蓄電池充電理論基礎和充電方法的研究
引言 H| <TY#K!
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鉛酸蓄電池由于其制造成本低，容量大，價(jià)格低廉而得到了廣泛的使用。但是，若使用不當，其壽命將大大縮短。影響鉛酸蓄電池壽命的因素很多，而采用正確的充電方式，能有效延長(cháng)蓄電池的使用壽命。 m% -<7.7
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研究發(fā)現：電池充電過(guò)程對電池壽命影響最大，放電過(guò)程的影響較少。也就是說(shuō)，絕大多數的蓄電池不是用壞的，而是“充壞”的。由此可見(jiàn)，一個(gè)好的充電器對蓄電池的使用壽命具有舉足輕重的作用。 i%Cg{yl‘
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蓄電池充電理論基礎 [. xO
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上世紀60年代中期，美國科學(xué)家馬斯對開(kāi)口蓄電池的充電過(guò)程作了大量的試驗研究，并提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線(xiàn)，如圖1所示。實(shí)驗表明，如果充電電流按這條曲線(xiàn)變化，就可以大大縮短充電時(shí)間，并且對電池的容量和壽命也沒(méi)有影響。原則上把這條曲線(xiàn)稱(chēng)為最佳充電曲線(xiàn)，從而奠定了快速充電方法的研究方向[1，2]。 |,0J%
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由圖1可以看出：初始充電電流很大，但是衰減很快。主要原因是充電過(guò)程中產(chǎn)生了極化現象。在密封式蓄電池充電過(guò)程中，內部產(chǎn)生氧氣和氫氣，當氧氣不能被及時(shí)吸收時(shí)，便堆積在正極板（正極板產(chǎn)生氧氣），使電池內部壓力加大，電池溫度上升，同時(shí)縮小了正極板的面積，表現為內阻上升，出現所謂的極化現象。 sI=JN0"t
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蓄電池是可逆的。其放電及充電的化學(xué)反應式如下： :NIIX)X
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PbO2＋Pb＋2H2SO42→PbSO4＋2H2O （1） p_!Uj@zg
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很顯然，充電過(guò)程和放電過(guò)程互為逆反應?？赡孢^(guò)程就是熱力學(xué)的平衡過(guò)程，為保障電池能夠始終維持在平衡狀態(tài)之下充電，必須盡量使通過(guò)電池的電流小一些。理想條件是外加電壓等于電池本身的電動(dòng)勢。但是，實(shí)踐表明，蓄電池充電時(shí)，外加電壓必須增大到一定數值才行,而這個(gè)數值又因為電極材料，溶液濃度等各種因素的差別而在不同程度上超過(guò)了蓄電池的平衡電動(dòng)勢值。在化學(xué)反應中，這種電動(dòng)勢超過(guò)熱力學(xué)平衡值的現象，就是極化現象。 9%+ }[[
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一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生極化現象有3個(gè)方面的原因。 ‘Ln0bk]FE
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1）歐姆極化充電過(guò)程中，正負離子向兩極遷移。在離子遷移過(guò)程中不可避免地受到一定的阻力，稱(chēng)為歐姆內阻。為了克服這個(gè)內阻，外加電壓就必須額外施加一定的電壓，以克服阻力推動(dòng)離子遷移。該電壓以熱的方式轉化給環(huán)境，出現所謂的歐姆極化。隨著(zhù)充電電流急劇加大，歐姆極化將造成蓄電池在充電過(guò)程中的高溫。 +?;GV
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2）濃度極化電流流過(guò)蓄電池時(shí)，為維持正常的反應，最理想的情況是電極表面的反應物能及時(shí)得到補充，生成物能及時(shí)離去。實(shí)際上，生成物和反應物的擴散速度遠遠比不上化學(xué)反應速度，從而造成極板附近電解質(zhì)溶液濃度發(fā)生變化。也就是說(shuō)，從電極表面到中部溶液，電解液濃度分布不均勻。這種現象稱(chēng)為濃度極化。 <cMZsM|FC
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3）電化學(xué)極化這種極化是由于電極上進(jìn)行的電化學(xué)反應的速度，落后于電極上電子運動(dòng)的速度造成的。例如：電池的負極放電前，電極表面帶有負電荷，其附近溶液帶有正電荷，兩者處于平衡狀態(tài)。放電時(shí)，立即有電子釋放給外電路。電極表面負電荷減少，而金屬溶解的氧化反應進(jìn)行緩慢Me－eMe＋，不能及時(shí)補充電極表面電子的減少，電極表面帶電狀態(tài)發(fā)生變化。這種表面負電荷減少的狀態(tài)促進(jìn)金屬中電子離開(kāi)電極，金屬離子Me＋轉入溶液，加速Me－eMe＋反應進(jìn)行?？傆幸粋€(gè)時(shí)刻，達到新的動(dòng)態(tài)平衡。但與放電前相比，電極表面所帶負電荷數目減少了，與此對應的電極電勢變正。也就是電化學(xué)極化電壓變高，從而嚴重阻礙了正常的充電電流。同理，電池正極放電時(shí)，電極表面所帶正電荷數目減少，電極電勢變負。 !R(4d$\d
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這3種極化現象都是隨著(zhù)充電電流的增大而嚴重。 h5ZC/K=9O
2 充電方法的研究 _Z Xu<.I*3
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2.1 常規充電法 |J6(Es}]
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常規充電制度是依據1940年前國際公認的經(jīng)驗法則設計的。其中最著(zhù)名的就是“安培小時(shí)規則”：充電電流安培數，不應超過(guò)蓄電池待充電的安時(shí)數。實(shí)際上，常規充電的速度被蓄電池在充電過(guò)程中的溫升和氣體的產(chǎn)生所限制。這個(gè)現象對蓄電池充電所必須的最短時(shí)間具有重要意義。 z$Htz+Cu
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一般來(lái)說(shuō)，常規充電有以下3種。 Q&3<e5 H
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2.1.1 恒流充電法 ,:Rx g%.A
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恒流充電法是用調整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法，保持充電電流強度不變的充電方法，如圖2所示?？刂品椒ê?jiǎn)單，但由于電池的可接受電流能力是隨著(zhù)充電過(guò)程的進(jìn)行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使出氣過(guò)甚，因此，常選用階段充電法。 /He${%TY8
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2.1.2 階段充電法 /7_bc%)
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此方法包括二階段充電法和三階段充電法。 x+9cq6QRX
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1）二階段法采用恒電流和恒電壓相結合的快速充電方法，如圖3所示。首先，以恒電流充電至預定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉換電壓就是第二階段的恒電壓。 \h~# $unr8
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2）三階段充電法在充電開(kāi)始和結束時(shí)采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。當電流衰減到預定值時(shí)，由第二階段轉換到第三階段。這種方法可以將出氣量減到最少，但作為一種快速充電方法使用，受到一定的限制。 2E4op$g,
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2.1.3 恒壓充電法 fG|9 8H/%o
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充電電源的電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定的數值，隨著(zhù)蓄電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。與恒流充電法相比，其充電過(guò)程更接近于最佳充電曲線(xiàn)。用恒定電壓快速充電，如圖4所示。由于充電初期蓄電池電動(dòng)勢較低，充電電流很大，隨著(zhù)充電的進(jìn)行，電流將逐漸減少，因此，只需簡(jiǎn)易控制系統。 Adpf+ls
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這種充電方法電解水很少，避免了蓄電池過(guò)充。但在充電初期電流過(guò)大，對蓄電池壽命造成很大影響，且容易使蓄電池極板彎曲，造成電池報廢。 Mx _‘X9:I
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鑒于這種缺點(diǎn)，恒壓充電很少使用，只有在充電電源電壓低而電流大時(shí)采用。例如，汽車(chē)運行過(guò)程中，蓄電池就是以恒壓充電法充電的。 9k&7w?hg
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2.2 快速充電技術(shù) U%+x|GI9ZJ
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為了能夠最大限度地加快蓄電池的化學(xué)反應速度，縮短蓄電池達到滿(mǎn)充狀態(tài)的時(shí)間，同時(shí)，保證蓄電池正負極板的極化現象盡量地少或輕，提高蓄電池使用效率?？焖俪潆娂夹g(shù)近年來(lái)得到了迅速發(fā)展。 @U>K .+
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下面介紹目前比較流行的幾種快速充電方法。這些方法都是圍繞著(zhù)最佳充電曲線(xiàn)進(jìn)行設計的，目的就是使其充電曲線(xiàn)盡可能地逼進(jìn)最佳充電曲線(xiàn)。 S&a{%
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2.2.1 脈沖式充電法 ;t{vmB
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這種充電法不僅遵循蓄電池固有的充電接受率，而且能夠提高蓄電池充電接受率，從而打破了蓄電池指數充電接受曲線(xiàn)的限制，這也是蓄電池充電理論的新發(fā)展。 2k7 E 9r
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脈沖充電方式首先是用脈沖電流對電池充電，然后讓電池停充一段時(shí)間，如此循環(huán)，如圖5所示。充電脈沖使蓄電池充滿(mǎn)電量，而間歇期使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)間重新化合而被吸收掉，使濃差極化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。間歇脈沖使蓄電池有較充分的反應時(shí)間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電電流接受率[5]。 J[3k*Q14
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2.2.2 ReflexTM快速充電法 |MI|Z86\M\
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這種技術(shù)是美國的一項專(zhuān)利技術(shù)，它主要面對的充電對象是鎳鎘電池。由于它采用了新型的充電方法，解決了鎳鎘電池的記憶效應，因此，大大降低了蓄電池的快速充電的時(shí)間。鉛酸蓄電池的充電方法和對充電狀態(tài)的檢測方法與鎳鎘電池有很大的不同，但它們之間可以相互借鑒[3]。 7<YI-"tz
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如圖6所示，ReflexTM充電法的一個(gè)工作周期包括正向充電脈沖，反向瞬間放電脈沖，停充維持3個(gè)階段[3]。 `7iW*l7GBx
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2.2.3 變電流間歇充電法 i6S $Luv\
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這種充電方法建立在恒流充電和脈沖充電的基礎上，如圖7所示。其特點(diǎn)是將恒流充電段改 Ih@\n5o
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為限壓變電流間歇充電段。充電前期的各段采用變電流間歇充電的方法，保證加大充電電流，獲得絕大部分充電量。充電后期采用定電壓充電段，獲得過(guò)充電量，將電池恢復至完全充電態(tài)。通過(guò)間歇停充，使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)間重新化合而被吸收掉，使濃差極化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量[4]。 ai3WYW
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2.2.4 變電壓間歇充電法 KBe`>;.8~
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在變電流間歇充電法的基礎上又有人提出了變電壓間歇充電法，如圖8所示。與變電流間歇充電方法不同之處在于第一階段的不是間歇恒流，而是間歇恒壓。 1hXGx!P{
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比較圖7和圖8，可以看出：圖8更加符合最佳充電的充電曲線(xiàn)。在每個(gè)恒電壓充電階段，由于是恒壓充電，充電電流自然按照指數規律下降，符合電池電流可接受率隨著(zhù)充電的進(jìn)行逐?下降的特點(diǎn)[4]。 wpo:7=>4
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2.2.5 變電壓變電流波浪式間歇正負零脈沖快速充電法 }0]W5~3Oy1
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綜合脈沖充電法、ReflexTM快速充電法、變電流間歇充電法及變電壓間歇充電法的優(yōu)點(diǎn)，變電壓變電流波浪式正負零脈沖間歇快速充電法得到發(fā)展應用。脈沖充電法充電電路的控制一般有兩種： 3U5pG\tb3
}5afk2@#3.
1）脈沖電流的幅值可變，而PWM（驅動(dòng)充放電開(kāi)關(guān)管）信號的頻率是固定的； 1\j7 <#Hk
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2）脈沖電流幅值固定不變，PWM信號的頻率可調。 `Ll@ju
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圖9采用了一種不同于這兩者的控制模式，脈沖電流幅值和PWM信號的頻率均固定，PWM占空比可調，在此基礎上加入間歇停充階段，能夠在較短的時(shí)間內充進(jìn)更多的電量，提高蓄電池的充電接受能力。 wM@[Z#b
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3 結語(yǔ) Lv7u+1Qd
R@)a<j*L 0
鉛酸蓄電池是目前世界上廣泛使用的一種化學(xué)電源，該產(chǎn)品具有良好的可逆性，電壓特性平穩，使用壽命長(cháng)，適用范圍廣，原材料豐富（且可再生使用）及造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)。主要應用在交通運輸，通信，電力，鐵路，礦山，港口等國民經(jīng)濟各個(gè)部門(mén)，是社會(huì )生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中不可缺少的產(chǎn)品，具有廣闊的發(fā)展前景
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