蓄電池充電技術(shù)研究

1、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(chē)、航空航天等各個(gè)部門(mén)。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(lèi)。 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(chēng)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

2、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

3、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(kāi)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

4、便開(kāi)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)?PbO2，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(chē)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

5、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(kāi)關(guān)充電電源方框圖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)

6、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

7、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(kāi) 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

8、。 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

9、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??； 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)

10、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：（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

11、 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

12、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(zhuān)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

13、方法的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在： 不需溫度補(bǔ)償； 電池不需連續(xù)浮充電，電池間連線腐蝕減少； 不同型號(hào)和使用情況的電池可構(gòu)成一組使用； 可以隨意添加電池以便擴(kuò)容； 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(kāi)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