简要介绍蓄电池充电方式与充电整流器

蓄电池是一种将电能变换为化学能再将化学能变换为电能的直流电源,也是一种可以再充电和反复使用的电池。特别是在UPS中,蓄电池是其重要的组成部分,没有蓄电池也就失去了UPS存在的意义。在电力电子系统中,蓄电池有着广泛地应用,本文以阀控式铅酸蓄电池为重点,介绍蓄电池充电和充电用整流器。

1蓄电池的类型

目前,应用较多的蓄电池主要有三大类:阀控式铅酸蓄电池、镉镍蓄电池和防酸隔爆蓄电池。

2蓄电池的充电方式"

(1)蓄电池的充电性质

在每类蓄电池中,充电可分为三类(在下面的说明中,凡是提及蓄电池电压均以单体电压为2V的阀控式铅酸蓄电池为例):

①浮充电

浮充电是指蓄电池在为负载提供电能的同时,进行补充充电。要求浮充电压有较高的稳定度,在单体电压为2V时,每格蓄电池的浮充电压应按电池生产厂商所在国的标准选择:

——在我国标准《YD/T799—2002通信用阀控式密封铅酸蓄电池》中规定,浮充电压为2.20～2.27V(TA=25℃);

——在我国标准《YD/T1360—2005通信用阀控式密封胶体蓄电池》中规定,浮充电压为2.23～2.27V(TA=25℃);

——国外厂商对阀控式密封铅酸蓄电池浮充电压的规定:

日本松下:2.25～2.30V;

美国圣帝:2.23～2.27V;

美国GNB:2.25V;

德国哈根:2.27±0.02V;

英国来根:2.27V。

浮充电压的选择不能过高,也不能过低。浮充电压过高,电池容易出现热失控、失水、均匀性变差等现象;浮充电压过低,会造成电池充电时间加长、充电不足、加剧极板硫酸盐化等不良后果。

②均衡充电

对于浮充电的蓄电池来说,每隔2～3个月要对蓄电池进行一次均衡充电。均衡充电时,必须保持电压恒定充电,充电电压上升到2.26～2.40V,保持几个小时,并随时搅拌电解液;

③补充电

对于某些蓄电池(例如蓄电池机车用蓄电池)来说,在运行一段时间以后,需要对蓄电池补充电能。此时,如果按规定的浮充电压进行充电,则需要很长的充电时间。为了缩短充电时间,在短时间内以略高于规定的浮充电压进行快速充电,然后再恢复到规定的浮充电压进行正常充电。

(2)蓄电池充电用整流器的充电方式

蓄电池充电用整流器的充电方式有稳流、稳压等多种方式,普遍采用的是稳流/稳压充电方式和充放电/快速充电方式。

①稳流/稳压充电方式

这是一种最常用的蓄电池充电方式。一般是先按稳流充电方式进行充电,当蓄电池产生气体时,再转入稳压充电方式。稳流/稳压充电方式对充电电源的要求是:

——在蓄电池放电完成后,能将电源电压调节到浮充电压和均衡充电电压;

——输出电压-电流特性应具有下垂特性,能够限制过流;

——要求有一定的稳压精度,如在浮充电时,输出电压的稳定度应优于±1.5%。

此类充电方式可采用桥式晶闸管整流器或高频开关稳压电源。

②充放电/快速充电方式

对于初次使用或者需要做安-时容量测定的蓄电池,需要先将蓄电池中的电能放掉,再进行浮充电。此类充放电方式可采用桥式可逆变晶闸管整流器。蓄电池放电时,整流器工作在逆变状态,将蓄电池放电的电能馈送到电网。蓄电池充电时,整流器工作在整流状态。

快速充电方式是利用可控器件的开关作用,在蓄电池充电过程中,间隙地短时间大电流放电,以消除充电过程中极化作用,提高充电能力,以较短的时间完成充电。桥式可逆变晶闸管整流器可用于蓄电池的快速充电方式。

3蓄电池充放电用桥式可逆变晶闸管整流器

根据蓄电池充放电方式的要求,蓄电池充放电用整流器应具有逆变放电和稳流/稳压充电的功能。图1为蓄电池充放电用三相全桥式可逆变晶闸管整流器的原理图。

在用于蓄电池放电时,转换开关S1闭合,S2同时断开(S1和S2连锁),与此同时,触发器输出的晶闸管VT1～VT6的触发脉冲相位于大于90°的范围,整流器工作于逆变状态,蓄电池放电并向电网馈送电能。

在用于蓄电池充电时,转换开关S2闭合,S1断开,整流器工作在整流状态。调节给定调节器RP和转换开关S0,使整流器用于浮充电、补充电或均衡充电。

D7为续流二极管,为电感器L提供续流通路,以防止电路断流时产生电压过冲;L为平滑滤波电抗器。由于蓄电池是一种反电势负载,加入电抗器L后,能使负载电流保持连续;RV为压敏电阻,用于吸收直流电路中产生的电压过冲;Rf为电压反馈取样电阻。

4高频逆变电源用于蓄电池的充放电

高频逆变电源的效率高、动态特性好、体积小,并且具有双向传输功率的功能,可以取代晶闸管整流器用于蓄电池的充放电。

在高频逆变电源中，为了减小体积和重量，往往不用输入工频变压器。这样，工频整流的直流输出电压经Buck降压逆变电路可以作为小容量蓄电池的充放电电源。比如，在小容量UPS中，蓄电池组的额定电压一般在120V左右，浮充电压一般不会超过140V。所以，采用单相交流无隔离输入变压器的降压式逆变电源可满足小容量蓄电池充放电的要求。但对于大容量蓄电池来说，要求充电电压为几百伏,充电电流可达几十安以上,降压式逆变电路无法满足要求。如果采用高频逆变电源用于大容量蓄电池的充放电，必须选用Boost升压式逆变电路。为了获得大的充电电流,并且避免电网三相供电不平衡,应采用三相桥式逆变电路。

高频逆变电源多采用脉宽调制(PWM)控制方式。根据调制信号波形的不同,PWM控制方式可分为直流脉宽调制(DPWM)和正弦波脉宽调制(SPWM)两大类。两者的主要区别在于参考电压的波形,前者调制电压为直流电压,后者调制电压为正弦波交流电压。DPWM因其结构简单和控制方便,广泛用于小容量的方波输出的UPS中。对于中、大容量的UPS来说,通常要求正弦波输出,应采用SPWM。在SPWM中,正弦波调制电压与电网电压同步,其频率为50Hz,而载波(三角波或锯齿波)频率为8～40kHz,输出电压中基本上不含低次谐波,输出电压中的谐波为几千赫以上的高次谐波,这样,可以大大降低滤波器的尺寸和重量。对于SPWM来说,已有大量的SPWM控制器集成电路可供选用。

原则上,各种型式的开关电路均可作为高频逆变电源的主电路。一般情况下,小容量蓄电池充放电用高频逆变电源的主电路多采用推挽式逆变电路,而中、大容量蓄电池充放电用高频逆变电源的主电路多采用三相全桥式逆变电路。

表2给出了高频逆变电源与晶闸管相控整流电源的性能比较。

5快速充电用晶闸管整流器

在充电过程中,利用停充间隙来消除电解液的浓差,用短时间大电流放电,以消除充电过程中极化作用,提高充电能力,以较短的时间完成充电。蓄电池快速充电的电流波形如图2所示。图中,ID为充电电流;IF为放电电流;t1为充电时间,最长可达3s;t2和t4为停充的间隙时间,各为200ms左右;t3为脉冲电流放电时间,最长可达100ms。


当需要放电时,控制信号触发晶闸管VT7和VT8,令其导通,蓄电池通过L向电阻R放电,同时给电容C充电(因VT8导通,C与R并联)。当C上电压不再上升时,充电电流非常小,流经VT8的电流小于其维持电流时,VT8自行关断。在需要终止放电时,控制信号触发VT9,令其导通,电容器C通过VT9放电,使VT7关断,蓄电池放电通路被切断,放电终止。与此同时,控制信号触发UR中相应的晶闸管,UR处于整流状态,给蓄电池充电。该电路中,电容器C的放电电流用来关断晶闸管VT7,C的容量(μF)应满足下式:

CE≥IFtoff(1)

式中E—蓄电池电压(V);

IF—放电电流(A);

toff—晶闸管VT7的关断时间(μs)。

为了VT7的可靠关断,一般取CE=2IFtoff,则

从式(2)可以看出,在蓄电池电压E比较低时,电容器C的容量很大,所以,该直流开关电路适用于蓄电池电压较高的情况。

为了降低电容器C的容量,可采用逆导晶闸管组成的充放电开关电路。由于逆导晶闸管的关断时间较短,在相同放电电流的情况下,电容器C的容量是晶闸管直流开关电路的1/4～1/10。