power-sonic蓄电池充电方法的研究
2026-05-26 14:48:01 点击： 次
摘要：针对蓄电池的特色，研讨了蓄电池充放电进程中的极化现象，提出和分析了几种充电办法，并展望了其发展前景。
铅酸蓄电池因为其制形成本低，容量大，价格低价而得到了广泛的运用。可是，若运用不当，其寿数将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿数的因素许多，而选用正确的充电办法，能有效延伸蓄电池的运用寿数。
研讨发现：电池充电进程对电池寿数影响最大，放电进程的影响较少。也便是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。由此可见，一个好的充电器对蓄电池的运用寿数具有举足轻重的作用。
1 蓄电池充电理论基础
上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电进程作了很多的试验研讨，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可承受的充电曲线，如图1所示。实验表明，假如充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时刻，并且对电池的容量和寿数也没有影响。原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，然后奠定了快速充电办法的研讨方向[1，2]。
图1最佳充电曲线
由图1可以看出：初始充电电流很大，可是衰减很快。首要原因是充电进程中发生了极化现象。在密封式蓄电池充电进程中，内部发生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（正极板发生氧气），使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。
蓄电池是可逆的。其放电及充电的化学反响式如下：
PbO2＋Pb＋2H2SO4
2PbSO4＋2H2O （1）
很显然，充电进程和放电进程互为逆反响。可逆进程便是热力学的平衡进程，为保证电池可以一直坚持在平衡状况之下充电，有必要尽量使经过电池的电流小一些。理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。可是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压有必要增大到必定数值才行,而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的不同而在不同程度上超越了蓄电池的平衡电动势值。在化学反响中，这种电动势超越热力学平衡值的现象，便是极化现象。
一般来说，发生极化现象有3个方面的原因。
1）欧姆极化 充电进程中，正负离子向两极搬迁。在离子搬迁进程中不行避免地遭到必定的阻力，称为欧姆内阻。为了战胜这个内阻，外加电压就有必要额定施加必定的电压，以战胜阻力推进离子搬迁。该电压以热的办法转化给环境，出现所谓的欧姆极化。跟着充电电流急剧加大，欧姆极化将形成蓄电池在充电进程中的高温。
2）浓度极化 电流流过蓄电池时，为坚持正常的反响，最理想的情况是电极外表的反响物能及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生成物和反响物的扩散速度远远比不上化学反响速度，然后形成极板邻近电解质溶液浓度发生变化。也便是说，从电极外表到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。这种现象称为浓度极化。
3）电化学极化 这种极化是因为电极上进行的电化学反响的速度，落后于电极上电子运动的速度形成的。例如：电池的负极放电前，电极外表带有负电荷，其邻近溶液带有正电荷，两者处于平衡状况。放电时，立即有电子释放给外电路。电极外表负电荷削减，而金属溶解的氧化反响进行缓慢Me－e→Me＋，不能及时补充电极外表电子的削减，电极外表带电状况发生变化。这种外表负电荷削减的状况促进金属中电子脱离电极，金属离子Me＋转入溶液，加速Me－e→Me＋反响进行。总有一个时刻，到达新的动态平衡。但与放电前相比，电极外表所带负电荷数目削减了，与此对应的电极电势变正。也便是电化学极化电压变高，然后严重阻止了正常的充电电流。同理，电池正极放电时，电极外表所带正电荷数目削减，电极电势变负。
这3种极化现象都是跟着充电电流的增大而严重。
2 充电办法的研讨
2.1 惯例充电法
惯例充电制度是根据1940年前国际公认的经验规则设计的。其间最著名的便是“安培小时规则”：充电电流安培数，不该超越蓄电池待充电的安时数。实际上，惯例充电的速度被蓄电池在充电进程中的温升和气体的发生所约束。这个现象对蓄电池充电所有必要的最短时刻具有重要意义。
一般来说，惯例充电有以下3种。
2.1.1 恒流充电法
恒流充电法是用调整充电设备输出电压或改变与蓄电池串联电阻的办法，坚持充电电流强度不变的充电办法，如图2所示。操控办法简略，但因为电池的可承受电流才能是跟着充电进程的进行而逐步下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，发生气体，使出气过甚，因而，常选用阶段充电法。
图2 恒流充电曲线
2.1.2 阶段充电法
此办法包含二阶段充电法和三阶段充电法。
1）二阶段法 选用恒电流和恒电压相结合的快速充电办法，如图3所示。首先，以恒电流充电至预订的电压值，然后，改为恒电压完结剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压便是第二阶段的恒电压。
图3 二阶段法曲线
2）三阶段充电法 在充电开端和结束时选用恒电流充电，中心用恒电压充电。当电流衰减到预订值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种办法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电办法运用，遭到必定的约束。
2.1.3 恒压充电法
充电电源的电压在悉数充电时刻里坚持稳定的数值，跟着蓄电池端电压的逐步升高，电流逐步削减。与恒流充电法相比，其充电进程更接近于最佳充电曲线。用稳定电压快速充电，如图4所示。因为充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，跟着充电的进行，电流将逐步削减，因而，只需简易操控系统。
图4 恒压充电法曲线
这种充电办法电解水很少，避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿数形成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，形成电池作废。
鉴于这种缺陷，恒压充电很少运用，只有在充电电源电压低而电流大时选用。例如，轿车运转进程中，蓄电池便是以恒压充电法充电的。
2.2 快速充电技能
为了可以最大极限地加快蓄电池的化学反响速度，缩短蓄电池到达满充状况的时刻，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，进步蓄电池运用效率。快速充电技能近年来得到了迅速发展。
下面介绍现在比较盛行的几种快速充电办法。这些办法都是围绕着最佳充电曲线进行设计的，意图便是使其充电曲线尽可能地逼进最佳充电曲线。
2.2.1 脉冲式充电法
这种充电法不只遵循蓄电池固有的充电承受率，并且可以进步蓄电池充电承受率，然后打破了蓄电池指数充电承受曲线的约束，这也是蓄电池充电理论的新发展。
脉冲充电办法首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时刻，如此循环，如图5所示。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反响发生的氧气和氢气有时刻重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化天然而然地得到消除，然后减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电可以愈加顺畅地进行，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响时刻，削减了析气量，进步了蓄电池的充电电流承受率[5]。
图5 脉冲式充电曲线
2.2.2 ReflexTM快速充电法
这种技能是美国的一项专利技能，它首要面对的充电对象是镍镉电池。因为它选用了新式的充电办法，解决了镍镉电池的回忆效应，因而，大大降低了蓄电池的快速充电的时刻。铅酸蓄电池的充电办法和对充电状况的检测办法与镍镉电池有很大的不同，但它们之间可以彼此学习[3]。
如图6所示，ReflexTM充电法的一个作业周期包含正向充电脉冲，反向瞬间放电脉冲，停充坚持3个阶段[3]。
图6 ReflexTM快速充电法
2.2.3 变电流间歇充电法
这种充电办法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，如图7所示。其特色是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段选用变电流间歇充电的办法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期选用定电压充电段，获得过充电量，将电池康复至彻底充电态。经过间歇停充，使蓄电池经化学反响发生的氧气和氢气有时刻重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化天然而然地得到消除，然后减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电可以愈加顺畅地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量[4]。
图7 变电流间歇充电曲线
2.2.4 变电压间歇充电法
在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法，如图8所示。与变电流间歇充电办法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。
图8 变电压间歇充电曲线
比较图7和图8，可以看出：图8愈加符合最佳充电的充电曲线。在每个恒电压充电阶段，因为是恒压充电，充电电流天然依照指数规则下降，符合电池电流可承受率跟着充电的进行逐步下降的特色[4]。
2.2.5 变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法
归纳脉冲充电法、ReflexTM快速充电法、变电流间歇充电法及变电压间歇充电法的优点，变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法得到发展运用。脉冲充电法充电电路的操控一般有两种：
1）脉冲电流的幅值可变，而PWM（驱动充放电开关管）信号的频率是固定的；
2）脉冲电流幅值固定不变，PWM信号的频率可调。
图9选用了一种不同于这两者的操控形式，脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定，PWM占空比可调，在此基础上参加间歇停充阶段，可以在较短的时刻内充进更多的电量，进步蓄电池的充电承受才能。
图9 波浪式间歇正负零脉冲快速充电
3 结语
铅酸蓄电池是现在世界上广泛运用的一种化学电源，该产品具有杰出的可逆性，电压特性平稳，运用寿数长，适用范围广，原材料丰厚（且可再生运用）及造价低价等优点。首要运用在交通运输，通信，电力，铁路，矿山，港口等国民经济各个部门，是社会生产经营活动中不行缺少的产品，具有宽广的发展前景。