蓄電池充電技術(shù)研究

1引言

蓄電池具有電壓穩(wěn)定、供電可靠、移動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn)，它廣泛地應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站、通信系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、航空航天等各個(gè)部門。蓄電池主要有普通鉛酸蓄電池、堿性鎘鎳蓄電池以及閥控式密封鉛酸蓄電池三類。普通鉛酸蓄電池由于具有使用壽命短、效率低、維護(hù)復(fù)雜、所產(chǎn)生的酸霧污染環(huán)境等問(wèn)題，其使用范圍很有限，目前已逐漸被閥控式密封鉛酸蓄電池所淘汰。閥控式密封鉛酸蓄電池整體采用密封結(jié)構(gòu)，不存在普通鉛酸蓄電池的氣漲、電解液滲漏等現(xiàn)象，使用安全可靠、壽命長(zhǎng)，正常運(yùn)行時(shí)無(wú)須對(duì)電解液進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)酸加水，又稱為免維護(hù)蓄電池。它已被廣泛地應(yīng)用到郵電通信、船舶交通、應(yīng)急照明等許多領(lǐng)域。堿性鎘鎳蓄電池的特點(diǎn)是體積小、放電倍率高、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)，但由于它單體電壓低、易漏電、造價(jià)高且容易對(duì)環(huán)境造成污染，因而其使用受到限制，目前主要應(yīng)用在電動(dòng)工具及各種便攜式電子裝置上。

普通鉛酸蓄電池主要由極板組、電解液和電池槽等部分組成。正、負(fù)極板都由板柵和活性物質(zhì)構(gòu)成，其中正極板上的活性物質(zhì)是棕色的二氧化鉛(PbO2)，負(fù)極板上的活性物質(zhì)為深灰色的海綿狀純鉛(Pb)。電解液是用蒸餾水(H2O)和純硫酸(H2SO4)按一定的比例配成的。在充電過(guò)程中，電解液與正、負(fù)極板上的活性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而把電能變成化學(xué)能貯存起來(lái);在放電過(guò)程中，電解液也與正、負(fù)極板上的活性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，把貯存在蓄電池內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能供給負(fù)載。為了使化學(xué)反應(yīng)能正常進(jìn)行，電解液必須具有一定的濃度。電池槽是極板組和電解液的容器，它必須具有較好的耐酸性能、絕緣性能和較高的機(jī)械強(qiáng)度。

在蓄電池正、負(fù)極板之間接入負(fù)載，便開始了蓄電池的放電過(guò)程。此時(shí)，正極板電位下降，負(fù)極板電位上升，正負(fù)極板上的活性物質(zhì)(PbO2和Pb)都不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徙U(PbSO4)，電解液中的硫酸逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗?，電解液比重逐漸下降，從而使蓄電池內(nèi)阻增加、電動(dòng)勢(shì)降低。如果在蓄電池的正、負(fù)極板之間接入輸出電壓比蓄電池端電壓高的直流電源，蓄電池的充電過(guò)程便開始了。此時(shí)，正極板電位因正電荷聚集而上升，負(fù)極板電位因負(fù)電荷聚集而下降，正極板上的PbSO4逐漸變?yōu)镻bO2，負(fù)極板上的PbSO4逐漸變?yōu)楹＞d狀Pb。同時(shí)，電解液中H2SO4合成逐漸增多，水分子逐漸減少，電解液比重逐漸增加，蓄電池端電壓也不斷提高。

2蓄電池快速充電技術(shù)

常規(guī)充電的方法采用小電流慢充方式，對(duì)新的鉛酸蓄電池初充電需70h以上，進(jìn)行普通充電也需10h以上。充電時(shí)間太長(zhǎng)，不但會(huì)拉長(zhǎng)充電監(jiān)測(cè)的時(shí)間、造成電能的浪費(fèi)，還限制了蓄電池的循環(huán)利用次數(shù)，并增加維護(hù)工作量。此外，對(duì)于像電動(dòng)汽車等要求蓄電池連續(xù)供電的場(chǎng)合，使用起來(lái)很不方便。而采用快速充電方法，可以縮短蓄電池的充電時(shí)間，提高充電效率，節(jié)約能源，并更好地滿足工業(yè)應(yīng)用的需要，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1蓄電池可接受的充電電流曲線

圖2脈沖快速充電曲線

圖3高頻開關(guān)充電電源方框圖

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20世紀(jì)60年代中期，美國(guó)科學(xué)家馬斯對(duì)蓄電池充電過(guò)程中的出氣問(wèn)題作了大量的試驗(yàn)研究工作，提出了以最低出氣率為前提的蓄電池可接受的充電電流曲線，如圖1所示[1]。從圖中可以看出，在充電過(guò)程中，只要充電電流不超過(guò)蓄電池可接受的電流，蓄電池內(nèi)部就不會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡。而常規(guī)充電一般采用先恒流、后恒壓的兩階段充電法，在充電過(guò)程初期，充電電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于蓄電池可接受的充電電流，因而充電時(shí)間大大延長(zhǎng);充電過(guò)程后期，充電電流又大于蓄電池可接受電流，因而蓄電池內(nèi)產(chǎn)生大量的氣泡。但是，如果在整個(gè)充電過(guò)程中能使實(shí)際充電電流始終等于或接近于蓄電池可接受的充電電流，則充電速度就可大大加快，而且出氣率也可控制在很低的范圍內(nèi)。這就是快速充電的基本理論依據(jù)。然而，在充電過(guò)程中，蓄電池中產(chǎn)生的極化電壓會(huì)阻礙其本身的充電，并且使出氣率和溫升顯著升高，因此，極化電壓是影響充電速度的重要因素。由此可知，要想實(shí)現(xiàn)快速充電，必須設(shè)法消除極化電壓對(duì)蓄電池充電的影響。從極化電壓的形成機(jī)理可以推知，極化電壓的大小是緊隨充電電流的變化而改變的。當(dāng)停止充電時(shí)，電阻極化消失，濃差極化和電化學(xué)極化亦逐漸減弱;而如果為蓄電池提供一條放電通道讓其反向放電，則濃差極化和電化學(xué)極化將迅速消失，同時(shí)蓄電池內(nèi)溫度也因放電而降低。因此，在蓄電池充電過(guò)程中，適時(shí)地暫停充電，并且適當(dāng)?shù)丶尤敕烹娒}沖，就可迅速而有效地消除各種極化電壓，從而提高充電速度。目前，大家比較認(rèn)同的快速充電方法是脈沖充電、脈沖放電去極化方法。圖2為脈沖充電、脈沖放電去極化快速充電的波形圖。研究表明，利用如圖3所示開關(guān)充電電源可有效地實(shí)現(xiàn)蓄電池脈沖快速充電。

3充電控制方法

充電控制主要包括主充、均充、浮充三階段的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，從放電狀態(tài)到充電狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，充電程序判斷及停充控制等方面。掌握正確的控制方法，有利于提高蓄電池充電效率和使用壽命。

3.1主充、均充、浮充各階段的自動(dòng)轉(zhuǎn)換

目前，國(guó)內(nèi)大部分充電電源仍采用主充、均充、浮充三階段充電法實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充電。充電各階段的自動(dòng)轉(zhuǎn)換方法有：

(1)時(shí)間控制，即預(yù)先設(shè)定各階段充電時(shí)間，由時(shí)間繼電器或CPU控制轉(zhuǎn)換時(shí)刻;

(2)設(shè)定轉(zhuǎn)換點(diǎn)的充電電流或蓄電池端電壓值，當(dāng)實(shí)際電流或電壓值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，即自動(dòng)轉(zhuǎn)換;

(3)采用積分電路在線監(jiān)測(cè)蓄電池的容量，當(dāng)容量達(dá)到一定值時(shí)，則發(fā)信號(hào)改變充電電流的大小。

上述方法中，時(shí)間控制比較簡(jiǎn)單，但這種方法缺乏來(lái)自蓄電池的實(shí)時(shí)信息，控制比較粗略;容量監(jiān)控方法控制電路比較復(fù)雜，但控制精度較高。

3.2充電程度判斷

在對(duì)蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，必須隨時(shí)判斷蓄電池的充電程度，以便控制充電電流的大小。判斷充電程度的主要方法有：

(1)觀察蓄電池去極化后的端電壓變化。一般來(lái)說(shuō)，在充電初始階段，電池端電壓的變化率很小;在充電的中間階段，電池端電壓的變化率很大;在充電末期，端電壓的變化率極小[2]。因此，通過(guò)觀測(cè)單位時(shí)間內(nèi)端電壓的變化情況，就可判斷蓄電池所處的充電階段;

(2)檢測(cè)蓄電池的實(shí)際容量值，并與其額定容量值進(jìn)行比較，即可判斷其充電程度;

(3)檢測(cè)蓄電池端電壓判斷。當(dāng)蓄電池端電壓與其額定值相差較大時(shí)，說(shuō)明處于充電初期;當(dāng)兩者差值很小時(shí)，說(shuō)明已接近充滿。

3.3停充控制

當(dāng)蓄電池充足電后，必須適時(shí)地切斷充電電流，否則蓄電池將出現(xiàn)大量出氣、失水和溫升等過(guò)充反應(yīng)，直接危及蓄電池的使用壽命。因此，必須隨時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的充電狀況，保證電池充足電而又不過(guò)充電。主要的停充控制方法有：[!--empirenews.page--]

(1)定時(shí)控制采用恒流充電法時(shí)，電池所需充電時(shí)間可根據(jù)電池容量和充電電流的大小很容易地確定，因此只要預(yù)先設(shè)定好充電時(shí)間，一旦時(shí)間一到，定時(shí)器即可發(fā)出信號(hào)停充或降為涓流充電。定時(shí)器可由時(shí)間繼電器充當(dāng)，或者由單片機(jī)承擔(dān)其功能。這種方法簡(jiǎn)單，但充電時(shí)間不能根據(jù)電池充電前狀態(tài)而自動(dòng)調(diào)整，因此實(shí)際充電時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)有時(shí)欠充、有時(shí)過(guò)充的現(xiàn)象;

(2)電池溫度控制對(duì)Cd?Ni電池而言，正常充電時(shí)，蓄電池的溫度變化并不明顯，但是，當(dāng)電池過(guò)充時(shí)，其內(nèi)部氣體壓力將迅速增大，負(fù)極板上氧化反應(yīng)使內(nèi)部發(fā)熱，溫度迅速上升(每分鐘可升高幾個(gè)攝氏度)。因此，觀察電池溫度的變化，即可判斷電池是否已經(jīng)充滿。通常采用兩只熱敏電阻分別檢測(cè)電池溫度和環(huán)境溫度，當(dāng)兩者溫差達(dá)到一定值時(shí)，即發(fā)出停充信號(hào)。由于熱敏電阻動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，故不能及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)到電池的滿充狀態(tài);

(3)電池端電壓負(fù)增量控制一般而言，當(dāng)電池充足電后，其端電壓將呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，據(jù)此可將電池電壓出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)的時(shí)刻作為停充時(shí)刻。與溫度控制法相比，這種方法響應(yīng)速度快，此外，電壓的負(fù)增量與電壓的絕對(duì)值無(wú)關(guān)，因此這種停充控制方法可適應(yīng)具有不同單格電池?cái)?shù)的蓄電池組充電。此方法的缺點(diǎn)是一般的檢測(cè)器靈敏度和可靠性不高，同時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，電池充足電后電壓的減小并不明顯，因而難以控制;

(4)利用極化電壓控制通常情況下，蓄電池的極化電壓出現(xiàn)在電池剛好充滿后，一般在50mV～100mV數(shù)量級(jí)，采用有關(guān)專利技術(shù)[3]來(lái)測(cè)量每個(gè)單格電池的極化電壓，這樣就使每個(gè)電池都可充電到它本身所要求的程度。研究表明，由于每個(gè)電池在幾何結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)及電學(xué)特性等方面至少存在一些輕微的差別，那么根據(jù)每個(gè)單格電池的特性來(lái)確定它所要求的充電水平會(huì)比把蓄電池組作為一個(gè)整體來(lái)控制的方法更加合適一些。這種方法的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：

①不需溫度補(bǔ)償;

②電池不需連續(xù)浮充電，電池間連線腐蝕減少;

③不同型號(hào)和使用情況的電池可構(gòu)成一組使用;

④可以隨意添加電池以便擴(kuò)容;

⑤每個(gè)電池都可用到不能再用，而其壽命不會(huì)縮短。

4結(jié)論

蓄電池充電技術(shù)的改進(jìn)，有利于縮短充電時(shí)間、提高利用效率、延長(zhǎng)使用壽命、降低能耗、減少環(huán)境污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。根據(jù)蓄電池可接受充電電流曲線，只要采用適當(dāng)方法對(duì)電池實(shí)行去極化，實(shí)現(xiàn)蓄電池的快速充電是可能的。研究表明，脈沖充電、脈沖放電去極化充電法是一種較好的快速充電方法，而實(shí)現(xiàn)這一方法的最佳裝置是高頻開關(guān)充電電源。蓄電池的充電控制包括各個(gè)充電階段的自動(dòng)轉(zhuǎn)換、充電程度判斷以及停充控制等三個(gè)方面。蓄電池充放電的時(shí)間、速度、程度等都會(huì)對(duì)蓄電池的充電效率和使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此在對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電時(shí)，必須把握以下原則：

(1)避免蓄電池充電過(guò)量或充電不足過(guò)充會(huì)使

蓄電池內(nèi)部溫升過(guò)大、出氣率上升，導(dǎo)致正極板損壞，從而影響電池的穩(wěn)定性乃至壽命;欠充電會(huì)使負(fù)極板硫化，蓄電池內(nèi)阻增大，容量降低。因此一定要掌握好蓄電池的充電程度;

(2)控制放電電流值即放電速度蓄電池放電電

流越大，再充電時(shí)可接受的初始充電電流值也越大，有助于提高再充電的速度。但是，蓄電池放電電流流經(jīng)內(nèi)阻時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)引起溫度上升，因而放電電流不宜過(guò)大;

(3)避免深度放電根據(jù)蓄電池充電電流接受比

第一定律[1]，對(duì)于任意給定的放電電流來(lái)說(shuō)，蓄電池充電電流接受比與它已放出的電荷量的平方根成反比，因此放電深度越大，蓄電池放出的電量越多，蓄電池可接受的充電電流就越小，這將減慢蓄電池的充電速度;

(4)注意環(huán)境溫度的影響蓄電池的放電電量隨

環(huán)境溫度的降低而減小，因此在不同的環(huán)境溫度下，應(yīng)該掌握不同的放電速度和放電程度。