蓄電池充電技術研究

1引言

蓄電池具有電壓穩(wěn)定、供電可靠、移動方便等優(yōu)點，它廣泛地應用于發(fā)電廠、變電站、通信系統(tǒng)、電動汽車、航空航天等各個部門。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、維護復雜、所產生的酸霧污染環(huán)境等問題，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構，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，正常運行時無須對電解液進行檢測和調酸加水，又稱為免維護蓄電池。它已被廣泛地應用到郵電通信、船舶交通、應急照明等許多領域。堿性鎘鎳蓄電池的特點是體積小、放電倍率高、運行維護簡單、壽命長，但由于它單體電壓低、易漏電、造價高且容易對環(huán)境造成污染，因而其使用受到限制，目前主要應用在電動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、負極板都由板柵和活性物質構成，其中正極板上的活性物質是棕色的二氧化鉛（PbO2），負極板上的活性物質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。在充電過程中，電解液與正、負極板上的活性物質發(fā)生化學反應，從而把電能變成化學能貯存起來；在放電過程中，電解液也與正、負極板上的活性物質發(fā)生化學反應，把貯存在蓄電池內的化學能轉換成電能供給負載。為了使化學反應能正常進行，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械強度。

在蓄電池正、負極板之間接入負載，便開始了蓄電池的放電過程。此時，正極板電位下降，負極板電位上升，正負極板上的活性物質(PbO2和Pb)都不斷地轉變?yōu)榱蛩徙U(PbSO4)，電解液中的硫酸逐漸轉變?yōu)樗?，電解液比重逐漸下降，從而使蓄電池內阻增加、電動勢降低。如果在蓄電池的正、負極板之間接入輸出電壓比蓄電池端電壓高的直流電源，蓄電池的充電過程便開始了。此時，正極板電位因正電荷聚集而上升，負極板電位因負電荷聚集而下降，正極板上的PbSO4逐漸變?yōu)镻bO2，負極板上的PbSO4逐漸變?yōu)楹＞d狀Pb。同時，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

常規(guī)充電的方法采用小電流慢充方式，對新的鉛酸蓄電池初充電需70h以上，進行普通充電也需10h以上。充電時間太長，不但會拉長充電監(jiān)測的時間、造成電能的浪費，還限制了蓄電池的循環(huán)利用次數(shù)，并增加維護工作量。此外，對于像電動汽車等要求蓄電池連續(xù)供電的場合，使用起來很不方便。而采用快速充電方法，可以縮短蓄電池的充電時間，提高充電效率，節(jié)約能源，并更好地滿足工業(yè)應用的需要，具有重大的現(xiàn)實意義。

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高頻開關充電電源方框圖

20世紀60年代中期，美國科學家馬斯對蓄電池充電過程中的出氣問題作了大量的試驗研究工作，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，在充電過程中，只要充電電流不超過蓄電池可接受的電流，蓄電池內部就不會產生大量的氣泡。而常規(guī)充電一般采用先恒流、后恒壓的兩階段充電法，在充電過程初期，充電電流遠遠小于蓄電池可接受的充電電流，因而充電時間大大延長；充電過程后期，充電電流又大于蓄電池可接受電流，因而蓄電池內產生大量的氣泡。但是，如果在整個充電過程中能使實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。這就是快速充電的基本理論依據。然而，在充電過程中，蓄電池中產生的極化電壓會阻礙其本身的充電，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，要想實現(xiàn)快速充電，必須設法消除極化電壓對蓄電池充電的影響。從極化電壓的形成機理可以推知，極化電壓的大小是緊隨充電電流的變化而改變的。當停止充電時，電阻極化消失，濃差極化和電化學極化亦逐漸減弱；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極化將迅速消失，同時蓄電池內溫度也因放電而降低。因此，在蓄電池充電過程中，適時地暫停充電，并且適當?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所示開關充電電源可有效地實現(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、浮充三階段的自動轉換，從放電狀態(tài)到充電狀態(tài)的自動轉換，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、浮充各階段的自動轉換

目前，國內大部分充電電源仍采用主充、均充、浮充三階段充電法實現(xiàn)對蓄電池的充電。充電各階段的自動轉換方法有：

（1）時間控制，即預先設定各階段充電時間，由時

間繼電器或CPU控制轉換時刻；

（2）設定轉換點的充電電流或蓄電池端電壓值，

當實際電流或電壓值達到設定值時，即自動轉換；

（3）采用積分電路在線監(jiān)測蓄電池的容量，當容

量達到一定值時，則發(fā)信號改變充電電流的大小。

上述方法中，時間控制比較簡單，但這種方法缺乏來自蓄電池的實時信息，控制比較粗略；容量監(jiān)控方法控制電路比較復雜，但控制精度較高。

3.2充電程度判斷

在對蓄電池進行充電時，必須隨時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

說，在充電初始階段，電池端電壓的變化率很?。辉诔潆姷闹虚g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，通過觀測單位時間內端電壓的變化情況，就可判斷蓄電池所處的充電階段；

（2）檢測蓄電池的實際容量值，并與其額定容量

值進行比較，即可判斷其充電程度；

（3）檢測蓄電池端電壓判斷。當蓄電池端電壓與

其額定值相差較大時，說明處于充電初期；當兩者差值很小時，說明已接近充滿。