CN101388560A - 一种蓄电池充电系统 - Google Patents

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唐西胜
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Abstract

一种蓄电池充电系统，包括三相交流电源(10)、AC/DC变换器(20)、超级电容器组(30)、DC/DC双向变换器(40)和蓄电池组(50)。超级电容器组(30)通过直流母线(11)与DC/DC双向变换器(40)连接。DC/DC双向变换器(40)通过蓄电池充电接口(102)与蓄电池组(50)连接。三相交流电源(10)通过电气接口(101)与AC/DC变换器(20)连接。本发明通过控制DC/DC双向变换器(40)，可以实现包括恒流、恒压等在内的常规充电方式，还可以产生幅值、宽度均可调的正负电流脉冲，实现对蓄电池组(50)的脉冲充电；并可由超级电容器组(30)在正脉冲期间提供部分或者全部电能，在负脉冲期间吸收电能，降低了充电电源的供电等级，提高了系统的能量利用效率。

Description

一种蓄电池充电系统
技术领域
本发明涉及一种蓄电池充电系统，尤其是一种能给蓄电池进行快速充电的脉冲充电系统。
背景技术
从1859年，法国人加斯东普兰特发现了铅酸充放电的现象后，铅酸蓄电池一直是电池领域应用最广泛的产品，如汽车、机车、轮船、飞机、后备供电设备上都有铅酸蓄电池，且至今仍占主导地位，具有不可取代的地位。尤其是近年来，处于环境污染和能源安全方面的考虑，电动汽车技术，可再生能源发电技术等得到了迅猛的发展；包括铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、锂离子蓄电池等在内的各种蓄电池作为动力电源或者是后备电源，如何能够进行高效、迅速的充电，成为了蓄电池管理的主要任务之一。
为实现这一目标，充电方法的改进是一项重要的措施。理想的充电方法是在充电时能感应蓄电池接受能力以便提供最大充电电流，从而实现高效、快速地对蓄电池充电。
周期性脉冲电流施加在蓄电池上的充电方式称为脉冲充电。该充电方式包括两种类型，一种是正脉冲充电法，它的周期型脉冲只有正脉冲，一个工作周期包括正向充电脉冲和停充间歇两个阶段；另一种是ReflexTM充电法，它的周期型脉冲有正脉冲和负脉冲，一个工作周期包括正向充电脉冲、反向瞬间放电脉冲，停充间歇三个阶段。这种充电方式不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池充电接受曲线的限制。
相比于其他充电方式如恒流充电、恒压充电等，用脉冲充电给铅酸蓄电池充电还可以改善极板化学成分和特性：采用脉冲充电的铅酸蓄电池，正极板上转化成二氧化铅的效率比采用恒流充电的铅酸蓄电池高。脉冲充电还提高了铅酸蓄电池的正极活性物质和界面的导电性：脉冲充电电流对于活性物质及界面的结构有焊接和去钝化层的作用，有利于形成更紧凑的正极活性物质骨架，对正极活性物质和表面的结构有影响。脉冲充电形成的正极活性物质由于来不及生长从而形成活性物质的颗粒尺寸较小，活性物质之间的连接比较紧凑，使得正极板的孔隙较大，从而有利于循环寿命的延长。脉冲充电还有消除硫酸铅的积累，抑制硫酸浓度分布不均等作用。
目前采用ReflexTM脉冲充电方法的蓄电池充电系统，其负脉冲回馈的电能或采用电阻直接消耗掉，或采用母线大电容进行吸收；前者降低了效率，而且还存在着电阻发热的问题，后者虽然提高了效率，但是使得整个系统的体积增大，而且由于负脉冲的幅值较大，对电网会有一定的冲击。因此，储能器件的选择是一个重要的问题。
超级电容器是近年来出现的一种新型储能器件，目前一般认为超级电容器包括双电层电容器和电化学电容器两大类。其中，双电层电容器采用高比表面积活性炭，并基于碳电极与电解液界面上的电荷分离而产生双电层电容而工作的。电化学电容器采用RuO2等贵金属氧化物作电极，在氧化物电极表面及体相发生氧化还原反应而产生吸附电容，又称为法拉第准电容，根据电极材料的不同可分为金属氧化物和导电性高分子聚合物两类电化学电容器。由于法拉第准电容的产生机理与电池相似，在相同电极面积的情况下，它的电容量是双电层电容的几倍；但双电层电容器瞬间大电流放电的功率特性比法拉第电容器好。
超级电容器具有很好的功率特性。由于充放电过程始终是物理过程，不发生电化学反应和电极结构的变化，因此其循环使用寿命长。此外，超级电容器还具有高低温性能良好、能量判断简单准确、无需维护和环境友好等诸多优点，正日益发展成为一种高效、实用的电能储存器件。
超级电容器组作为储能装置，不仅体积小，而且可以大电流、高效率、快速的吸收负脉冲，成为蓄电池充电系统中回馈电能的合适的储能器件。
中国专利200620025289.3公开了一种新型废旧铅酸蓄电池激活充电器，为了给铅酸蓄电池进行ReflexTM充电，它包含正脉冲供电桥路、负脉冲供电桥路和控制电路桥路。控制电路桥路中包含的脉冲分配器根据蓄电池工况条件调整正负脉冲供电桥路中的正负脉冲的宽度和间歇比值。该专利中正负脉冲及控制信号分别来自不同的桥路，电路结构比较复杂；并且将负脉冲时蓄电池释放的能量直接回馈到电网中，对电网造成谐波污染。
日本专利2002-325368公开了一种风光互补系统蓄电池充电装置，为了给铅酸蓄电池负载充电，该专利提出了利用超级电容器作为储能装置的设计方法。风力发电机与光伏发电通过不可控整流装置给超级电容器组充电，超级电容器组通过DC/DC降压型变换器给铅酸蓄电池充电。该专利中DC/DC降压型变换器是单向的，不能用ReflexTM方法充电。
现有专利涉及到的蓄电池充电系统，或采用恒流充电方式，或采用恒流/恒压充电方式，不仅仅充电时间长，而且效率低下。现有的采用脉冲充电的蓄电池充电系统，或采用单向DC/DC无法实现ReflexTM方法充电，或经由母线大电容回馈给电网；前者降低了效率，后者虽然提高了效率，但是使得整个系统的体积增大，而且能量直接回馈到电网中会对电网造成谐波污染。因此，针对目前可充电蓄电池的常规充电方式耗时较长，快速充电方式会对电网造成污染或效率较低的问题，并鉴于超级电容器的快速储能特点，本专利提出了采用DC/DC双向变换器和超级电容器组，实现蓄电池的ReflexTM充电方式，以提高系统的效率，降低功率等级，并避免对电网的污染。
发明内容
本发明的目的是克服现有蓄电池充电系统充电时间长，效率较低等缺点，充分利用超级电容器组储能的优势，为包括铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、锂离子蓄电池等在内的各种蓄电池提供一种快速、高效的充电系统。该系统中，超级电容器作为储能装置，还可以提供或吸收产生正负脉冲时所需的电能，提高了充电系统的效率。
本发明包括三相交流电源、AC/DC变换器、超级电容器组、DC/DC双向变换器，以及电气接口、直流母线接口、蓄电池充电接口和蓄电池组。超级电容器组通过直流母线与DC/DC双向变换器连接；DC/DC双向变换器通过蓄电池充电接口与蓄电池组连接；三相交流电源通过电气接口与AC/DC变换器连接。
三相交流电源发出的三相交流电通过电气接口后经AC/DC变换器整流降压后输出到直流母线中。通过控制DC/DC双向变换器，可以实现包括恒流、恒压等在内的常规充电方式；还可以产生幅值、宽度均可调的正负电流脉冲，实现对蓄电池组的脉冲充电，当处于正电流脉冲阶段时，超级电容器组可以提供脉冲所需的部分电能，降低了充电电源的供电等级；当处于负电流脉冲阶段时，超级电容器组吸收经DC/DC双向变换器回馈的负脉冲电能以及经AC/DC变换器供给直流母线的电能，提高了系统的能量利用效率。
本发明采用的超级电容器组可以采用双电层电容器，也可以采用电化学电容器。单体超级电容器先串联组成串联支路，再将两个或者两个以上的串联支路并联，组合成超级电容器组，具体的串并联组合方案视系统的实际情况而定。为了提高超级电容器组的容量利用率，并将超级电容器单体电压限定在最高工作电压以下，超级电容器组可以采用串联均压器进行均压处理。
本发明的一种新型蓄电池脉冲充电系统，具有以下优点：
(1)采用超级电容器组作为储能装置，能够充分发挥超级电容器功率密度高、循环寿命长、充放电速度快等优点，超级电容器组通过变换器不仅起到了功率缓冲器的作用，而且还能吸收回馈的电能，具有良好的技术性能。
(2)采用了DC/DC双向变换器，可以实现包括恒流、恒压等在内的常规充电方式，还可以产生幅值、宽度均可调的正负电流脉冲，实现对蓄电池组的ReflexTM方法充电。
(3)当进行恒流充电，恒压充电等常规充电时，超级电容器组能提供部分活全部电能，降低了充电电源的供电等级；当进行脉冲充电，处于正脉冲阶段时，超级电容器组能提供部分活全部电能，处于负脉冲阶段时，超级电容器组则吸收经DC/DC双向变换器回馈到直流母线的电能，提高了系统的能量利用率。
本发明通过控制DC/DC双向变换器，可以方便的实现对铅酸蓄电池实现各种形式的充电，其中包括用ReflexTM方法充电；利用超级电容器功率密度高、循环寿命长等优点，把超级电容器作为储能装置，用于提供或吸收产生正负脉冲时所需的电能，为包括铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、锂离子蓄电池等在内的各种蓄电池提供了一种快速、高效的充电系统。
附图说明
图1是本发明工作原理方框图；
图2是本发明超级电容器组的结构图；
图3是本发明的一种具体实施方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明新型蓄电池充电系统包括三相交流电源10、AC/DC变换器20、超级电容器组30、DC/DC双向变换器40、蓄电池组50，以及电气接口101、直流母线接口104、蓄电池充电接口102。超级电容器组30通过直流母线11与DC/DC双向变换器40连接。DC/DC双向变换器40通过蓄电池充电接口102与蓄电池组50连接。三相交流电源10通过电气接口101与AC/DC变换器20连接。
三相交流电源10发出的三相交流电通过电气接口101后经AC/DC变换器20整流降压后输出到直流母线11中。通过控制DC/DC双向变换器40，可以实现包括恒流、恒压等在内的常规充电方式，还可以产生幅值、宽度均可调的正负电流脉冲，实现对蓄电池组的脉冲充电。
在进行脉冲充电时，当处于正电流脉冲阶段时，超级电容器组30可以提供脉冲所需的部分电能，降低了充电电源的供电等级；当处于负电流脉冲阶段时，超级电容器组吸收经DC/DC双向变换器回馈的负脉冲电能以及经AC/DC变换器供给直流母线的电能，提高了系统的能量利用效率。
如图2所示，超级电容器组30可以采用双电层电容器，也可以采用电化学电容器。单体超级电容器先串联组成串联支路，再将两个或者两个以上的串联支路并联，组合成超级电容器组30，具体的串并联组合方案视系统的实际情况而定。为了提高超级电容器组30的容量利用率，并将超级电容器单体电压限定在最高工作电压以下，超级电容器组30可以采用串联均压器进行均压处理。
如图3所示为本发明的一种具体实施方式。
DC/DC双向变换器40由可控功率开关管401和402、DC/DC双向变换器电感403、DC/DC双向变换器输出滤波电容404和DC/DC双向变换器输入端103组成。可控功率开关管401的401a端与DC/DC双向变换器电感403的403a端连接，可控功率开关管401的401b端与DC/DC双向变换器输出滤波电容404的负极404b端口连接，并与DC/DC双向变换器输入端103的负端103b连接。可控功率开关管402的402a端与DC/DC双向变换器输入端103的正端103a连接，可控功率开关管402的402b端与DC/DC双向变换器电感403的403a端连接。DC/DC双向变换器电感403的403b端与蓄电池充电接口102的正端102a连接。DC/DC双向变换器输出滤波电容404与蓄电池充电接口102并联。
DC/DC双向变换器输入端103经过直流母线11与直流母线接口104及超级电容器组30相连。
三相交流电源10发出的三相交流电通过电气接口101后经AC/DC变换器20整流降压后输出到直流母线11中。当处于正电流脉冲阶段时，DC/DC双向变换器40工作在BUCK方式，电流由DC/DC双向变换器电感403的403a端流向403b端，此时超级电容器组30可以提供脉冲所需的部分电能；当处于负电流脉冲阶段时，DC/DC双向变换器40工作在BOOST方式，电流由DC/DC双向变换器电感403的403b端流向403a端，此时超级电容器组30吸收负脉冲回馈的电能以及经AC/DC变换器20供给直流母线11的电能。

Claims (4)

1、一种蓄电池充电系统，其特征在于：包括三相交流电源(10)、AC/DC变换器(20)、超级电容器组(30)、DC/DC双向变换器(40)，以及电气接口(101)、直流母线接口(104)、蓄电池充电接口(102)和蓄电池组(50)；超级电容器组(30)通过直流母线(11)与DC/DC双向变换器(40)连接；DC/DC双向变换器(40)通过蓄电池充电接口(102)与蓄电池组(50)连接；三相交流电源(10)通过电气接口(101)与AC/DC变换器(20)连接。
2、根据权利要求1所述的蓄电池充电系统，其特征在于：控制DC/DC双向变换器(40)，可以实现包括恒流、恒压在内的常规充电方式，还可以产生幅值、宽度均可调的正负电流脉冲，给蓄电池组(50)进行脉冲充电；在脉冲充电期间，超级电容器组(30)在正脉冲期间提供部分或者全部电能，在负脉冲期间吸收电能。
3、根据权利要求1所述的蓄电池充电系统，其特征在于：超级电容器组(30)采用双电层电容器或者电化学电容器。
4、根据权利要求1所述的三相交流电源，其特征在于：三相交流电源(10)为市电或者油机或者风力发电机。
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