蓄電池的充電技術(shù)

1、蓄電池充電技術(shù)研究 浙江大學(xué)電力電子技術(shù)國(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室趙異波 何湘寧（杭州310027） 株洲科信電力電子制造有限公司丁勁松（株洲412000）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)

2、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)

3、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(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娊庖罕戎刂饾u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

4、池的充電過(guò)程便開(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)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(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。而采用快速充電方法，可以縮短蓄電池的充電時(shí)間

5、，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)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)

6、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

7、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。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

8、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

9、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)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。

10、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)CdNi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。

11、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

12、滿后，一般在50mV100mV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： 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

13、、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，

14、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

15、速度和放電程度。帶定時(shí)三段式鉛酸電池充電器的特點(diǎn)是什么?（電動(dòng)車(chē)用）2006年10月30日 星期一 20:11普通三段式充電（以36V10Ah蓄電池為例），開(kāi)始以1.8A左右的電流恒流充電至43.2V（每個(gè)電池14.4/只），進(jìn)入恒壓充電，電流逐步減小，電壓逐漸上升到44.144.5V，當(dāng)電流降至0.350.40A時(shí)轉(zhuǎn)換到浮充充電，電壓41.442V恒壓充電直到取下充電器（或切斷充電供電電源），充電時(shí)間多數(shù)在812小時(shí)。充電容量為上次放電容量的104110%，實(shí)驗(yàn)表明12V鉛酸蓄電池電壓從14.0V左右開(kāi)始有微量氣體析出，至14.4V氣體析出速度加快，至14.8V有較多的氣體析出，主要析出氣體

16、是在14.8V以后（14.4V充電上升到14.8V時(shí)間約在30mm左右），有效控制好高電壓區(qū)的時(shí)間即可以有效控制氣體的析出從而減少失水量，減少發(fā)熱、變形等故障。 由于蓄電池在充放電過(guò)程中，蓄電池內(nèi)的電解液逐漸減少，氧循環(huán)復(fù)合電流加大，以及正極部分元素沉淀到負(fù)極降低了氣體析出過(guò)電位，并且會(huì)受到蓄電池溫度增高的影響，使充電的末期電流逐漸加大，有部分蓄電池可能出現(xiàn)充電末期電流以超過(guò)0.350.4A（轉(zhuǎn)換電流），使充電不轉(zhuǎn)換到浮充階段（不轉(zhuǎn)綠燈），一直以高電壓進(jìn)行充電，造成大量過(guò)充電，析出大量氣體，加大失水量，使蓄電池發(fā)生“熱失控”，變形等故障，高溫時(shí)尤其嚴(yán)重。充電不轉(zhuǎn)換到浮充階段（不轉(zhuǎn)綠燈），是普通

17、三段式充電器的最大缺陷，因此提出用高電壓限時(shí)充電來(lái)克服上述問(wèn)題。高電壓限時(shí)充電，開(kāi)始以1.8A左右的電流恒流充電至43.8V（每個(gè)電池14.4V左右），進(jìn)入恒壓充電，電流逐步減小，電壓逐漸上升至44.144.5V，當(dāng)電流減小到1.2A時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)，限制充電時(shí)間t(一般為3h左右)。到達(dá)設(shè)定時(shí)間t后強(qiáng)行轉(zhuǎn)換到浮充充電，同時(shí)當(dāng)電流降至0.35A0.40A時(shí)轉(zhuǎn)換到浮充充電，浮充電電壓41.442V恒壓充電直到取下充電器（或切斷充電供電電源）。高電壓限時(shí)充電限制時(shí)間t的確定方法：首先通過(guò)試驗(yàn)，取容量略大的蓄電池，將蓄電池放電到10.5V/只，再用恒壓14.714.8V/只，限流1.8A的方法進(jìn)行充電，

18、記錄充電電壓電流變化，測(cè)算出電流從1.2A降低到轉(zhuǎn)換電流（0.350.40A）的時(shí)間t1（一般在2.52.75小時(shí)），為保證充足電，所確定的時(shí)間t應(yīng)大于t1（取3小時(shí)為佳）。在正常情況下限時(shí)是不起作用的，只有當(dāng)蓄電池處于以下不良充電狀態(tài)下才起作用：A、高溫條件下，充電電流無(wú)法降低到轉(zhuǎn)換電流（0.350.40A）時(shí)，限時(shí)到限制時(shí)間t 時(shí)，強(qiáng)行轉(zhuǎn)換。B、蓄電池失水較多，蓄電池內(nèi)部氧復(fù)合電流過(guò)大，使充電電流無(wú)法降低到轉(zhuǎn)換電流（0.350.40A）時(shí)，限時(shí)到限制時(shí)間t時(shí)，強(qiáng)行轉(zhuǎn)換。C、由于充電器支行過(guò)程中數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，充電電壓增高，使充電電流無(wú)法降低到轉(zhuǎn)換電流（0.350.40A）時(shí)，限時(shí)到限制時(shí)間

19、t時(shí)，強(qiáng)行轉(zhuǎn)換。D、蓄電池內(nèi)部出現(xiàn)微短路等情況，使充電電流無(wú)法降低到轉(zhuǎn)換電流（0.350.40A）時(shí)，限時(shí)到限制時(shí)間t時(shí)，強(qiáng)行轉(zhuǎn)換。因此，該高電壓限時(shí)充電實(shí)際是在原有充電器的基礎(chǔ)上增加一道“保險(xiǎn)”，會(huì)大大降低蓄電池異常失水和發(fā)熱變形，不會(huì)影響充電飽和程度?？沙潆婋姵睾统潆娖骰A(chǔ)知識(shí)2006年10月30日 星期一 20:09日益發(fā)達(dá)的便攜式電子產(chǎn)品對(duì)可充電電池的容量和循環(huán)壽命等性能要求越來(lái)越高. 目前常用的有四大類(lèi), 鎳鎘電池和鉛酸免維護(hù)電池這兩類(lèi)在上世紀(jì)六十年代已經(jīng)普遍推廣, 鎳氫電池和鋰離子電池(含鋰聚合物電池)這兩大類(lèi)是近十年才大量商業(yè)化使用. 這四大類(lèi)電池各有所長(zhǎng), 下表給出了一個(gè)基本參

20、考, 不同電池生產(chǎn)廠家的具體數(shù)值可能有較大差別, 使用時(shí)咨詢生產(chǎn)廠家, 表中的數(shù)據(jù)僅供比較參考使用. 比較項(xiàng)目 鉛酸免維護(hù)電池(SLA) 鎳鎘電池(NICD) 鎳氫電池(NIMH) 鋰離子電池(LI-ION) 能量密度(Wh/kg) 304060100循環(huán)壽命(次)300 800 500 800工作溫度 (C)035045040050最大充電電流(A) 0.25C 2C 1C 1C充電方式恒流后恒壓 恒流恒流恒流后恒壓充電時(shí)間 (小時(shí)) C/A + 2 hours C/A + 20% C/A + 20% C/A 2表中C為電池的標(biāo)稱容量, 單位為AH(安時(shí)),A表示充電恒流電流人們當(dāng)然希望充電

21、器能在短時(shí)間內(nèi)充電完成, 但是由于電流大且控制難, 這在成本和技術(shù)方面都有一定程度的代價(jià)付出. 如果使用條件允許, 選用1014個(gè)小時(shí)左右充電結(jié)束的夜晚慢充型充電器會(huì)有價(jià)格低,體積小巧等優(yōu)點(diǎn).對(duì)于在線并連使用的SLA電池, 充電方式建議選用2.27V/單元(對(duì)應(yīng)12V電池為13.7V)恒壓充電, 這種方案既不會(huì)過(guò)充電池, 也有利于穩(wěn)定設(shè)備電壓. 對(duì)于要經(jīng)常離線充放電使用SLA電池的場(chǎng)合, 應(yīng)該使用先0.2C恒流, 再2.45V/單元恒壓, 電池充好后即時(shí)進(jìn)入2.27V/單元恒壓的三段式充電方法. 整個(gè)充電時(shí)間約為810小時(shí).NICD電池允許有一定電流的過(guò)充, 因此選用0.1C電流的簡(jiǎn)單恒流源充

22、電器可謂經(jīng)濟(jì)實(shí)惠.NIMH電池對(duì)過(guò)充電較為敏感, 即使用0.1C的電流, 如果充電超過(guò)14個(gè)小時(shí)或?qū)σ殉浜玫碾姵卦倮^續(xù)充幾個(gè)小時(shí), 對(duì)電池的壽命都有較大損害. 電池充好時(shí)應(yīng)及時(shí)關(guān)斷電流或?qū)⒊潆婋娏鹘档偷?.02C以下是非常重要的, 即使對(duì)0.1C的夜間慢充型NIMH充電器也是如此.最大充電電流達(dá)到2C左右的智能型快速充電器已經(jīng)有很多成功案例. 這類(lèi)充電器一般都必須在充電進(jìn)程的各階段隨時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓、溫度等參數(shù)，當(dāng)電池快要充滿電時(shí)自動(dòng)降低充電電流倍率，這樣可以將電池過(guò)充電引起的過(guò)溫過(guò)壓風(fēng)險(xiǎn)降到最低。NICD和NIMH兩類(lèi)電池的充電特性非常相似，只是NIMH電池在充電過(guò)程中發(fā)熱更多一些、峰值電壓更

23、不明顯一些。這兩類(lèi)電池在快速充電時(shí)都采用下面幾種條件之一來(lái)作為快充電終止的條件：包括電壓上升斜率（dV/dt)、電壓負(fù)增長(zhǎng)（-dV)和電池溫度上升斜率（dT/dt)。還有三個(gè)條件是設(shè)置為異常保護(hù)條件下進(jìn)行動(dòng)作的：最高電池溫度、最高電池電壓和充電器內(nèi)置定時(shí)器。要實(shí)現(xiàn)這些監(jiān)測(cè)和智能切換動(dòng)作，肯定要帶來(lái)充電器成本上升，但是如果沒(méi)有這些措施，電池將面臨著容量下降、循環(huán)壽命降低甚至漏液爆炸等安全隱患。LI-ION和SLA電池的充電方式較為相似，都要求先恒流再恒壓，區(qū)別是鋰離子電池對(duì)充電恒壓階段的電壓精度要求較高（1%)。由于鋰電池的安全性是一個(gè)致命的隱患，因此要求在充電結(jié)束控制和保護(hù)方面要特別小心。對(duì)于

24、不同的應(yīng)用場(chǎng)合，鋰離子電池包都會(huì)內(nèi)置有相應(yīng)的充放電保護(hù)電路, 以便更安全的保護(hù)電池不發(fā)生以外. 鉛酸蓄電池用三段式充電模式的缺陷摘要：分析了鉛酸蓄電池用三段式充電模式及其充電器忽略了電池的負(fù)溫度特性的缺陷，從充電器充電的波形和頻率出發(fā)，提出應(yīng)采用兼有常規(guī)性充電功能和修補(bǔ)性充電功能的多功能充電器，并給出了常規(guī)性充電階段和補(bǔ)充性充電階段的技術(shù)參數(shù)。 電動(dòng)自行車(chē)（以下簡(jiǎn)稱“EB”）產(chǎn)業(yè)的興起，對(duì)充電器提出了高要求。目前EB所配置充電器，多屬于傳統(tǒng)的三段式充電器，三段式充電器的充電模式是將充電過(guò)程分為恒流、恒壓、浮充三個(gè)充電階段，以我國(guó)EB采用較多的36V12Ah鉛酸蓄電池組為例，第一階段以1.8A的

25、恒定電流將電池充到約44.4V；第二階段將充電電流減小至約0.3A，再次將電池電壓充到44.4V；第三階段將電壓降至約41.4V，電流減至約50MA對(duì)電池進(jìn)行浮充。 從幾年來(lái)的使用情況看，三段式充電器暴露一些問(wèn)題。以下仍以36V12Ah鉛酸蓄電池組為例，談?wù)勅问匠潆娖鞯娜毕莺徒鉀Q方案。 1、三段式充電器忽略了電池的負(fù)溫度特性 三段式充電器充電參數(shù)的設(shè)定除受所配電池單體極板面積大小、電極特性、電解液密度等因素影響外,，還受蓄電池的環(huán)境溫度的影響，以36V蓄電池組為例，具體充電電壓與溫度的關(guān)系見(jiàn)表1 溫度/()恒壓充電電壓N浮充充電電壓N 046.2042.48 10 45.36 41.58 2

26、0 44.40 40.86 25 44.25 40.50 30 43.74 40.14 35 43.20 39.78 雖然一直以來(lái)，人們都明白電化學(xué)的溫度效應(yīng)是不能回避的，但卻在充電器問(wèn)題上忽略了。原因可以有很多，但特別應(yīng)在此指出的是：過(guò)去人們對(duì)蓄電池容量、壽命與溫度之間關(guān)系的感觸和認(rèn)識(shí)從來(lái)沒(méi)有象今天這樣直接和具體，須知，這是千萬(wàn)個(gè)EB用戶參與了“實(shí)驗(yàn)”的結(jié)果。 在我國(guó)幾乎所有的地區(qū)，使用無(wú)溫度補(bǔ)償?shù)某潆娖?，都?huì)對(duì)電池造成損害。夏季過(guò)充，冬季欠充，過(guò)充和欠充容易造成電池失水和硫酸鹽化，電池失水后，硫酸濃度提高，加劇了板極腐蝕，就更容易產(chǎn)生硫酸鹽化，硫酸鹽化的電池表現(xiàn)為更容易失水。這是一種連鎖反

27、應(yīng)。鉛酸電池硫酸鹽化是影響EB續(xù)駛里程和電池壽命的重要因素。 無(wú)溫度補(bǔ)嘗的充電器究竟對(duì)電池的損害有多大，目前還缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)蓄電池進(jìn)行定量分析要比定性分析復(fù)雜困難得多，但以下的數(shù)據(jù)可以參考：EB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鉛酸蓄電池的循環(huán)次數(shù)不得不少于350次，但實(shí)際上有相當(dāng)多的電池使用時(shí)間不到8個(gè)月，即循還次數(shù)不足240次。 充電器增加溫度補(bǔ)償功能并不困難，如只要將原基準(zhǔn)電壓改為具有負(fù)溫度系數(shù)特性的基準(zhǔn)電壓，一般就可以了。 2、三段式充電模式缺少修補(bǔ)性充電環(huán)節(jié) 三段式充電模式的恒流恒壓浮充三個(gè)充電階段，都是圍繞怎樣充滿電池來(lái)設(shè)計(jì)的，因此，這三個(gè)充電階段占用了全部充電時(shí)間，如36V12Ah電池組的充電電流通常

28、被設(shè)定為1.8A，有公式：12(安時(shí)）1.2（效率）8（小時(shí)）=1.8A。恰好能在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的8h內(nèi)將電池充滿，設(shè)計(jì)時(shí)就沒(méi)打算留出修補(bǔ)電池的時(shí)間，更何況三段式充電器一般也不具備修補(bǔ)電池的功能。 產(chǎn)業(yè)界向來(lái)有人認(rèn)為：我國(guó)的EB以采用鉛酸蓄電池為主，并且采取的是全動(dòng)力模式，如電池長(zhǎng)期不能達(dá)標(biāo)，我國(guó)的EB產(chǎn)業(yè)將可能有再次夭折的危險(xiǎn)。但技術(shù)界對(duì)此問(wèn)題的認(rèn)識(shí)是：要想鉛酸蓄電池達(dá)標(biāo)，除有待于電池本身的技術(shù)進(jìn)步外，采用充電與修補(bǔ)功能兼?zhèn)涞亩喙δ艹潆娖魇墙鉀Q問(wèn)題的有效途徑。因此，我們建議立即從以下兩方面入手對(duì)EB充電器進(jìn)行技術(shù)改造。一是將36V12Ah電池組的充電電流從1.8A提高到3A以上，用約4h的時(shí)間對(duì)電

29、池進(jìn)行常規(guī)性充電，留出4h以上時(shí)間對(duì)電池進(jìn)行修補(bǔ)性充電；二是給充電器增加對(duì)電池進(jìn)行修補(bǔ)性充電的功能。 3、關(guān)于充電的波形和頻率 充電器賴以對(duì)電池產(chǎn)生影響的是充電電壓、電流及其波形和頻率，其中，充電電壓主要與電池充得滿不滿有關(guān)，充電電流主要與充電充得快不快有關(guān)，而充電的波形和頻率則主要與充電充得好好不好有關(guān)，這里的“好不好”指得是電池的容量和壽命。實(shí)踐證明，以上三者雖各有側(cè)重，但其關(guān)系是相輔相成、不可忽略的。 充電器屬于電源技術(shù)領(lǐng)域，在充電過(guò)程中強(qiáng)調(diào)波形和頻率的作用是開(kāi)關(guān)電源出現(xiàn)以后的事，而三段式充電模式出現(xiàn)在線性電源時(shí)期，因此，三段式充電模式偏重于充電電壓和電流，缺少充電波形和頻率方面的內(nèi)容是

30、情有可原的。現(xiàn)在，EB配置的充電器全都是用開(kāi)關(guān)電源技術(shù)設(shè)計(jì)的，但卻仍采用三段式充電模式，這顯然是不相宜的，據(jù)我們調(diào)查和檢測(cè)，目前的EB充電器還不同程度地存在以下問(wèn)題： （1）輸出紋波太小。有的竟只有50mV，顯然這是將充電器當(dāng)成穩(wěn)壓電源來(lái)做了，也許這種紋波可以用來(lái)給鋰離子電池充電，但對(duì)于36V鉛酸蓄電池來(lái)說(shuō)，充電脈沖的幅值應(yīng)以1-2V為好。 （2）輸出連續(xù)三角波。這通常是正激式開(kāi)關(guān)電源充電器才有的波形，由于極化現(xiàn)象的存在，蓄電池忌諱用直流充電，包括連續(xù)三角波。常規(guī)性充電的最好波形是單端反激式開(kāi)關(guān)電源通常所輸出的下降型脈沖，尤其是緊接脈沖之后存在的一段休止時(shí)間，還可以消除鉛酸蓄電池因充電而產(chǎn)生的

31、電化學(xué)極化；比較而言，正激式開(kāi)關(guān)電源充電器的溫升雖然可以做得低一些，但其輸出波形不如反激式電源，不過(guò)這可以通過(guò)調(diào)整其輸出三角波的占空比來(lái)加以彌補(bǔ)。 （3）在充電器與電池之間串聯(lián)有一二極管。其目的可能是為了防止電池通過(guò)充電器放電，但這樣做是錯(cuò)誤的。充電就是需要又充電又放，邊充邊放，充多放少，哪怕放電只有充電的百分之一，也將會(huì)對(duì)抑制電池氣化和抬高氣化電壓等產(chǎn)生不可替代的作用。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，如能在每一常規(guī)性充電周期留出幾微秒和在修補(bǔ)性充電周期留出幾秒鐘用來(lái)放電，對(duì)消除鉛酸蓄電池在充電時(shí)產(chǎn)生的電化學(xué)極化和濃差極化，從而增加和延長(zhǎng)電池的容量和壽命將會(huì)有決定性意義。 （4）充電頻率單調(diào)。一個(gè)優(yōu)秀的充電器必須

32、具有多種充電模式：脈沖充電、負(fù)脈沖激活、變頻充電等模式，只有具備這些技術(shù)的充電器才能有效地去除電解液濃度極差、板柵硫酸鹽化和極化現(xiàn)象。脈沖充電、高頻充電以及變頻充電等充電技術(shù)，正在被越來(lái)越多地應(yīng)用在充電器上，可以預(yù)期，一種兼有常規(guī)性充電功能和修補(bǔ)性充電功能的多功能充電器必將替代功能單一的三段式充電器而成為EB的主流。 4、一種實(shí)用的EB多功能充電器的充電模式和參數(shù) 如將凡包含常規(guī)性充電功能和修補(bǔ)性充電功能的充電器統(tǒng)稱為多功能充電器，那么根據(jù)以兩種充電功能結(jié)合方式的不同，可以設(shè)計(jì)出多種模式的多功能充電器，但從EB的適用角度考慮，還是將以上兩種充電功能分開(kāi)來(lái)設(shè)計(jì)好，即將有限的充電時(shí)間劃分為兩個(gè)充電

33、時(shí)間段，前段時(shí)間用來(lái)完成常規(guī)性充電，后段時(shí)間用來(lái)進(jìn)行修補(bǔ)性充電。以下仍以36V 12Ah鉛酸蓄電池組為例，介紹一種實(shí)用的多功能充電器的充電模式和參數(shù)。 4、1常規(guī)性充電階段 （1）電源類(lèi)型：?jiǎn)味朔醇な介_(kāi)關(guān)電源； （2）滿輸出充電頻率：25kHz，即充電電源3A時(shí)的電源工作頻率； （3）充電波形：下降型三角脈沖； （4）脈沖幅度：約1.6V； （5）脈沖最大寬度：約25s； （6）充電休止時(shí)間：約15s； （7）放電電流：約50mA； （8）充電平均電流：3A； （9）充電峰值電流：約10A； （10）充電時(shí)間：約4h，即充電4h后，電池電壓應(yīng)上升到43.2V（常溫），容量已達(dá)75%以上； （1

34、1）減流轉(zhuǎn)折電壓：常溫下43.2V，該電壓為“氣化點(diǎn)電壓”，即在用直流充電的情況下，此時(shí)鉛酸電池的電解液已開(kāi)始大量氣化。以下轉(zhuǎn)入修補(bǔ)性充電階段。 4.2修補(bǔ)性充電階段 （1）線性減流及范圍：電池電壓上升到43.2V（常溫）時(shí)，充電電流開(kāi)始減小，減小的速率呈線性，平均充電電流從3A最終減為不小于0.3A，或峰值充電電流從約10A減為1A； （2）充電頻率變化范圍：線性減流時(shí)，隨著充電電流的減小，充電頻率開(kāi)始上升，其變化范圍為25-100kHz； （3）充電終止電壓：參見(jiàn)表1列出的“恒壓充電電壓”，該電壓相當(dāng)于“氣化點(diǎn)電壓”加約1.2V，當(dāng)電池電壓上升至該電壓時(shí)，充電器終止充電； （4）重起動(dòng)電壓

35、：參見(jiàn)表1列出的“浮充充電電壓”，終止充電后，電池電壓下降，當(dāng)降至重起動(dòng)電壓時(shí)，充電器將再次起動(dòng)將電池充到充電終止電壓，而后充電終止，電池電壓再次下降，充電將循環(huán)反重地進(jìn)行下去； （5）充電終止時(shí)間：終止充電后，電池電壓下降的時(shí)間起先較快，約幾秒鐘，隨著時(shí)間推移，終止充電的時(shí)間會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)，可達(dá)幾分鐘以上； （6）修補(bǔ)性充電的延續(xù)時(shí)間：4h以上不限。鉛酸蓄電池用三段式充電模式的缺陷摘要：分析了鉛酸蓄電池用三段式充電模式及其充電器忽略了電池的負(fù)溫度特性的缺陷，從充電器充電的波形和頻率出發(fā)，提出應(yīng)采用兼有常規(guī)性充電功能和修補(bǔ)性充電功能的多功能充電器，并給出了常規(guī)性充電階段和補(bǔ)充性充電階段的技術(shù)參數(shù)。

36、 電動(dòng)自行車(chē)（以下簡(jiǎn)稱“EB”）產(chǎn)業(yè)的興起，對(duì)充電器提出了高要求。目前EB所配置充電器，多屬于傳統(tǒng)的三段式充電器，三段式充電器的充電模式是將充電過(guò)程分為恒流、恒壓、浮充三個(gè)充電階段，以我國(guó)EB采用較多的36V12Ah鉛酸蓄電池組為例，第一階段以1.8A的恒定電流將電池充到約44.4V；第二階段將充電電流減小至約0.3A，再次將電池電壓充到44.4V；第三階段將電壓降至約41.4V，電流減至約50MA對(duì)電池進(jìn)行浮充。 從幾年來(lái)的使用情況看，三段式充電器暴露一些問(wèn)題。以下仍以36V12Ah鉛酸蓄電池組為例，談?wù)勅问匠潆娖鞯娜毕莺徒鉀Q方案。 1、三段式充電器忽略了電池的負(fù)溫度特性 三段式充電器充電

37、參數(shù)的設(shè)定除受所配電池單體極板面積大小、電極特性、電解液密度等因素影響外,，還受蓄電池的環(huán)境溫度的影響，以36V蓄電池組為例，具體充電電壓與溫度的關(guān)系見(jiàn)表1 溫度/()恒壓充電電壓N浮充充電電壓N 046.2042.48 10 45.36 41.58 20 44.40 40.86 25 44.25 40.50 30 43.74 40.14 35 43.20 39.78 雖然一直以來(lái)，人們都明白電化學(xué)的溫度效應(yīng)是不能回避的，但卻在充電器問(wèn)題上忽略了。原因可以有很多，但特別應(yīng)在此指出的是：過(guò)去人們對(duì)蓄電池容量、壽命與溫度之間關(guān)系的感觸和認(rèn)識(shí)從來(lái)沒(méi)有象今天這樣直接和具體，須知，這是千萬(wàn)個(gè)EB用戶參與

38、了“實(shí)驗(yàn)”的結(jié)果。 在我國(guó)幾乎所有的地區(qū)，使用無(wú)溫度補(bǔ)償?shù)某潆娖?，都?huì)對(duì)電池造成損害。夏季過(guò)充，冬季欠充，過(guò)充和欠充容易造成電池失水和硫酸鹽化，電池失水后，硫酸濃度提高，加劇了板極腐蝕，就更容易產(chǎn)生硫酸鹽化，硫酸鹽化的電池表現(xiàn)為更容易失水。這是一種連鎖反應(yīng)。鉛酸電池硫酸鹽化是影響EB續(xù)駛里程和電池壽命的重要因素。 無(wú)溫度補(bǔ)嘗的充電器究竟對(duì)電池的損害有多大，目前還缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)蓄電池進(jìn)行定量分析要比定性分析復(fù)雜困難得多，但以下的數(shù)據(jù)可以參考：EB標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鉛酸蓄電池的循環(huán)次數(shù)不得不少于350次，但實(shí)際上有相當(dāng)多的電池使用時(shí)間不到8個(gè)月，即循還次數(shù)不足240次。 充電器增加溫度補(bǔ)償功能并不困難，

39、如只要將原基準(zhǔn)電壓改為具有負(fù)溫度系數(shù)特性的基準(zhǔn)電壓，一般就可以了。 2、三段式充電模式缺少修補(bǔ)性充電環(huán)節(jié) 三段式充電模式的恒流恒壓浮充三個(gè)充電階段，都是圍繞怎樣充滿電池來(lái)設(shè)計(jì)的，因此，這三個(gè)充電階段占用了全部充電時(shí)間，如36V12Ah電池組的充電電流通常被設(shè)定為1.8A，有公式：12(安時(shí)）1.2（效率）8（小時(shí)）=1.8A。恰好能在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的8h內(nèi)將電池充滿，設(shè)計(jì)時(shí)就沒(méi)打算留出修補(bǔ)電池的時(shí)間，更何況三段式充電器一般也不具備修補(bǔ)電池的功能。 產(chǎn)業(yè)界向來(lái)有人認(rèn)為：我國(guó)的EB以采用鉛酸蓄電池為主，并且采取的是全動(dòng)力模式，如電池長(zhǎng)期不能達(dá)標(biāo)，我國(guó)的EB產(chǎn)業(yè)將可能有再次夭折的危險(xiǎn)。但技術(shù)界對(duì)此問(wèn)題的認(rèn)

40、識(shí)是：要想鉛酸蓄電池達(dá)標(biāo)，除有待于電池本身的技術(shù)進(jìn)步外，采用充電與修補(bǔ)功能兼?zhèn)涞亩喙δ艹潆娖魇墙鉀Q問(wèn)題的有效途徑。因此，我們建議立即從以下兩方面入手對(duì)EB充電器進(jìn)行技術(shù)改造。一是將36V12Ah電池組的充電電流從1.8A提高到3A以上，用約4h的時(shí)間對(duì)電池進(jìn)行常規(guī)性充電，留出4h以上時(shí)間對(duì)電池進(jìn)行修補(bǔ)性充電；二是給充電器增加對(duì)電池進(jìn)行修補(bǔ)性充電的功能。 3、關(guān)于充電的波形和頻率 充電器賴以對(duì)電池產(chǎn)生影響的是充電電壓、電流及其波形和頻率，其中，充電電壓主要與電池充得滿不滿有關(guān)，充電電流主要與充電充得快不快有關(guān)，而充電的波形和頻率則主要與充電充得好好不好有關(guān)，這里的“好不好”指得是電池的容量和壽命

41、。實(shí)踐證明，以上三者雖各有側(cè)重，但其關(guān)系是相輔相成、不可忽略的。 充電器屬于電源技術(shù)領(lǐng)域，在充電過(guò)程中強(qiáng)調(diào)波形和頻率的作用是開(kāi)關(guān)電源出現(xiàn)以后的事，而三段式充電模式出現(xiàn)在線性電源時(shí)期，因此，三段式充電模式偏重于充電電壓和電流，缺少充電波形和頻率方面的內(nèi)容是情有可原的?，F(xiàn)在，EB配置的充電器全都是用開(kāi)關(guān)電源技術(shù)設(shè)計(jì)的，但卻仍采用三段式充電模式，這顯然是不相宜的，據(jù)我們調(diào)查和檢測(cè)，目前的EB充電器還不同程度地存在以下問(wèn)題： （1）輸出紋波太小。有的竟只有50mV，顯然這是將充電器當(dāng)成穩(wěn)壓電源來(lái)做了，也許這種紋波可以用來(lái)給鋰離子電池充電，但對(duì)于36V鉛酸蓄電池來(lái)說(shuō)，充電脈沖的幅值應(yīng)以1-2V為好。 （2）輸出連續(xù)三角波。這通常是正激式開(kāi)關(guān)電源充電器才有的波形，由于極化現(xiàn)象的存在，蓄電池忌諱用直流充電，包括連續(xù)三角波。常規(guī)性充電的最好波形是單端反激式開(kāi)關(guān)電源通常所輸出的下降型脈沖，尤其是緊接脈沖之后存在的一段休止時(shí)間，還可以消除鉛酸蓄電池因充