CN113161637A - 一种铅酸电池硫酸盐化缓解方法及*** - Google Patents

一种铅酸电池硫酸盐化缓解方法及*** Download PDF

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徐开仁
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黎铭洪
黄晓明
黄厚鑫
唐静
张光资
鲍海波
梁元清
苏淑敏
罗喜
耿昌易
唐明峰
吴林恩
陶丁涛
覃云奕
何理国
肖远平
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Abstract

本发明涉及蓄电池维护技术领域，具体涉及一种铅酸电池硫酸盐化缓解方法及***，根据铅酸电池的充电深度DOC，基于去硫化策略，采用PWM脉冲控制，通过超级电容和双向DC‑DC转换器对铅酸蓄电池进行充放电控制，降低铅酸蓄电池硫酸盐化的程度，进而延长铅酸蓄电池寿命。该方法可将电池充放电寿命由1500次提升至7500次，大大延长了铅酸蓄电池的使用寿命。

Description

一种铅酸电池硫酸盐化缓解方法及***
技术领域
本发明涉及蓄电池维护技术领域，具体涉及一种铅酸电池硫酸盐化缓解方法及***。
背景技术
自铅酸蓄电池发明以来，铅酸蓄电池凭借价格低廉、运行稳定、维护简单等优点，得到 了广泛的应用。但是，变电站的铅酸蓄电池长期处于浮充状态，易出现电池硫酸盐化现象。 这是导致铅酸蓄电池寿命缩短、加快老化的主要原因。铅酸蓄电池报废快的缺点，不仅造成 了资源的浪费，若处理不当，还会污染环境。因此，对硫酸盐化的铅酸蓄电池进行活化，使 其容量恢复，一直是铅酸蓄电池研究的重点。
目前，铅酸蓄电池去硫化的方法主要有2种：一种方法是采用正负脉冲及高频谐振电路， 不定期对铅酸蓄电池进行短时充电。通过冲击硫酸晶体的方式，使其从铅版上掉落，从而实 现去硫化的目的。然而，现场应用表明，由于充电时间不规则，该方法的提升效果有限。第 二种方法是在铅酸蓄电池内添加活化液体。但在添加电解液时，电池内部硫酸极易外流，存 在造成事故的隐患。并且活化液气味刺鼻，难以推广。各厂家活化液配方不同，很难精准把 握添加的计量，用量不当还会降低电池的寿命。
发明内容
针对这些问题，本发明提出了一种铅酸电池硫酸盐化缓解方法及***，该方法基于超级 电容和双向DC-DC转换器，与以上两种方法有显著差异，可将铅酸蓄电池寿命由充放电1800 次提升至7500次。具体技术方案如下：
一种铅酸电池硫酸盐化缓解方法，包括以下步骤：
步骤1：将超级电容、双向DC-DC转换器、储能电感、铅酸电池依次连接；PWM开关控制模 块与双向DC-DC转换器连接；所述双向DC-DC转换器包括功率MOS开关S1和功率MOS开关S2；其工作状态有功率MOS开关S1截止，功率MOS开关S2导通或功率MOS开关S1 截止，功率MOS开关S2截止以及功率MOS开关S1截止，功率MOS开关S2导通三种工 况；
步骤2：实时采集铅酸电池的负载电流，并且计算铅酸电池的容量和铅酸电池的充电深度； 铅酸电池的容量计算如下：
Figure BDA0002959888300000011
其中，i表示铅酸电池的负载电流；t表示铅酸电池的温度；Sc为常数，C0为蓄电池0℃时的 空载容量，tE表示铅酸电池的电解液温度；tF表示铅酸电池的电解液冰点；iN表示铅酸电池 的额定电流；ε为常数，δ为常数；C(i,t)表示铅酸电池在温度t下负载电路为i时的电池容 量；
铅酸电池的充电深度DOC计算方式如下：
Figure BDA0002959888300000021
iM表示流过铅酸电池的电流，C(Iavg,t)表示铅酸电池在温度t下且平均充放电电流为Iavg时的 电池容量；
步骤3：通过铅酸电池的充电深度判断铅酸电池的电荷状态区域，并根据铅酸电池的电荷状 态区域控制双向DC-DC转换器的动作；所述铅酸电池的电荷状态区域包括禁止放电区、放电 警戒区、正常工作区、充电警戒区、禁止充电区；具体如下：
(1)当铅酸电池的充电深度0<DOC<0.2时，铅酸电池的电荷状态处于禁止放电区；通过PWM 开关控制模块控制双向DC-DC转换器，超级电容的电压高于储能电感和铅酸电池电压和；功 率MOS开关S1处于高电平，功率MOS开关S1导通，功率MOS开关S2截止，双向DC-DC转换器工作在Boost状态，超级电容的电能转化为磁能，并储存于储能电感中，当超级电容的电压等于储能电感的电压与铅酸电池电压之和时，功率MOS开关S1截止，储能电感储存的能量通过功率MOS开关S2的二极管对电池进行充电；超级电容通过双向DC-DC转换器给铅酸电池充电，防止硫酸盐化，并禁止铅酸电池放电；
(2)当铅酸电池的充电深度0.4≥DOC≥0.2时，铅酸电池的电荷状态处于放电警戒区；通过 PWM开关控制模块控制功率MOS开关S1和功率MOS开关S2都截止，铅酸电池不向超级 电容放电，超级电容也不向铅酸电池充电；
(3)当铅酸电池的充电深度0.6≥DOC>0.4时，铅酸电池的电荷状态处于正常工作区；通过 PWM开关控制模块控制功率MOS开关S1和功率MOS开关S2都截止，铅酸电池不向超级 电容放电，超级电容也不向铅酸电池充电；
(4)当铅酸电池的充电深度0.8≥DOC>0.6时，铅酸电池的电荷状态处于充电警戒区；通过 PWM开关控制模块控制功率MOS开关S1和功率MOS开关S2都截止，铅酸电池不向超级 电容放电，超级电容也不向铅酸电池充电；
(5)当铅酸电池的充电深度DOC>0.8时，铅酸电池的电荷状态处于禁止充电区；通过PWM 开关控制模块控制双向DC-DC转换器，超级电容的电压高于储能电感和铅酸电池电压和；功 率MOS开关S1处于低电平，功率MOS开关S1截止，功率MOS开关S2处于高电平，功 率MOS开关S2导通，双向DC-DC变换器工作在Bust状态，此时，铅酸电池向超级电容放 电，将铅酸电池充电深度控制在DOC≤0.8的状态。
优选地，所述储能电感的电感量计算如下：
Figure BDA0002959888300000031
其中，VOUT表示双向DC-DC变换器的输出电压；ΔiL表示储能电感的电流纹波；ts表示PWM 开关控制模块输出的脉冲信号周期；D表示PWM开关控制模块输出的脉冲信号的占空比。
优选地，所述超级电容的电容量计算如下：
Figure BDA0002959888300000032
其中，IOUT表示双向DC-DC变换器的输出电流；D表示PWM开关控制模块输出的脉冲信号 的占空比；FS表示PWM开关控制模块输出的脉冲信号周期；ΔVOUT表示双向DC-DC变换器 的输出电压纹波。
一种铅酸电池硫酸盐化缓解***，包括超级电容、双向DC-DC转换器、储能电感L、PWM 开关控制模块；
超级电容、双向DC-DC转换器、储能电感L、铅酸电池依次连接；PWM开关控制模块分别与 双向DC-DC转换器、超级电容、铅酸电池连接；所述双向DC-DC转换器包括功率MOS开关S1和功率MOS开关S2。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种铅酸电池硫酸盐化缓解方法及***，根据铅酸 电池的充电深度DOC，基于去硫化策略，采用PWM脉冲控制，通过超级电容和双向DC-DC转 换器对铅酸蓄电池进行充放电控制，降低铅酸蓄电池硫酸盐化的程度，进而延长铅酸蓄电池 寿命。该方法可将电池充放电寿命由1500次提升至7500次，大大延长了铅酸蓄电池的使用 寿命。
附图说明
图1为铅酸电池硫酸盐化缓解控制***示意图；
图2为双向DC-DC转换器的Boost电路结构图；
图3为双向DC-DC转换器的Buck电路结构图；
图4为双向DC-DC转换器的工作模式原理图；
图5为铅酸电池的电荷状态区域图；
图6为DOC状态下的电池安全性对比图；
图7为应用本发明的铅酸蓄电池、传统铅酸蓄电池以及传统铅酸蓄电池结合超级电容的电流 变化示意图；
图8为应用本发明的铅酸蓄电池、传统铅酸蓄电池以及传统铅酸蓄电池结合超级电容的寿命 实验结果。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种铅酸电池硫酸盐化缓解***，包括超级电容、双向DC-DC转换器、储 能电感L、PWM开关控制模块；
超级电容、双向DC-DC转换器、储能电感L、铅酸电池依次连接；PWM开关控制模块分别与双向DC-DC转换器、超级电容、铅酸电池连接；所述双向DC-DC转换器包括功率MOS 开关S1和功率MOS开关S2；PWM开关控制模块采集超级电容、铅酸电池的参数并产生相 应的PWM开关信号控制功率MOS开关S1和功率MOS开关S2的导通或截止，以实现超级 电容向铅酸电池充电或者铅酸电池向超级电容充电或者铅酸电池既不充电也不放电，使得铅 酸电池的充电深度维持在一定范围内。
一种铅酸电池硫酸盐化缓解方法，包括以下步骤：
步骤1：如图1所示，将超级电容、双向DC-DC转换器、储能电感L、铅酸电池依次连接；PWM 开关控制模块分别与双向DC-DC转换器、超级电容、铅酸电池连接；所述双向DC-DC转换器 包括功率MOS开关S1和功率MOS开关S2；其工作状态有功率MOS开关S1截止，功率MOS开关S2导通或功率MOS开关S1截止，功率MOS开关S2截止以及功率MOS开关S1 截止，功率MOS开关S2导通三种工况。
双向DC-DC转换器具有提高效率、降低成本的优点，提高了电池的性能。在电网对电池 充电过程中，电池和超级电容器吸收电能。储能电感L则可吸收电能，防止电流突然变化， 损伤电池，增加储能电感L可以让电流缓慢变化。
双向DC-DC转换器通过PWM开关控制模块控制功率MOS开关S1和功率MOS开关S2，实现超级电容与蓄电池充放电功能，具体如图2和图3所示，调节PWM开关控制模块输出的PWM开关信号的占空比，可实现超级电容对铅酸电池充电，图2中，功率MOS开关S1处于高电 平，功率MOS开关S1导通，功率MOS开关S2截止。双向DC-DC转换器工作在Boost状态， 超级电容的电能转化为磁能，并储存于电感L中。当电容电压等于电感L、铅酸电池电压之 和时，功率MOS开关S1截止，电感L储存的能量通过功率MOS开关S2的二极管，对铅酸 电池进行充电。
当铅酸电池需要放电时，由铅酸电池通过双向DC-DC转换器的Buck电路进行放电。如 图3所示，首先，电源通过功率MOS开关S1的二极管电感给负载供电，并将电能储存在电感L和超级电容中。由于电感L的自感作用，电流增大的比较缓慢。一定时间后，当超级电 容电压等于电感L、电池电压之和时PWM开关控制模块控制功率MOS开关闭合(图3所示)， 此时，图1中功率MOS开关S1截止，功率MOS开关S2导通，铅酸电池继续进行放电。
当功率MOS开关S1、功率MOS开关S2均关闭时，铅酸电池不充电也不放电，铅酸电池可以向负载供电。
如图4所示，当铅酸电池电压DOCdc>DOC* dc-H时，铅酸电池放电，当DOCdc<DOC* dc-L时，超级电容给铅酸电池充电，DOC* dc-L<DOCdc<DOC* dc-H时，铅酸电池不充电也不放电；其 中DOC* dc-H＝0.8(max)，DOC* dc-L＝0.2(min)。
步骤2：实时采集铅酸电池的负载电流，并且计算铅酸电池的容量和铅酸电池的充电深度； 铅酸电池的容量计算如下：
Figure BDA0002959888300000051
其中，i表示铅酸电池的负载电流，可采用电流互感器采集；t表示铅酸电池的温度，可用温 度传感器采集电池负极柱的温度；Sc为常数，C0为蓄电池0℃时的空载容量，tE表示铅酸电 池的电解液温度，可在电池内部通过温度传感器进行采集；tF表示铅酸电池的电解液冰点， 取-20℃；iN表示铅酸电池的额定电流；ε为常数，为1.5，δ为常数，为2.3；C(i,t)表示铅 酸电池在温度t下负载电路为i时的电池容量，单位为AH；
铅酸电池的充电深度DOC计算方式如下：
Figure BDA0002959888300000052
iM表示流过铅酸电池的电流，采用电流互感器进行采集；C(Iavg,t)表示铅酸电池在温度t下且 平均充放电电流为Iavg时的电池容量；其中，
Figure BDA0002959888300000053
步骤3：通过铅酸电池的充电深度判断铅酸电池的电荷状态区域，并根据铅酸电池的电荷状 态区域控制双向DC-DC转换器的动作；如图5所示，所述铅酸电池的电荷状态区域包括禁止 放电区、放电警戒区、正常工作区、充电警戒区、禁止充电区；具体如下：
(1)当铅酸电池的充电深度0<DOC<0.2时，铅酸电池的电荷状态处于禁止放电区；通过PWM 开关控制模块控制双向DC-DC转换器，超级电容的电压高于储能电感和铅酸电池电压和；功 率MOS开关S1处于高电平，功率MOS开关S1导通，功率MOS开关S2截止，双向DC-DC转换器工作在Boost状态，如图2所示，超级电容的电能转化为磁能，并储存于储能电感中，当超级电容的电压等于储能电感的电压与铅酸电池电压之和时，功率MOS开关S1截止，储能电感储存的能量通过功率MOS开关S2的二极管对电池进行充电；超级电容通过双向DC-DC转换器给铅酸电池充电，防止硫酸盐化，并禁止铅酸电池放电；
(2)当铅酸电池的充电深度0.4≥DOC≥0.2时，铅酸电池的电荷状态处于放电警戒区；通过 PWM开关控制模块控制功率MOS开关S1和功率MOS开关S2都截止，铅酸电池不向超级 电容放电，超级电容也不向铅酸电池充电；
(3)当铅酸电池的充电深度0.6≥DOC>0.4时，铅酸电池的电荷状态处于正常工作区；通过 PWM开关控制模块控制功率MOS开关S1和功率MOS开关S2都截止，铅酸电池不向超级 电容放电，超级电容也不向铅酸电池充电；
(4)当铅酸电池的充电深度0.8≥DOC>0.6时，铅酸电池的电荷状态处于充电警戒区；通过 PWM开关控制模块控制功率MOS开关S1和功率MOS开关S2都截止，铅酸电池不向超级 电容放电，超级电容也不向铅酸电池充电；
(5)当铅酸电池的充电深度DOC>0.8时，铅酸电池的电荷状态处于禁止充电区；通过PWM 开关控制模块控制双向DC-DC转换器，超级电容的电压高于储能电感和铅酸电池电压和；功 率MOS开关S1处于低电平，功率MOS开关S1截止，功率MOS开关S2处于高电平，功 率MOS开关S2导通，双向DC-DC变换器工作在Bust状态，如图3所示，此时，铅酸电池 向超级电容放电，将铅酸电池充电深度控制在DOC≤0.8的状态。
其中，储能电感的电感量计算如下：
Figure BDA0002959888300000061
其中，VOUT表示双向DC-DC变换器的输出电压；ΔiL表示储能电感的电流纹波；ts表示PWM 开关控制模块输出的脉冲信号周期；D表示PWM开关控制模块输出的脉冲信号的占空比。 超级电容的电容量计算如下：
Figure BDA0002959888300000062
其中，IOUT表示双向DC-DC变换器的输出电流；D表示PWM开关控制模块输出的脉冲信号 的占空比；FS表示PWM开关控制模块输出的脉冲信号周期；ΔVOUT表示双向DC-DC变换器 的输出电压纹波。
寿命评估验证
在铅酸蓄电池充放电正常的情况下，蓄电池的寿命是根据寿命周期来计算的。电池的寿 命周期可根据公式(5)计算：
Figure BDA0002959888300000071
式中，Capacity为铅酸电池的额定容量，取200AH，单只铅酸蓄电池电压为2V；电池的 放电安全性(Discharge safety)以DOD来衡量，本方法中取80％。在铅酸蓄电池中，适当地保持充电深度DOC，可以延长电池寿命。合理地对电池进行充电和放电，可避免硫酸盐化和电池变干状况。图6分别为DOC状态下的电池安全性。
由图可知，在保持充电深度DOC状态下，铅酸蓄电池和装有超级电容的铅酸蓄电池随着 时间的增加，它们的安全性逐渐下降。而采用本发明的铅酸蓄电池的DOC维持在80％，其 安全性可不受时间限制。
图7为铅酸蓄电池的电流变化趋势图。随着时间的增加，铅酸蓄电池呈放电状态，电流 逐渐增大；带有超级电容的电池在开始端电流最大，往后逐渐减小，呈不规则分布。而应用 本发明的铅酸蓄电池处于平稳状态，电流不发生变化。
图8为铅酸蓄电池寿命的测试结果。实验结果表明，本发明蓄电池的平均电流Iavg仅为 0.133A，传统铅酸蓄电池的电池Iavg平均电流为0.67A，带超级电容UC的铅酸蓄电池的平均 电流Iavg为0.56A，则根据计算公式(5)得知，传统铅酸蓄电池充放电寿命仅约为1500个周 期，带UC的电池充放电寿命约为1800个周期。而本发明所提出的方法，可使电池充放电寿 命增约为7500个周期。因此，本发明在延长铅酸蓄电池寿命、避免硫酸盐化等方面具有较好 的性能。
本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种铅酸电池硫酸盐化缓解方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将超级电容、双向DC-DC转换器、储能电感、铅酸电池依次连接；PWM开关控制模块与双向DC-DC转换器连接；所述双向DC-DC转换器包括功率MOS开关S1和功率MOS开关S2，其工作状态有功率MOS开关S1截止，功率MOS开关S2导通或功率MOS开关S1截止，功率MOS开关S2截止以及功率MOS开关S1截止，功率MOS开关S2导通三种工况；
步骤2：实时采集铅酸电池的负载电流，并且计算铅酸电池的容量和铅酸电池的充电深度；铅酸电池的容量计算如下：
Figure FDA0002959888290000011
其中，i表示铅酸电池的负载电流；t表示铅酸电池的温度；Sc为常数，C0为蓄电池0℃时的空载容量，tE表示铅酸电池的电解液温度；tF表示铅酸电池的电解液冰点；iN表示铅酸电池的额定电流；ε表示常数，δ表示常数；C(i,t)表示铅酸电池在温度t下负载电路为i时的电池容量；
铅酸电池的充电深度DOC计算方式如下：
Figure FDA0002959888290000012
iM表示流过铅酸电池的电流，C(Iavg,t)表示铅酸电池在温度t下且平均充放电电流为Iavg时的电池容量；
步骤3：通过铅酸电池的充电深度判断铅酸电池的电荷状态区域，并根据铅酸电池的电荷状态区域控制双向DC-DC转换器的动作；所述铅酸电池的电荷状态区域包括禁止放电区、放电警戒区、正常工作区、充电警戒区、禁止充电区；具体如下：
(1)当铅酸电池的充电深度0<DOC<0.2时，铅酸电池的电荷状态处于禁止放电区；通过PWM开关控制模块控制双向DC-DC转换器，超级电容的电压高于储能电感和铅酸电池电压和；功率MOS开关S1处于高电平，功率MOS开关S1导通，功率MOS开关S2截止，双向DC-DC转换器工作在Boost状态，超级电容的电能转化为磁能，并储存于储能电感中，当超级电容的电压等于储能电感的电压与铅酸电池电压之和时，功率MOS开关S1截止，储能电感储存的能量通过功率MOS开关S2的二极管对电池进行充电；超级电容通过双向DC-DC转换器给铅酸电池充电，防止硫酸盐化，并禁止铅酸电池放电；
(2)当铅酸电池的充电深度0.4≥DOC≥0.2时，铅酸电池的电荷状态处于放电警戒区；通过PWM开关控制模块控制功率MOS开关S1和功率MOS开关S2都截止，铅酸电池不向超级电容放电，超级电容也不向铅酸电池充电；
(3)当铅酸电池的充电深度0.6≥DOC>0.4时，铅酸电池的电荷状态处于正常工作区；通过PWM开关控制模块控制功率MOS开关S1和功率MOS开关S2都截止，铅酸电池不向超级电容放电，超级电容也不向铅酸电池充电；
(4)当铅酸电池的充电深度0.8≥DOC>0.6时，铅酸电池的电荷状态处于充电警戒区；通过PWM开关控制模块控制功率MOS开关S1和功率MOS开关S2都截止，铅酸电池不向超级电容放电，超级电容也不向铅酸电池充电；
(5)当铅酸电池的充电深度DOC>0.8时，铅酸电池的电荷状态处于禁止充电区；通过PWM开关控制模块控制双向DC-DC转换器，超级电容的电压高于储能电感和铅酸电池电压和；功率MOS开关S1处于低电平，功率MOS开关S1截止，功率MOS开关S2处于高电平，功率MOS开关S2导通，双向DC-DC变换器工作在Bust状态，此时，铅酸电池向超级电容放电，将铅酸电池充电深度控制在DOC≤0.8的状态。
2.根据权利要求1所述的一种铅酸电池硫酸盐化缓解方法，其特征在于：所述储能电感的电感量计算如下：
Figure FDA0002959888290000021
其中，VOUT表示双向DC-DC变换器的输出电压；ΔiL表示储能电感的电流纹波；ts表示PWM开关控制模块输出的脉冲信号周期；D表示PWM开关控制模块输出的脉冲信号的占空比。
3.根据权利要求1所述的一种铅酸电池硫酸盐化缓解方法，其特征在于：所述超级电容的电容量计算如下：
Figure FDA0002959888290000022
其中，IOUT表示双向DC-DC变换器的输出电流；D表示PWM开关控制模块输出的脉冲信号的占空比；FS表示PWM开关控制模块输出的脉冲信号周期；ΔVOUT表示双向DC-DC变换器的输出电压纹波。
4.一种铅酸电池硫酸盐化缓解***，其特征在于：包括超级电容、双向DC-DC转换器、储能电感L、PWM开关控制模块；
超级电容、双向DC-DC转换器、储能电感L、铅酸电池依次连接；PWM开关控制模块分别与双向DC-DC转换器、超级电容、铅酸电池连接；所述双向DC-DC转换器包括功率MOS开关S1和功率MOS开关S2。
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