是充電效率和速度，對(duì)循環(huán)使用壽命的考慮較少[2]。隨著太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注這方面的研究，主要體現(xiàn)在蓄電池容量預(yù)測(cè)和充電控制方面。

在蓄電池容量預(yù)測(cè)方面，提出了基于開(kāi)路電壓和環(huán)境溫度的蓄電池充電狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)蓄電池的荷電狀態(tài)(SOC)，從而有效地保護(hù)蓄電池過(guò)放。文獻(xiàn)[3]提出通過(guò)找到不同放電電流下，蓄電池過(guò)放保護(hù)電壓與容量的關(guān)系，來(lái)設(shè)置過(guò)放保護(hù)電壓。文獻(xiàn)[4]提出采用線(xiàn)性方程來(lái)代替Peukert方程對(duì)蓄電池容量進(jìn)行預(yù)測(cè)，在小電流放電時(shí)得到較Peukert更為準(zhǔn)確結(jié)果，且算法簡(jiǎn)單。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)容量進(jìn)行預(yù)測(cè)，而采用模糊辨識(shí)方法技術(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，具有更高的預(yù)測(cè)精度。

在充電控制方面，文獻(xiàn)[5]提出采用太陽(yáng)能光伏電池電流尋優(yōu)方式進(jìn)行充電，簡(jiǎn)化太陽(yáng)能光伏電池和蓄電池之間的匹配。文獻(xiàn)[6-7]提出采用恒壓方式充電，充電初期充電電流較大，充電末期電流較小，避免充電末期電池內(nèi)阻較大而使蓄電池過(guò)熱，從而延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。還有文獻(xiàn)[8-9]提出由于充電終止電壓和環(huán)境溫度、充電電流以及蓄電池容量的關(guān)系難以用一確切的數(shù)學(xué)模型描述，因此采用模糊邏輯技術(shù)建立模型，其輸入為蓄電池容量和充電電流大小，輸出為充電終止電壓，來(lái)對(duì)充電進(jìn)行控制。

然而，容量預(yù)測(cè)模型只給出了蓄電池容量與過(guò)充、過(guò)放電壓之間的關(guān)系，并沒(méi)有詳細(xì)揭示蓄電池容量與充電電流之間的關(guān)系，而在充電控制方法中由于無(wú)法準(zhǔn)確獲知蓄電池可接受的最大充電電流，對(duì)充電電流的控制更多的是依靠經(jīng)驗(yàn)值，所以并不能實(shí)現(xiàn)最快速地充電，從而降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率。

根據(jù)上述問(wèn)題，本文針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)提出了鉛酸蓄電池快速充電控制方法。首先從蓄電池的充電特性出發(fā)，通過(guò)分析馬斯提出的最佳充電曲線(xiàn)，建立了蓄電池剩余容量與可接受最大充電電流模型；其次，利用模型計(jì)算結(jié)果，結(jié)合光伏電池的輸出特性，采用變電流方式對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行快速充電；最后，通過(guò)Matlab仿真對(duì)本文設(shè)計(jì)的快速充電方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果證明了該方法的有效性。

1 快速充電

1.1 快速充電理論依據(jù)

在對(duì)蓄電池進(jìn)行充電的過(guò)程中，如果充電電流過(guò)大，超出了蓄電池可接受電流能力，則高出的部分并不增加充電率，只會(huì)加速內(nèi)部水分的分解，產(chǎn)生大量氣體；相反，如果充電電流過(guò)小，沒(méi)有達(dá)到蓄電池可接受電流能力，則會(huì)增加充電時(shí)間。為此，美國(guó)科學(xué)家馬斯以蓄電池充電過(guò)程中最低析氣率為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)在充電的不同階段，蓄電池可接受電流能力并不相同，可接受電流能力隨充電時(shí)間的增加，呈指數(shù)衰減，其充電電流曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 蓄電池可接受充電電流能力曲線(xiàn)

對(duì)于任意充電時(shí)刻t，蓄電池可接受的充電電流為：

由于蓄電池剩余容量與蓄電池端電壓有關(guān)，因此式(4)還可表示為：

1.2 衰減率常數(shù)a

圖2 蓄電池等效電路

文獻(xiàn)[10]中提出，蓄電池的充電過(guò)程可以看作RC電路的充電過(guò)程，其時(shí)間常數(shù)表征充電的快慢，相當(dāng)于馬斯曲線(xiàn)中的衰減率常數(shù)，則有

2 快速充電控制

蓄電池可接受電流能力曲線(xiàn)給出了充電電流與充電時(shí)間的關(guān)系，由于太陽(yáng)能光伏電池發(fā)電受到光照和溫度影響，充電時(shí)間并不連續(xù)，因此需對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖兓苑瞎夥姵氐陌l(fā)電特性。在利用太陽(yáng)能光伏電池對(duì)蓄電池充電過(guò)程中，充電電流與時(shí)間可測(cè)，因此充入的容量可知，則由式(1)和式(2)可獲得蓄電池在充電過(guò)程中任意容量下的可接受最大充電電流，如圖3所示。

圖3 容量與充電電流的關(guān)系

本文設(shè)計(jì)的快速充電方法是首先測(cè)得開(kāi)始充電時(shí)蓄電池的端電壓，利用式(4)和式(5)計(jì)算需充入容量，利用式(6)～式(8)計(jì)算衰減率常數(shù)，利用式(3)計(jì)算起始最大可接受充電電流，從而獲得蓄電池在充電過(guò)程中任意容量下最大的充電電流。

太陽(yáng)能光伏電池對(duì)蓄電池充電時(shí)，由于輸出電壓為蓄電池的端電壓，因此太陽(yáng)能光伏電池所能提供的最大充電電流即為最大功率點(diǎn)電流。當(dāng)最大功率點(diǎn)電流低于蓄電池可接受電流時(shí)，需對(duì)太陽(yáng)能光伏電池進(jìn)行最大功率跟蹤，反之，則以蓄電池可接受充電電流進(jìn)行充電。充電過(guò)程中，時(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池端電壓，當(dāng)端電壓發(fā)生變化時(shí)，表明蓄電池容量發(fā)生了變化，此時(shí)應(yīng)重新計(jì)算蓄電池可接受充電電流，及時(shí)調(diào)整太陽(yáng)能光伏電池的輸出電流，這一過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，直至蓄電池充滿(mǎn)為止。蓄電池快速充電控制流程圖如圖4所示。

圖4 蓄電池快速充電控制流程圖

3 結(jié)果

3.1 模型驗(yàn)證與誤差分析

表1 鉛酸蓄電池各參數(shù)值

文中利用20 Ω水泥電阻作為負(fù)載，對(duì)該鉛酸蓄電池在分別放電到端電壓為13、12.5和12 V，再分別對(duì)這三種情況下的鉛酸蓄電池進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)，以0.8mL/min析氣率為標(biāo)準(zhǔn)，記錄了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與鉛酸蓄電池可接受充電電流理論曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 充電電流理論曲線(xiàn)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)比較結(jié)果

針對(duì)三種情況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差計(jì)算與分析，相對(duì)誤差= |理論計(jì)算值-文獻(xiàn)實(shí)測(cè)值|/文獻(xiàn)實(shí)測(cè)值，以充電電流為標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算充電電流誤差，并給出曲線(xiàn)擬合的最大誤差和平均誤差結(jié)果如表2所示。

表2 充電電流誤差分析表

由圖5和表2分析可知，鉛酸蓄電池可接受充電電流理論曲線(xiàn)與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好，平均誤差小于3%，最大誤差小于5%，具有較高的精度。

3.2 仿真結(jié)果分析

在Matlab中對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其中太陽(yáng)能光伏電池標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下參數(shù)如表3所示。

表3 太陽(yáng)能光伏電池參數(shù)

利用太陽(yáng)能光伏電池對(duì)端電壓為13 V的鉛酸蓄電池進(jìn)行充電。設(shè)定太陽(yáng)能光伏電池可輸出的最大電流分別為=2.27 A、=1.5 A和=1 A三種情況，充電過(guò)程如圖6所示。

圖6 不同情況下蓄電池充電電流曲線(xiàn)

分析圖6可知，充電初始階段，如果太陽(yáng)能光伏電池的最大功率點(diǎn)電流低于蓄電池可接受電流時(shí)，光伏系統(tǒng)將工作在最大功率點(diǎn)跟蹤狀態(tài)。此時(shí)，由于充電電流沒(méi)有達(dá)到蓄電池的可接受電流，造成充入的容量減少，需要在后續(xù)的充電過(guò)程中補(bǔ)上，因此形成了新的充電曲線(xiàn)。隨著充電過(guò)程的進(jìn)行，充電電流按照馬斯快速充電曲線(xiàn)的規(guī)律逐漸衰減，最大限度的縮短了充電時(shí)間，避免了蓄電池的過(guò)充，從而延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。

本文選用12 V20 Ah鉛酸蓄電池實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證快速充電模型的準(zhǔn)確性和有效性，表1為該鉛酸蓄電池各參數(shù)值。

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析蓄電池的充電特性，結(jié)合馬斯定律，建立了蓄電池剩余容量與可接受最大充電電流模型。利用模型計(jì)算結(jié)果，結(jié)合太陽(yáng)能光伏電池的輸出特性，采用變電流方式對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行快速充電。與文獻(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的比較和誤差分析結(jié)果表明：(1)利用鉛酸蓄電池的阻抗和容抗計(jì)算獲得的蓄電池剩余容量與可接受最大充電電流模型具有較高的精度，可滿(mǎn)足蓄電池充電的工程應(yīng)用的要求；(2)通過(guò)預(yù)測(cè)任意容量下的蓄電池可接受最大充電電流，采用變電流方式對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行快速充電的方法，能夠描述任意光強(qiáng)和環(huán)溫下的太陽(yáng)能光伏電池充電特性。

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圖5 催化劑在1.0 mol/L KOH-1.0 mol/L CH3OH溶液中的計(jì)時(shí)電流曲線(xiàn)

3 結(jié)論

以導(dǎo)電聚合物聚苯胺修飾的碳納米管為載體制備了甲醇電氧化催化劑。聚苯胺修飾碳載體的采用，使得載體表面Pd納米粒子的負(fù)載更加均勻，分散性能得到改善，對(duì)甲醇氧化反應(yīng)具有較高的催化活性。與 Pd/CNTs催化劑相比，Pd/CNTs-PANI(1∶0.08)催化劑上的氧化電流峰值明顯增大，氧化起始電位負(fù)移，動(dòng)力學(xué)性能得到提高。聚苯胺修飾載體制備的催化劑對(duì)甲醇氧化具有較高的活性和穩(wěn)定性。

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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

A

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

2016-05-10

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展“863”計(jì)劃(2012AA051901)；浙江省自然科學(xué)基金(Y13F030028)

劉旭濤(1992—)，男，浙江省人，本科，主要研究方向?yàn)樾履茉椿旌习l(fā)電。