CN103560281A - 一种太阳能铅酸蓄电池快速充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能铅酸蓄电池快速充电方法，通过建立铅酸蓄电池内部状态变量的经验公式，获得铅酸蓄电池最大可接受充电电流曲线的模型公式，根据该曲线获得最大可接受充电电流I_b，计算获得太阳能光伏电池最大功率点工作电流I_m，将I_b与I_m进行比较：当I_m＞I_b时，以最大可接受充电电流I_b完成充电过程；当I_m＜I_b时，对光伏系统进行最大功率点跟踪，以最大功率点工作电流I_m完成充电过程。采用本发明的太阳能铅酸蓄电池充电方法，可以有效的延长铅酸蓄电池使用寿命，实现铅酸蓄电池的高效、快速和安全充电。

Description

一种太阳能铅酸蓄电池快速充电方法

技术领域：

本发明涉及一种应用于太阳能光伏系统的铅酸蓄电池快速充电方法，适用于蓄电池的充放电和光伏发电等领域。

背景技术：

目前光伏系统中，铅酸蓄电池充电方法主要沿用其他系统的充电方法，如恒流充电、恒压充电以及三段式充电等，因而性能还不够完善。这主要是因为蓄电池在其他应用场合中的重要性不像独立光伏系统中那么大，其循环使用次数也没有在独立光伏系统中那么多，并且充电电源来源于电网，对蓄电池更为关心的是充电效率和速度，对循环使用寿命的考虑较少。

现有技术虽然能很好的实现铅酸蓄电池的快速充电，但还存在以下问题：铅酸蓄电池的使用寿命取决于蓄电池采取的充电技术，由于获得铅酸蓄电池最大可接受充电电流曲线的方法有待进一步完善，所以当前的快速充电技术很难使蓄电池按其本身的最大可接受充电电流曲线进行充电，导致析气率多，温升大，对电池损耗严重。尤其是在能量供应不稳定的光伏系统中，蓄电池更多的循环使用次数对充电技术提出了更高的要求。

“电池最佳充电曲线搜寻设备及方法”(参见中国发明专利CN1268029C)，介绍了一种通过蚁群算法来获得蓄电池的最佳充电曲线，这种方法需要初始充电曲线，且初始充电曲线是随机产生的。

发明内容：

针对上述问题，本发明目的是：无需初始充电曲线，通过实验的方法获得铅酸蓄电池最大可接受充电电流曲线的模型公式，由公式直接得到铅酸蓄电池充电曲线，并将该充电曲线应用于光伏系统中，保证铅酸蓄电池快速充电过程中的低析气率，延长铅酸蓄电池循环使用寿命，实现光伏系统对铅酸蓄电池的高效、快速、安全充电。为了实现本发明之目的，拟采用以下技术方案：

一种太阳能铅酸蓄电池快速充电方法，铅酸蓄电池根据充电过程中的最低析气率存在一条最大可接受充电电流曲线，所述的最大可接受充电电流曲线的模型为根据铅酸蓄电池内部状态变量的经验公式获得，根据所述的最大可接受充电电流曲线模型设计应用于太阳能光伏系统的快速充电方法，其特征在于：所述的太阳能铅酸蓄电池快速充电方法包括以下步骤：

步骤一：通过铅酸蓄电池的充放电实验，得到蓄电池内部变量Q_r、R_m、C_m和蓄电池端电压U_b的经验公式：

Q_r＝f(U_b)         (1)

R_m＝f(U_b，Q_r)     (2)

C_m＝f(U_b，Q_r)     (3)

公式(1)-(3)中，Q_r为铅酸蓄电池剩余容量，R_m极化电阻，C_m双层电容；

步骤二：根据步骤一获得的剩余容量Q_r，极化电阻R_m和双层电容C_m的经验公式，并结合铅酸蓄电池内部欧姆电阻R_o得到最大可接受充电电流曲线的衰减率a和起始最大可接受充电电流I_s的经验公式：

a＝f(R_o，R_m，C_m，U_b)      (4)

I_s＝f(R_o，R_m，C_m，U_b)     (5)

铅酸蓄电池最大可接受的充电电流曲线模型公式为：

I＝I_se^-at                  (6)

公式(6)中，I为t时刻铅酸蓄电池最大可接受充电电流；

通过衰减率a和起始最大可接受充电电流I_s的经验公式，获得铅酸蓄电池最大可接受充电电流曲线模型公式；

步骤三：根据获得的铅酸蓄电池最大可接受充电电流曲线模型公式，得到任意时刻铅酸蓄电池的最大可接受充电电流I_b＝I(t)，计算获得太阳能光伏电池最大功率点工作电流I_m，将I_b与I_m进行比较：当I_m＞I_b时，为保证蓄电池充电安全，以最大可接受充电电流I_b完成充电过程；当I_m＜I_b时，对光伏系统进行最大功率点跟踪，以光伏系统所能提供的最大能量，即最大功率点工作电流I_m完成充电过程。

本发明的特点：通过建立铅酸蓄电池内部状态变量的经验公式，依据内部状态变量对蓄电池充电的影响关系，获得铅酸蓄电池最大可接受充电电流曲线，光伏系统中以该曲线为依据，使铅酸蓄电池的充电电流始终不大于最大可接受充电电流，保证铅酸蓄电池快速充电过程中的低析气率，延长铅酸蓄电池循环使用寿命。

附图说明：

图1为铅酸蓄电池的最大可接受充电电流曲线。

图2为铅酸蓄电池等效电路模型。

图3为充电控制流程图。

具体实施方式：

下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述。

铅酸蓄电池根据充电过程的最低析气率，存在一条最大可接受充电电流曲线，该曲线受到蓄电池内部状态变量的影响，本发明建立铅酸蓄电池内部状态变量的经验公式，获得铅酸蓄电池最大可接受充电电流曲线的模型公式，光伏系统中以该曲线为依据设计相应快速充电方法，具体步骤如下：

如图1所示，铅酸蓄电池的最大可接受充电电流，会随着充电时间的增加而呈现指数衰减的趋势，即对于任意充电时刻t，铅酸蓄电池最大可接受的充电电流为：

I＝I_se^-at      (1)

公式(1)中，I为t时刻铅酸蓄电池最大可接受充电电流(A)，I_s为t＝0时起始最大可接受充电电流(A)，a为衰减率；

在t时刻，铅酸蓄电池已充入容量Q_c(A.h)可用积分表示为：

$Q_c={\∫}_0^t{\mathrm{Id}}_t={\∫}_0^t{I}_s{e}^{-\mathrm{at}}{d}_t=\frac{I_s}{a}(1-e^{-\mathrm{at}})---\left(2\right)$

当t→∞时铅酸蓄电池充入的容量Q_csum(A.h)为：

$Q_{\mathrm{csum}}=\frac{I_s}{a}=Q_{\mathrm{sum}}-Q_r---\left(3\right)$

公式(3)中，Q_sum为蓄电池的额定容量(A.h)，Q_r为蓄电池的剩余容量(A.h)；

铅酸蓄电池最大可接受充电充电曲线受先前放电量和放电率影响，放电历史的不同最终引起铅酸蓄电池阻抗的变化，由此对铅酸蓄电池等效电路模型进行分析如图2所示，可知充电过程本质是对RC电路进行充电，其时间常数表征充电的快慢，相当于马斯曲线中的衰减率a，由铅酸蓄电池等效电路模型可得：

$U_{\mathrm{ch}\arg e}=E+(C_m\frac{{\mathrm{dU}}_c}{\mathrm{dt}}+\frac{U_c}{R_m})R_o+U_c---\left(4\right)$

公式(4)中，R_o为欧姆电阻(Ω)，R_m为极化电阻(Ω)，C_m为双层电容(F)，E为理想电动势(V)，U_c为C_m两端电压(V)，U_charge为充电电压(V)；

对公式(4)进行微分方程求解可得：

$U_c\left(t\right)=\mathrm{nexp}(-\frac{R_o+R_m}{R_o{R}_m{C}_m}t)+U_{\mathrm{ch}\arg e}-E---\left(5\right)$

公式(5)中，n是一个与初始状态有关的量；

则可得衰减率a为：

$a=\frac{R_o+R_m}{R_o{R}_m{C}_m}---\left(6\right)$

整理公式(1)，公式(3)和公式(6)可得最大可接受充电电流I为：

$I=(Q_{\mathrm{sum}}-Q_r)\frac{R_o+R_m}{R_o{R}_m{C}_m}{e}^{-\frac{R_o+R_m}{R_o{R}_m{C}_m}t}---\left(7\right)$

通过对铅酸蓄电池内部容量及端电压变化的描述，对电池进行持续不断的监测，最后能做到给出任意时刻就能获知其内部剩余容量，极化电阻，双层电容的经验公式。下面介绍一种具体的方法获知内部状态变量的经验公式。

采用安时积分法对铅酸蓄电池的剩余容量进行测量，通过检测铅酸蓄电池充入或放出的电量，利用积分的方法对其进行叠加，从而计算出铅酸蓄电池内部容量的变化。安时积分法通过对电池进行持续不断的监测，最后能做到给出任意时刻就能获知其内部剩余容量Q_r的大小：

Q_r＝Q_sumexp[(U_b-U_f)/r₀]      (8)

公式(8)中，r₀为经验常数，由安时积分法的相关数据获得，U_b为铅酸蓄电池当前端电压(V)，U_f为充满电状态下的端电压(V)；

采用交流阻抗谱法获取铅酸蓄电池的相应阻抗，通过给铅酸蓄电池输入端输入一个振幅足够小、频率为ω的扰动正弦波电压(电流)信号，就可以在铅酸蓄电池输出端输出一个同样角频率为ω的电流(电压)信号，由于响应和激励都是事先获知的，就能求得铅酸蓄电池在这一频率下的阻抗值，在设定范围内通过改变扰动信号的频率，可得到铅酸蓄电池一系列的阻抗值，即阻抗关于频率变化的谱图，通过阻抗谱图的分析计算，得出相应蓄电池的极化电阻R_m和双层电容C_m的经验公式：

$R_m=r_1+r_2\left(\frac{Q_r}{Q_{\mathrm{sum}}}\right)+{(r_3-\frac{r_4{Q}_r}{Q_{\mathrm{sum}}})}^{-1}---\left(9\right)$

$C_m=\frac{Q_{\mathrm{sum}}-Q_r}{U_f-U_b}---\left(10\right)$

公式(9)中，r₁、r₂、r₃、r₄是经验常数，由获得的阻抗谱图相关数据分析获得；

铅酸蓄电池充电特性受温度影响较大，特别是端电压和容量，为了能够描述任意温度下的蓄电池特性，需要引入温度补偿，通过对端电压和容量的调整，将影响降至最低，端电压和容量调整值计算公式：

U_T＝U_T0+k₁×(T₀-T)      (11)

$Q_T=\frac{Q_{T0}}{1+k_2(T_0-T)}---\left(12\right)$

公式(11)与公式(12)中，k₁，k₂为温度补偿系数，T为铅酸蓄电池当前温度，T₀为基准温度，通常是20℃或者25℃，U_T0和Q_T0为基准温度下端电压与容量，U_T和Q_T为当前温度下端电压与容量；

对于铅酸蓄电池来说，欧姆电阻R_o为定值，结合相关实验获得的数据，整理公式(8)-(10)并引入温度补偿公式(11)和公式(12)，结合公式(7)可以得到铅酸蓄电池最大可接受充电电流I的经验公式，即铅铅酸蓄电池最大可接受充电电流曲线的模型公式；

如图3所示，根据铅酸蓄电池最大可接受充电电流曲线的模型公式，得到任意时刻铅酸蓄电池的最大可接受充电电流I_b＝I(t)，计算获得太阳能光伏电池最大功率点工作电流I_m，将I_b与I_m进行比较：当I_m＞I_b时，为保证蓄电池充电安全，以最大可接受充电电流I_b完成充电过程；当I_m＜I_b时，对光伏系统进行最大功率点跟踪，以光伏系统所能提供的最大能量，即最大功率点工作电流I_m完成充电过程。

Claims (1)

1.一种太阳能铅酸蓄电池快速充电方法，铅酸蓄电池根据充电过程中的最低析气率存在一条最大可接受充电电流曲线，所述的最大可接受充电电流曲线的模型为根据铅酸蓄电池内部状态变量的经验公式获得，根据所述的最大可接受充电电流曲线模型设计应用于太阳能光伏系统的快速充电方法，其特征在于：所述的太阳能铅酸蓄电池快速充电方法包括以下步骤：

步骤一：通过铅酸蓄电池的充放电实验，得到蓄电池内部变量Q_r、R_m、C_m和蓄电池端电压U_b的经验公式：

Q_r＝f(U_b)

R_m＝f(U_b，Q_r)

C_m＝f(U_b，Q_r)

式中，Q_r为铅酸蓄电池剩余容量，R_m极化电阻，C_m双层电容；

步骤二：根据步骤一获得的剩余容量Q_r，极化电阻R_m和双层电容C_m的经验公式，并结合铅酸蓄电池内部欧姆电阻R_o得到最大可接受充电电流曲线的衰减率a和起始最大可接受充电电流I_s的经验公式：

a＝f(R_o，R_m，C_m，U_b)

I_s＝f(R_o，R_m，C_m，U_b)

铅酸蓄电池最大可接受的充电电流曲线模型公式为：

I＝I_se^-at

式中，I为t时刻铅酸蓄电池最大可接受充电电流；

通过衰减率a和起始最大可接受充电电流I_s的经验公式，获得铅酸蓄电池最大可接受充电电流曲线模型公式；

步骤三：根据获得的铅酸蓄电池最大可接受充电电流曲线模型公式，得到任意时刻铅酸蓄电池的最大可接受充电电流I_b＝I(t)，计算获得太阳能光伏电池最大功率点工作电流I_m，将I_b与I_m进行比较：当I_m＞I_b时，以最大可接受充电电流I_b完成充电过程；当I_m＜I_b时，以光伏系统所能提供的最大能量，即最大功率点工作电流I_m完成充电过程。

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