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，正常運(yùn)行時(shí)無須對(duì)電解液進(jìn)行檢測和調(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)簡單、壽命長，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；在放電過程中，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，不但會(huì)拉長充電監(jiān)測的時(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(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

20世紀(jì)60年代中期，美國科學(xué)家馬斯對(duì)蓄電池充電過程中的出氣問題作了大量的試驗(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，在充電過程中，只要充電電流不超過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；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(nèi)產(chǎn)生大量的氣泡。但是，如果在整個(gè)充電過程中能使實(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)間控制比較簡單，但這種方法缺乏來自蓄電池的實(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

說，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，通過觀測單位時(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)，說明處于充電初期；當(dāng)兩者差值很小時(shí)，說明已接近充滿。