风力发电蓄电池充电技术

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1 引言
作为无污染而取之不尽的风能和太阳能的利用近来成为了研究的热点，在我国一些风能充裕而偏远的地区或者沿海地区，小型独立风力发电系统的应用将拥有广阔的前景。
在小型独立风电系统中，通常用24V或48V电压等级蓄电池作为储能装置，以备用直流或交流负载使用。当蓄电池放电后能及时由风力发电机给以补充，风力发电系统框图如图1所示。对于蓄电池的充电部分通常为节约成本，将风机的输出电压经整流后通过一个二极管直接给蓄电池充电，或者采用简单的Buck电路的充电器给蓄电池充电[1]。前述两种充电方案均会造成充电电池的使用寿命远远低于规定的寿命。

图1 风力发电系统框图

为提高蓄电池的使用寿命和保护电池的性能，本文针对额定功率为500W、额定输出电压为交流24V的小型风电机和24V200AH的蓄电池组，设计了三段式的智能充电器。该充电器的主电路采用隔离式的推挽DC/DC变换器，具有过压、过流保护等功能。
2 蓄电池常规充电方法Conventional battery charging method
对铅酸蓄电池的充电方法有很多，包括恒流充电法、恒压充电法、脉冲充电、浮充电法、阶段充电法等。
2.1恒流充电法
在充电过程中充电电流始终保持不变，叫做恒定电流充电法，简称恒流充电法或等流充电法[2]。充电过程中由于蓄电池电压逐渐升高，充电电流逐渐下降，为保持充电电流不致因蓄电池端电压升高而减小，充电过程必须逐渐升高电源电压，以维持充电电流始终不变，这对于充电设备的自动化程度要求较高，一般简陋的充电设备是不能满足恒流充电要求的。恒流充电法，在蓄电池最大允许的充电电流情况下，充电电流越大，充电时间就可以缩短。若从时间上考虑，采用此法有利的。但在充电后期若充电电流仍不变，这时由于大部分电流用于电解水上，电解液出气泡过多而显沸腾状，这不仅消耗电能，而且容易使极板上活性物质大量脱落，温升过高，造成极板弯曲，容量迅速下降而提前报废。所以，这种充电方法很少单独采用。
2. 2 恒压充电方式
在充电过程中，充电电压始终保持不变，叫做恒定电压充电法，简称恒压充电法或等压充电法。由于恒压充电开始至后期，电源电压始终保持一定，所以在充电开始时充电电流相当大，大大超过正常充电电流值。随着充电的进行，蓄电池端电压逐渐升高，充电电流逐渐减小。当蓄电池端电压和充电电压相等时，充电电流减至最小甚至为零。恒压充电法可以避免充电后期充电电流过大而造成极板活性物质脱落和电能的损失。但其在刚开始充电时，充电电流过大，电极活性物质体积变化收缩太快，影响活性物质的机械强度，致使其脱落。而在充电后期充电电流又过小，使极板深处的活性物质得不到充电反应，形成长期充电不足，影响蓄电池的使用寿命。
2.3脉冲充电方式
脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环[3]。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。
2.4浮充电方式
间歇使用的蓄电池或仅在交流电停电时才使用的蓄电池，其充电方式为浮充电式。一些特殊场合使用的固定型蓄电池一般均采用浮充电方法对蓄电池进行充电。浮充电法的优点主要在于能减少蓄电池的析气率，并可防止过充电，同时由于蓄电池同直流电源并联供电，用电设备大电流用电时，蓄电池瞬时输出大电流，这有助于镇定电源系统的电压，使用电设备用电正常。浮充电法的缺点是个别蓄电池充电不均衡和充不足电，所以需要进行定期的均衡充电。
2.5阶段充电方式
综合恒流和恒压充电法的特点，蓄电池在充电初期用较大的电流，经过一段时间改用较小的电流，至充电后期改用更小的电流，即不同阶段内以不同的电流进行恒流充电的方法，叫做阶段恒流充电法。阶段恒流充电法，一般可分为两个阶段进行，也可分为多个阶段进行。
阶段等流充电法所需充电时间短，充电效果也好。由于充电后期改用较小电流充电，这样减少了气泡对极板活性物质的冲刷，减少了活性物质的脱落。这种充电法能延长蓄电池使用寿命，并节省电能，充电又彻底，所以是当前常用的一种充电方法。
鉴于上述不同充电方式的对比和风能发电的特点，本设计对蓄电池的充电方式采用技术较为成熟的三段式智能充电方式。
3智能充电原理与设计
根据充电方式和风力发电系统的特点画出了系统充电的框图，图2为充电器的结构图，其输入为24V三相交流电，经过EMI滤波、整流和推挽DC/DC变换器后输出需要的电压电流，通过采集信号，控制电池充电的电压和电流。

图2 充电器的结构图

3.1 推挽DC/DC变换器
在隔离DC/DC变换电路中，通常采用的拓扑结构有反激式、正激式、推挽、半桥和全桥几种。而当输入电压比较低，功率不太大的情况下，一般优先采用推挽结构；另外，推挽变换器结构有很好的对称性，应用方便。隔离推挽变换器的基本结构框图如图3所示。推挽式变换器的两个开关管轮流交替工作，相当于两个开关电源同时输出功率，其输出功率约等于单一开关电源输出功率的两倍。因此，推挽式变压器输出功率很大，工作效率很高，经桥式整流或全波整流后，仅需要很小的滤波电感和电容，其输出电压纹波就可以达到非常小。

图3推挽DC-DC隔离变换器

推挽变换器的基本工作原理：通过控制两个开关管Q1、Q2 交替的导通，将直流电转换成高频交流信号，从而通过高频变压器传送到副边，经过整流、滤波后得到直流电压。R1、C4和R2、C3构成吸收电路，以减少整流管的过冲和振铃现象。D1和D2的作用是抑制开关管由导通变为截止时时由漏电感产生的尖峰电流，其并联的电容可以抑制电源开启时产生的浪涌电流。开关管Q1和Q2分别受控于脉宽调制器SG3525A的11脚和14脚输出的PWM信号，恒压与恒流均通过改变PWM信号的占空比进行调节。
脉宽调制控制电路采用开关电源专用集成芯片SG3525A，有OUT-A与OUT-B两个互补输出[4]。移相PWM 的相移控制是通过误差放大器来实现，误差放大器同相端E/A+ (2脚) 接基准电压信号，可由SG3525A自身VREF端（16脚）的基准电压5.1V经过电阻分压提供。反相端E/A-(1脚) 接输出电流或电压的反馈信号，电流和电压负反馈信号之间的切换由肖特基二极管D1的导通截止实现。反馈信号和标准电位比较，差值经放大输出，送至移相脉宽控制器，控制OUT-A与OUT-B之间的相位，最终调整波形占空比，使充电电压和电流稳定在预定值上。
3.2 高频变压器的设计
设计指标：风力发电机输出交流电经整流滤波后的直流输入电压Uin=36V~72V，输出电压Uo=29VDC，功率Po=600W，工作频率fs=125kHz，工作周期Ts=8μs。
（1）磁心的选取
推挽式变压器磁芯的选取可根据面积乘积法获取。其公式如下：

     （1）

式（1）中，Ac：铁心截面积，单位cm2；Wa：铁心窗口面积，单位cm2；Pomax：变压器最大负载功率，单位W；Dmax：最大占空比，选为Dmax=0.45；Bm：最大工作磁通密度，选取为2000Gs；fs：变压器的开关频率；Ku：变压器窗口利用系数，取Ku=0.4；J：变压器原副边导线的电流密度，单位A/mm2；η：变压器在低限满载的效率，取η=0.95。由此可得到所需磁芯有效截面积Ac和窗口面积Wa之积，参考磁芯选型手册，可选取EE42磁芯，本设计中，为实现后续设计的兼容性，选取EE55磁芯。
（2）一次绕组匝数Np

（2）

（3）输入电流Iin

（3）

（4）二次绕组匝数Ns

（4）

这里把NS取为4匝，再重新调整NP，得NP=5匝。这样推挽变压器的一次绕组为5T+5T，次级绕组为4T+4T，绕线采用0.2×35mm铜皮。
3.3 电压电流采集电路的设计
输出电压的稳压采用TL431与PC817实现，如图4所示。当输出电压达到29V，通过电阻分压在TL431基准端的电压为2.5V，这样TL431阴极电压开始下降，导致PC817的内部二极管流过正向电流，使PC817的输出三极管导通，将其发射级得到的电压反馈至SG3525A的1脚，进而调整SG3525A的输出PWM宽度，使输出电压稳定在29V。

图4 输出电压控制电路

电流采样是大电流充电器的关键技术之一。在本设计中采用环形电流互感器作为电流检测，其匝数比为1：100，不但达到精确的电流采样作用，还能使采样功耗控制在0.5 W以内。若是要求不是很严格的情况下，电流检测也可以使用5毫欧的锰铜线完成电流采样。
3.4 保护电路的设计
3.4.1过压保护电路
输入电压的过压保护是将输入电压经过电阻分压送入比较器的正相输入端，与比较器的反相输入基准电压进行比较，当输入电压高于设定值，比较器输出的高电平送至SG3525A的关断保护引脚（10脚），使SG3525A没有输出信号，达到保护作用。

图5 过压保护电路

3.4.2过流保护电路
将高频变压器输出的电流经采样电阻后产生的采样电压经电容滤波后，送至比较器的正相输入端，与比较器的反相输入基准电压进行比较，当输入电压高于设定值，比较器输出的高电平送至SG3525A的软启动功能端（8脚）电容上并接的三极管的基极，使三极管导通强制将SG3525A的8脚电压拉低，使其停止输出驱动信号，从而实现保护作用。

图6 过流保护电路

4 充电控制策略
4.1 充电策略
在充电的过程中，充电电流/电压曲线如图7所示。

图7 充电电流/电压曲线

充电器开始工作后，首先检测蓄电池的电池电压，若电池电压低于10.5V，说明蓄电池曾经过度放电，为避免对蓄电池充电电流过大，造成热失控，对蓄电池实行稳定小电流涓流充电，激活蓄电池。
1）恒流充电
当电池电压上升到能接受大电流充电的阈值时，则转入恒流充电阶段。大电流恒流充电阶段，蓄电池所能接受的比较合理的电流为电池容量的十分之一，因此设计中在此阶段采用20A的电流恒流充电。在恒流充电状态下，不断检测电池端电压，当电池电压达到饱和电压29V时，恒流充电状态终止并转为恒压充电。
2）恒压充电
恒压充电时，通过PWM调节，使充电电压保持不变，充电电流开始逐渐下降，当充电电流下降到恒流状态下充电电流的1/10时，即2A时，终止恒压充电转为涓流充电。
3）涓流充电
涓流充电时蓄电池的充电电压也必须保持一个恒定值，这里选择充电电压恒为27.2V。在该电压下，充入的电量应足以补偿蓄电池由于自放电而损失的能量。此时基本标志着充电过程的结束。
4. 2 充电结束控制
蓄电池在充满电后，如果不及时停止充电，电池的温度将迅速上升。温度的升高将加速蓄电池板栅腐蚀速度及电解液的分解，从而缩短电池寿命、容量下降。为了保证电池充足电又不过充电，采用定时控制。采用CD4060作为定时器，当采样到充电电流小于2A，定时器就开始计时，当定时时间到强迫停止充电。并且转为卸荷状态，将风力发电多余的电能通过卸荷器卸放掉。
5 样机测试结果与分析
样机测试结果如图8、9所示。图8为风力发电机189转时推挽变换器两个开关管的栅极驱动电压波形，波形中纵轴坐标为10V/div，此时风机发出的交流电经整流后的直流电压为50V左右，输出电压29V。

图8 开关管栅极电压波形

图9为风力发电机120转时，推挽变换器开关管漏极与源极之间的电压波形，此时风机输出的直流电压大约40V，波形图中纵坐标为20V/div。设计中在开关管的两端均加了吸收电路，致使漏源电压波形的尖峰电压较小，

图9 开关管漏源电压波形

6 结束语
随着风力发电的发展，储能蓄电池的充电不但要求能够快速充电，而且也要求尽可能的延长电池的使用寿命。有关资料显示采用合适的充电方式, 可以提高电池的使用寿命大约20%~30%。本设计采用以SG3525A为核心控制电路设计的三段式大功率智能充电器，不但能够在风力发电输出电压较宽的范围内实现对蓄电池进行安全、高效的充电，而且通过智能控制能够有效保护电池，延长其使用寿命。

参考文献

[1] 刘春霞，刘立群.分布式风力发电LED照明系统控制策略研究[J].太原科技大学学报，2009，30（4）：275-279.
[2]桂长清.阀控密封铅蓄电池的充电和放电[J]. 通信电源技术，2006，23（3）：73-75.
[3] 蔚兰，岳燕，吴国祥.一种新型智能铅酸蓄电池充放电装置的设计[J].蓄电池，2008（4）：175-178.
[4] 胡菊芳，潘永雄，熊春如等.基于P89LPC933 的大功率智能充电器的设计[J].电子技术应用，2007（12）：152-155.
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