電池專家：
蓄電池充電技術研究浙江大學電力電子技術國家專業實驗室趙異波何湘寧(杭州310027)株洲科信電力電子制造有限公司丁勁松(株洲412000)1引言蓄電池具有電壓穩定、供電可靠、移動方便等優點,它廣泛地應用于發電廠、變電站、通信系統、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)都不斷地轉變為硫酸鉛(PbSO4),電解液中的硫酸逐漸轉變為水,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逐漸變為PbO2,負極板上的PbSO4逐漸變為海綿狀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,不但會拉長充電監測的時間、造成電能的浪費,還限制了蓄電池的循環利用次數,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,節約能源,并更好地滿足工業應用的需要,具有重大的現實意義.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,并且適當地加入放電脈沖,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,從放電狀態到充電狀態的自動轉換,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測蓄電池的容量,當容量達到一定值時,則發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.3.3停充控制當蓄電池充足電后,必須適時地切斷充電電流,否則蓄電池將出現大量出氣、失水和溫升等過充反應,直接危及蓄電池的使用壽命.因此,必須隨時監測蓄電池的充電狀況,保證電池充足電而又不過充電.主要的停充控制方法有:(1)定時控制采用恒流充電法時,電池所需充電時間可根據電池容量和充電電流的大小很容易地確定,因此只要預先設定好充電時間,一旦時間一到,定時器即可發出信號停充或降為涓流充電.定時器可由時間繼電器充當,或者由單片機承擔其功能.這種方法簡單,但充電時間不能根據電池充電前狀態而自動調整,因此實際充電時,可能會出現有時欠充、有時過充的現象;(2)電池溫度控制對CdNi電池而言,正常充電時,蓄電池的溫度變化并不明顯,但是,當電池過充時,其內部氣體壓力將迅速增大,負極板上氧化反應使內部發熱,溫度迅速上升(每分鐘可升高幾個攝氏度).因此,觀察電池溫度的變化,即可判斷電池是否已經充滿.通常采用兩只熱敏電阻分別檢測電池溫度和環境溫度,當兩者溫差達到一定值時,即發出停充信號.由于熱敏電阻動態響應速度較慢,故不能及時準確地檢測到電池的滿充狀態;(3)電池端電壓負增量控制一般而言,當電池充足電后,其端電壓將呈現下降趨勢,據此可將電池電壓出現負增長的時刻作為停充時刻.與溫度控制法相比,這種方法響應速度快,此外,電壓的負增量與電壓的絕對值無關,因此這種停充控制方法可適應具有不同單格電池數的蓄電池組充電.此方法的缺點是一般的檢測器靈敏度和可靠性不高,同時,當環境溫度較高時,電池充足電后電壓的減小并不明顯,因而難以控制;(4)利用極化電壓控制通常情況下,蓄電池的極化電壓出現在電池剛好充滿后,一般在50mV~100mV數量級,采用有關專利技術[3]來測量每個單格電池的極化電壓,這樣就使每個電池都可充電到它本身所要求的程度.研究表明,由于每個電池在幾何結構、化學性質及電學特性等方面至少存在一些輕微的差別,那么根據每個單格電池的特性來確定它所要求的充電水平會比把蓄電池組作為一個整體來控制的方法更加合適一些.這種方法的優點表現在:①不需溫度補償;②電池不需連續浮充電,電池間連線腐蝕減少;③不同型號和使用情況的電池可構成一組使用;④可以隨意添加電池以便擴容;⑤每個電池都可用到不能再用,而其壽命不會縮短.4結論蓄電池充電技術的改進,有利于縮短充電時間、提高利用效率、延長使用壽命、降低能耗、減少環境污染,具有良好的經濟效益和社會效益.根據蓄電池可接受充電電流曲線,只要采用適當方法對電池實行去極化,實現蓄電池的快速充電是可能的.研究表明,脈沖充電、脈沖放電去極化充電法是一種較好的快速充電方法,而實現這一方法的最佳裝置是高頻開關充電電源.蓄電池的充電控制包括各個充電階段的自動轉換、充電程度判斷以及停充控制等三個方面.蓄電池充放電的時間、速度、程度等都會對蓄電池的充電效率和使用壽命產生嚴重影響,因此在對蓄電池進行充放電時,必須把握以下原則:(1)避免蓄電池充電過量或充電不足過充會使蓄電池內部溫升過大、出氣率上升,導致正極板損壞,從而影響電池的穩定性乃至壽命;欠充電會使負極板硫化,蓄電池內阻增大,容量降低.因此一定要掌握好蓄電池的充電程度;(2)控制放電電流值即放電速度蓄電池放電電流越大,再充電時可接受的初始充電電流值也越大,有助于提高再充電的速度.但是,蓄電池放電電流流經內阻時產生的熱量會引起溫度上升,因而放電電流不宜過大;(3)避免深度放電根據蓄電池充電電流接受比第一定律[1],對于任意給定的放電電流來說,蓄電池充電電流接受比與它已放出的電荷量的平方根成反比,因此放電深度越大,蓄電池放出的電量越多,蓄電池可接受的充電電流就越小,這將減慢蓄電池的充電速度;(4)注意環境溫度的影響蓄電池的放電電量隨環境溫度的降低而減小,因此在不同的環境溫度下,應該掌握不同的放電速度和放電程度.