电池英才网独立光伏发电系统中蓄电池充电方法探究.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电池英才网独立光伏发电系统中蓄电池充电方法探究.精品文档. 电池英才网（独立光伏发电系统中蓄电池充电方法探究 测试测量技术 独立光伏发电系统中蓄电池充电方法探究 Explore of Battery Charging Method in Stand- alone Photovoltaic Power Generation System 王恩， 杨海柱， 陈广华 （河南理工大学电气工程与自动化学院， 河 南 焦作 454000 ） Wan g En , Yan g Hai- zh u ， en Gu an g - h u a (Electrical Engineering and Automation Ch College of Henan Polytechnic University， Henan Jiaozuo 454000 ） 蓄电池是独立光伏发电系统中必不可少的储能环节， 研究其充电方法具有特殊的意义。文章在介绍 摘 要： 几种充电方法的基础上， 提出一种基于 UC3909 的四阶段充电方式， 并搭建实验电路， 对样机进行充电实验。 实验结果表明该方法简单有效， 充电器工作稳定可靠， 能够保证系统的稳定运行。 太阳能； 蓄电池； 充电器 关键词： TM615 中图分类号： B 文献标识码： 1003- 0107(2010)06- 0021- 03 文章编号： Ab s t ra ct : Ba tte ry is a n e s s e ntia l p a rt of the e ne rg y s tora g e in s ta nd - a lone p hotovolta ic p owe r g e ne ra tion s ys te m, it ha s a s p e c ia l me a ning to e xa mine c ha rg ing me thod .This a rtic le d e s c rib e s s e ve ra l c ha rg ing me thod s , one me thod s whic h is b a s e d on the UC3909 is p rop os e d ,it c onte nts four- s ta g e c ha rg ing me thod , a nd to b uild e xp e rime nta l c irc uit, d o c ha rg ing e xp e rime nts of the p rototyp e . Exp e rime nta l re s ults s how tha t the me thod is s imp le a nd e ffe c tive , s ta b le a nd re lia b le c ha rg e r to e ns ure the s ta b le op e ra tion of the s ys te m. Ke y w o rd s : Sola r； tte ry； rg e rs Ba Cha CLC n u m b e r:TM615 Do cu m e n t co d e :B 1003- 0107(2010)06- 0021- 03 Art icle ID： 1 引言 对于独立光伏发电系统而言，储能环节是不可缺少的重 要组成部分，储能系统的好坏直接影响到光伏发电系统的性 能， 目前光伏发电系统中通常使用蓄电池实现储能， 蓄电池是 通过充电将电能转化为化学能储存起来，使用时再将化学能 转化为电能释放出来的化学电源装置。它是用两个分离的电 极浸在电解质中而成， 由还原物质构成的电极为负极， 由氧化 物质构成的电极为正极。其中常用的蓄电池有铅酸蓄电池、 镍 锡蓄电池和镍氢蓄电池3。 目前我国用于太阳能光伏发电系统的蓄电池绝大多数是 阀控式密封铅酸蓄电池，只是在高寒户外系统中采用镍锡蓄 电池的比较多。在小型的太阳能草坪灯和便携式太阳能供电 系统中使用镍锡或镍氢蓄电池比较多，独立光伏发电系统结 构如图 1 所示，文章对蓄电池充电方法的论述中采用的是阀 控式密封铅酸蓄电池。 电控制方法直接影响到系统的性能。充电控制方法的优劣影 响到铅酸蓄电池的荷电量的大小，同时也关系到铅酸蓄电池 的使用寿命。而荷电量的大小决定着太阳能独立光伏发电系 统向负载供电的能力、铅酸蓄电池的使用寿命关系到系统的 造价以及系统的使用寿命， 因此选择合理的充电控制方 成本、 法是提高太阳能独立光伏发电系统性能的有效手段。目前铅 酸蓄电池常用的充电控制包括恒流充电、 恒压充电、 两阶段和 三阶段充电等方法5。 1 ）恒流充电 恒流充电就是在整个充电过程中始终以恒定的电流进行 充电， 随着蓄电池电压的变化要进行电流调整， 使充电电流不 变， 充电电压和充电电流变化关系如图 2 所示， 这种充电方式 有很多不足之处， 该充电方法已经不再被使用。 图 2 恒流充电曲线 2 恒压充电 ） 图 1 独立光伏发电系统框图 恒压充电就是在整个充电过程中始终以一定的电压对蓄 电池进行充电。 其充电特性曲线如图 3 所示。 这种充电方法也 有明显的不足： 充电初期， 如果蓄电池过度放电， 充电电流会 很大， 这样会对充电器的质量要求比较高， 而且可能因过流影 响蓄电池的寿命； 如果充电电压过低， 就会使后期充电电流又 2 常用充电方法 在太阳能独立光伏发电系统中，对铅酸蓄电池使用的充 2010 第 06 期 21 P 产品设计 roduct Des ign 过小， 充电时间过长。 但是由于太阳能光伏阵列输出功率的不稳定性， 减也会较小。 以及光伏系统由于自身功率量的限制和光照的变化，因此对 蓄电池充电的同时还必须考虑蓄电池充电电流的大小。 因此， 在光伏系统中采用充电可接受电流控制的智能充电也不是太 合适。 3 四阶段充电方法 在太阳能光伏发电系统中，综合考虑日照强度以及环境 温度对光伏系统充电电流的影响、铅酸蓄电池性能以及系统 图 3 恒压充电曲线 3 两阶段和三阶段充电法 ） 这种充电方法在充电初始阶段采用恒流充电方式，蓄电 池充电到达一定容量后， 然后采用恒压充电方式充电。 这种方 法在一定程度上克服了恒流与恒压充电的缺点。其充电特性 曲线如图 4 所示。 IBULK UOC UF VT 成本等因素， 选用专用铅酸蓄电池充电芯片 UC3909， 实现四 阶段充电法充电1,2,4， 由于较好地使用涓流及浮充充电模式， 从 而使蓄电池的容量达到额定值， 延长其寿命， 四阶段充电状态 如图 6 所示。 IOCT IT 图 6 四阶段充电方式 四阶段充电状态如下： 图 4 两阶段和三阶段充电曲线 三阶段充电法是在两阶段充电基础之上，增加了浮充阶 这样可以弥补铅酸蓄电池由于自放电造成能量的损失。 在 段。 浮充时， 铅酸蓄电池充电电压要比恒压阶段的充电电压低， 如 图 4 所示。 4 智能充电 ） 智能充电是以铅酸蓄电池最低析气率为前提，以铅酸蓄 电池快速充电的基本规律为基础，找出铅酸蓄电池能够接受 的最大充电电流， 然后绘出可以接受的充电电流曲线。 图 5 给出的蓄电池自然接受特性曲线，曲线上方的任何 充电电流， 不仅不能提高充电速率， 而且会增加析气。在曲线 下方的充电电流就是蓄电池可接受的充电电流。 1 涓流充电 ） 涓流充电是为了防止充电时大电流灌入蓄电池，超过蓄 电池初始充电电流值， 造成蓄电池的损坏。涓流充电原理是： 充电时设定一个充电使能电压 UT， 当蓄电池的端电压低于 UT 时， 光伏控制器将提供一个很小的电流 IT 对蓄电池进行充电。 随着涓流充电状态的进行， 铅酸蓄电池的端电压会逐渐升高， 如果蓄电池端电压值达到到 UT，充电器将进入第二个充电阶 蓄电池的端电压已经高 段， 即恒流充电状态。如果充电之初， 于 UT， 充电器将直接进入恒流充电阶段， 不再经过涓流充电阶 段。 2 恒流充电 ） 恒流充电阶段也是快速充电阶段， 在恒流充电期间， 充电 器提供一个恒定的电流 IBULK 给蓄电池充电，此时蓄电池容量 快速增加， 容量变化的同时， 蓄电池的电压将会不断上升， 如 果蓄电池端电压达到设定的过压充电电压 UOC， 蓄电池充电就 转入过压充电状态。 3 过压充电 ） 过压充电阶段期间充电电压 UOC 不变， 并稍高于蓄电池的 额定电压， 这样可以使蓄电池容量最后达到饱和， 此时充电电 流逐渐减小， 如果充电电流减小到过充终止电流 IOCT， 表明蓄 图 5 最佳充电曲线 智能充电使蓄电池的充电电流始终保持在可接受电流的 区域， 这样不仅使蓄电池能快速充电， 而且对蓄电池寿命的影 电池已被充满， 充电模式已经转入浮充状态。 4 浮充充电 ） 浮充电压略低于 UOC， 浮充充电就是提供一个恒定的带有 温度补偿的浮充电压 UF 给蓄电池充电， 来保持蓄电池容量不 22 测试测量技术 变， 浮充阶段会一直提供很小的浮充电流， 用以弥补蓄电池由 于自身放电造成的能量损失。 此后， 如果蓄电池端电压下降到 UOC 的 90%， 充电器就会自动进入恒充或涓充状态。 表 1 可以还可以看出恒流充电时间段是 1- 5 小时之间。 实验所设定的过压充电门槛电压 UOC=30V， 当蓄电池端电 压高于 30V 时，就要进入过压充电阶段，从表 1 可以看出， 5 小时蓄电池端电压为 29V， 小时的端电压为 28.5V，说明在 6 5- 6 小时之间， 蓄电池电压达到了 30V 后转入过压充电模式， 此时充电电流逐渐减少， 7 小时阶段就是过压充电阶段。 6从表 1 可以看出，从 7 小时起，充电电压稳定在 27V 左 右， 充电电流最终稳定在 0.18A 左右。该实验设定的浮充电压 UF=27V， 过充终止电流 IOTC=0.38A， 当过压充电阶段充电电流 小于过充终止电流 IOTC 时， 表明蓄电池已被充满， 进入浮充状 态， 此时浮充电压为 27V， 浮充电流为 0.18A。7- 9 小时阶段验 证了四阶段充电的浮充充电模式。 从这 10 组数据的分析可以得出， 该充电过程实现了四阶 段充电过程的转换。 4 蓄电池充电实验 实验是为了验证提出的四阶段充电方案，同时验证独立 光伏控制器的充电性能我们对一组额定容量 24V/380AH 的蓄 电池组进行充电， 同时对充电电压、 电流进行检测。 太阳能电池阵列采用 4 块 175W 的多晶硅太阳电池阵列 串连，额定输入功率 700W，太阳能电池阵列的开路电压约 140V 左右。铅酸蓄电池型号 LC- X1238， 12V/38AH， 蓄电池 2 串×4 并 =8 个， 组成蓄电池组。充电使能电压 UT=20.4V， 过压 充电门槛电压 UOC=30V ，浮充电压 UF=27V 涓流充电电流 IT= 快速充电电流 IBULK=3.8A， 过充终止电流 IOTC=0.38A。 0.152A， 测量数据的天气情况： 晴天， 微风， 白天最高温度 28。 从 00 00 上午 9： 开始测第一组数据，到下午 6： 结束，共测到 10 组数据。 实验测试系统如图 7 所示。 5 结论 文章介绍了几种常用的铅蓄电池充电方法，同时提出一 种基于 UC3909 的四阶段充电方式， 并搭建实验电路， 对样机 实验结果表明该方法简单有效， 充电器实现了 进行充电实验。 四阶段充电， 工作稳定可靠， 使蓄电池发挥其最大效率， 有效 地延长了蓄电池的使用寿命。 参考文献： 图 7 测试示意图 测得实验数据如表 1 所示。 表 1 测量数据 时间 （h ） 蓄电池 电压 （V ） 蓄电池 电流 （A ） 0.18 3.5 3.6 3.6 3.75 3.3 2.0 0.85 0.2 0.15 19.5 23.5 25.45 26.74 27.8 29 28.5 27.65 27 26.50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 田黎明， 王连军， 宋凌志.基于 UC3909 的 UPS 蓄电池充电 器J.计算机工程与设计， 2007， (13)： 43. 28 322 张凤霞， 武勇.阀控铅酸蓄电池开关型充电控制器 UC3909 及其应用J.国外电子元器件， （5 ： 10. 1998, ） 63 陈维沈辉，邓幼俊. 太阳能光伏应用中的储能系统研究J. 蓄电池， 2006， 21- 27. (1)： 4 伊晓波. 电动自行车用铅酸蓄电池质量分析及标准的制定 2001， ） 30- 33. （4 ： 与研究J. 蓄电池， 5 朱小同， 赵桂先. 蓄电池快速充电的原理与实践M. 北京： 煤炭工业出版社， 1996. 对表 1 数据进行如下分析： 对蓄电池进行放电之后， 即开始充电初始时刻， 蓄电池组 端电压是 19.5V， 低于所设定的充电使能电压 UT（20.4V ， ）充 电 器 将 提 供 一 个 很 小 的 涓 流 IT 进 行 充 电 ， 所 设 定 的 IT=0.152A， 此刻的充电电流是 0.18A， 考虑到误差的存在， 实际 充电电接近于所设定的涓流 IT，此充电阶段验证了四阶段充 电的涓流充电，为了防止把恒流充电时的大电流灌入损坏蓄 电池。 在充电 1 小时后， 可以看到蓄电池端电压为 23.5V， 这时 端电压大于充电使能电压 UT（20.4V ， ） 理论上应该转到恒流 充电模式， 所设定的恒流电流值 IBULK=3.8A， 从表 1 可以看出实 际充电电流为 3.5A， 可以知道此时已经转到恒流充电阶段。 从 2010 第 06 期 23