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蓄電池全新的充電模式--自然平衡充電法

作者: 時(shí)間:2011-09-04 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

引言

發(fā)展中的民用電動(dòng)交通產(chǎn)品,是未來的最大市場(chǎng)。該市場(chǎng)能否獲得快速平穩(wěn)的發(fā)展,關(guān)鍵取決于電動(dòng)交通產(chǎn)品的運(yùn)行成本。其中圍繞著的幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo),如的單位儲(chǔ)能指標(biāo),循環(huán)使用壽命,放電后的充電是否安全、方便,環(huán)境溫度變化的適應(yīng)能力等,又是影響運(yùn)行成本的核心。以上任一個(gè)技術(shù)指標(biāo)的突破,都將會(huì)使蓄電池在電動(dòng)交通產(chǎn)品上的應(yīng)用,向前邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

1 蓄電池與充電技術(shù)

對(duì)于鉛酸、鎘鎳、鎳氫3類以水為溶劑的電解液蓄電池,為了使用上的安全、方便、長(zhǎng)壽命和免維護(hù),在全世界化學(xué)電源工作者數(shù)代人不懈的努力下,終于從大量的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了"內(nèi)部氧循環(huán)"的理論機(jī)制,使得該3類蓄電池所有的充放電反應(yīng),能在一個(gè)設(shè)計(jì)完好的帶閥控的密封容器中反復(fù)安全進(jìn)行。即蓄電池在充電和過充電期間,正電極析出的氧到達(dá)負(fù)電極后,能全部被負(fù)電極吸收還原,關(guān)系為i(O2析出)=i(O2還原),因而,蓄電池在長(zhǎng)期的充放電過程中,不會(huì)造成電解液中水的損耗,以此來保證蓄電池的循環(huán)使用壽命與充電的安全。這一理論,在能夠精確控制充電電流和其他充電副反應(yīng),同時(shí)使環(huán)境因素影響較小的情況下,顯然是正確的。遺憾的是,這個(gè)正確的理論,只是來自化學(xué)電源的研究者,長(zhǎng)期以來未被電路工作者真正理解和重視。由此造成蓄電池技術(shù)的發(fā)展領(lǐng)先于充電技術(shù)的發(fā)展,從而導(dǎo)致了今天我們?cè)趯?shí)際使用蓄電池時(shí),經(jīng)常出現(xiàn)電池未達(dá)到設(shè)計(jì)的使用壽命,就出現(xiàn)了性能下降甚至報(bào)廢的現(xiàn)象,針對(duì)蓄電池使用中存在的問題,我們用了8年的時(shí)間,對(duì)傳統(tǒng)的蓄電池恒流、恒壓充電技術(shù),以及由該技術(shù)發(fā)展延伸出來的分段恒流、限流恒壓等充電技術(shù),進(jìn)行了深入的分析與實(shí)驗(yàn),下面是我們對(duì)傳統(tǒng)充電技術(shù)的認(rèn)識(shí)。

恒流充電方式,顧名思義是指蓄電池放完電后,在充電恢復(fù)容量過程中,要求充電器根據(jù)電池的不同A?h數(shù),以某一確定的輸出電流對(duì)蓄電池進(jìn)行充電,該電流從蓄電池的充電開始到充電結(jié)束,始終是恒定不變的。

恒壓充電方式,顧名思義是指蓄電池放完電后,在充電恢復(fù)容量的過程中,要求充電器按不同種類的蓄電池,以某一確定的輸出電壓對(duì)蓄電池進(jìn)行的充電,該電壓從蓄電池的充電開始到充電結(jié)束,始終是恒定不變的。

以國(guó)內(nèi)外使用最多也最為普遍,研究分析也最為深刻的鉛酸蓄電池為例。請(qǐng)觀察一幅在研究閥控式鉛酸蓄電池技術(shù)方面,經(jīng)??吹胶陀玫降膱D1。這里我們要說明的是,這幅圖是專家們拋開日常環(huán)境溫度變化對(duì)蓄電池充電過程的影響,用經(jīng)過改進(jìn)的恒壓限流方法對(duì)蓄電池充電所獲得的。因是恒壓限流充電方式,所以代表電流變化的I線,起始段有一小段是限流值。代表電壓的V線起始段是一段很陡的上升線,更確切地講由于充電器的限流作用應(yīng)是電壓的下跌線。

圖1中,左邊的縱軸線為蓄電池充電電壓,橫軸線為時(shí)間,I線代表蓄電池在充電過程中不同時(shí)刻受電能力的電流變化曲線,V線代表蓄電池充電過程中各時(shí)刻能接受的最高安全電壓,也是設(shè)計(jì)充電器的恒壓輸出線,C線代表蓄電池充電過程中容量隨時(shí)間的增加表現(xiàn)的恢復(fù)曲線。

從I曲線上可清楚看到,充電過程中蓄電池在不同時(shí)刻的電流接受能力。顯然,在時(shí)間軸上,蓄電池電流接受曲線I是一條變化很大的非線性曲線,各個(gè)時(shí)刻蓄電池的電流接受能力是完全不同的,那么該曲線上哪一時(shí)刻的電流用作蓄電池恒流充電,能使蓄電池既安全,又能在人們可接受的有限時(shí)間上將蓄電池充滿,包括恒流充電法改進(jìn)后的有限次數(shù)的分段恒流法在內(nèi),無論怎么看,我們都覺得是難以實(shí)現(xiàn)的,更加困難的是,電池每次使用的放電深度是不一樣的,環(huán)境溫度都不一樣,新舊程度也不一樣,如果每次充電都用同樣的電流和時(shí)間去充,造成的電池?fù)p害是不可逆轉(zhuǎn)的。

再看恒壓充電法,從V線上我們看到充電器的輸出電壓,始終是在充電器設(shè)計(jì)者認(rèn)為蓄電池安全受電的最高允許電壓上,低于這個(gè)電壓,將無法使蓄電池充滿,這個(gè)電壓是否真的安全?有關(guān)資料明確告訴我們,充電過程中,單體蓄電池的充電電壓比電池自身實(shí)時(shí)的電壓高出100mV,通過蓄電池的充電電流比蓄電池的最大安全受電電流要增大10倍以上。而充電前蓄電池一般都是在放完電后,這時(shí)的蓄電池肯定是處在最低的電壓上。如單體鉛酸蓄電池,放電后一般為1.8~2.0V,而此時(shí)的充電電壓如果是恒定在2.25~2.4V,可見充電器輸出的電壓和蓄電池電壓的差已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于100mV。

這樣的恒壓充電,通過蓄電池的充電電流將是蓄電池最大安全電流的幾十倍,如果充電器的輸出功率與容量足夠大的話,必定會(huì)造成蓄電池的損壞,如果充電器的容量不夠,那就必定會(huì)造成充電器的過載燒毀。經(jīng)過改進(jìn)后的恒壓限流充電方式,為了能保障蓄電池和充電器不致遭到損壞的厄運(yùn),卻降低了充電效率,增加了損耗,延長(zhǎng)了充電時(shí)間,這是恒壓充電V線的起始時(shí)間段;到V線的最后階段,由于絕大多數(shù)的充電器沒有環(huán)境溫度變化的跟蹤補(bǔ)償能力,充電器此時(shí)還保存著最大的電流輸出能力。如不及時(shí)關(guān)斷充電電源,極易在環(huán)境溫度變化中造成蓄電池的損壞。至此,我們可以看出,造成閥控式蓄電池使用中出現(xiàn)早期性能下降和損失容量的重要原因,大多是傳統(tǒng)蓄電池充電技術(shù)落后與過程控制不力所致。

2 全新的

分析了傳統(tǒng)蓄電池充電技術(shù)存在的問題,經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的思考與實(shí)驗(yàn),我們提出了"蓄電池"的新模式,該充電法的充電過程如下。

圖2中有A、B二個(gè)電源EA及EB,當(dāng)電源EA與電源EB處在同一環(huán)境溫度下,正極和正極相連,負(fù)極和負(fù)極相連,它們所形成的閉合回路中,存在如下的關(guān)系,EA電源如果高出電源EB,A電源將向B電源提供EA-EB=ΔE的電壓,將按ΔE的大小,提供一Δi電流,使電源EB上升到完全等于電源EA的電壓時(shí),(在蓄電池中表現(xiàn)為,蓄電池端電壓的上升和電荷存儲(chǔ)量的增加)。電源EA將停止向電源EB提供電流,也就是EA=EB,ΔE=0,Δi=0。

在上面描述中,我們把電源EB換成被充電的蓄電池,尋找出在不同放電深度與環(huán)境溫度下,蓄電池對(duì)應(yīng)的電壓。將A電源電壓EA,精心設(shè)計(jì)成在不同環(huán)境溫度下,能按蓄電池充電平衡需要,自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓和電流的電源,與之對(duì)應(yīng)連接,完全理想化的情況下,電源EA能根據(jù)蓄電池在任一環(huán)境溫度下,能夠接受的安全電流,對(duì)電池進(jìn)行充電,電池充足電后,ΔE=0、Δi=0,A電源將不消耗功率,此后,A電源EA,只隨環(huán)境溫度的變化,對(duì)被充蓄電池提供跟蹤平衡補(bǔ)償,蓄電池充電的整個(gè)過程,完全是自動(dòng)完成的,所以,我們稱之為自然平衡法。

此方法完全理想化的情況是,蓄電池充足電后,A電源EA無功率供給蓄電池EB。實(shí)際的情況經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí),與上面提出的理想情況稍有差別,即A電源在蓄電池充滿后,由于蓄電池存在著漏電,和內(nèi)部氧循環(huán)的需要,還維持著很小的但對(duì)蓄電池組的均衡很有用的電流,由于這一特性的存在,幾乎使這一充電技術(shù)更加接近完美。





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