電池※智能電池儀※電動車蓄電池技術(shù)

蓄電池充電理論基礎(chǔ)和充電方法的研究

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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(dāng)，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，能蓄電池的使用壽命。m % -<7.7 
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研究發(fā)現(xiàn)：電池充電過程對電池壽命影響，放電過程的影響較少。也就是說，大多數(shù)的蓄電池不是用壞的，而是“充壞”的。由此可見，一個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(chǔ)[. xO 
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上世紀(jì)60年代中期，美國科學(xué)家馬斯對開口蓄電池的充電過程作了大量的試驗(yàn)研究，并提出了以出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線，如圖1所示。，如果充電電流按這條曲線變化，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有影響。原則上把這條曲線稱為充電曲線，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。主要原因是充電過程中產(chǎn)生了化現(xiàn)象。在密封式蓄電池充電過程中，內(nèi)部產(chǎn)生氧氣和氫氣，當(dāng)氧氣不能被及時(shí)吸收時(shí)，便堆積在正板（正板產(chǎn)生氧氣），使電池內(nèi)部壓力，電池溫度上升，同時(shí)縮小了正板的面積，表現(xiàn)為內(nèi)阻上升，出現(xiàn)所謂的化現(xiàn)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(yīng)式如下：:N II 
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PbO2＋Pb＋2H2SO42→PbSO4＋2H2O  （1）p_!Uj@zg 
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很顯然，充電過程和放電過程互為逆反應(yīng)。可逆過程就是熱力學(xué)的平衡過程，為保障電池能夠維持在平衡狀態(tài)之下充電，須盡量使通過電池的電流小一些。理想條件是外加電壓等于電池本身的電動勢。但是，實(shí)踐表明，蓄電池充電時(shí)，外加電壓須到數(shù)值才行,而這個數(shù)值又因?yàn)殡姴牧希芤簼舛鹊雀鞣N因素的差別而在不同程度上過了蓄電池的平衡電動勢值。在化學(xué)反應(yīng)中，這種電動勢過熱力學(xué)平衡值的現(xiàn)象，就是化現(xiàn)象。9%+ }[[ 
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一般來說，產(chǎn)生化現(xiàn)象有3個方面的原因。'Ln0bk ]FE 
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1）歐姆化充電過程中，正負(fù)離子向兩遷移。在離子遷移過程中不可避免地受到的阻力，稱為歐姆內(nèi)阻。為了克服這個內(nèi)阻，外加電壓就須額外施加的電壓，以克服阻力推動離子遷移。該電壓以熱的方式轉(zhuǎn)化給環(huán)境，出現(xiàn)所謂的歐姆化。隨著充電電流急劇，歐姆化將造成蓄電池在充電過程中的高溫。
 2）濃度化電流流過蓄電池時(shí)，為維持正常的反應(yīng)，理想的情況是電表面的反應(yīng)物能及時(shí)得到補(bǔ)充，生成物能及時(shí)離去。實(shí)際上，生成物和反應(yīng)物的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上化學(xué)反應(yīng)速度，從而造成板附近電解質(zhì)溶液濃度發(fā)生變化。也就是說，從電表面到中部溶液，電解液濃度分布不均勻。這種現(xiàn)象稱為濃度化。<cMZsM|FC 
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3）電化學(xué)化這種化是由于電上進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)的速度，落后于電上電子運(yùn)動的速度造成的。例如：電池的負(fù)放電前，電表面帶有負(fù)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。電表面負(fù)電荷減少，而金屬溶解的氧化反應(yīng)進(jìn)行緩慢Me－eMe＋，不能及時(shí)補(bǔ)充電表面電子的減少，電表面帶電狀態(tài)發(fā)生變化。這種表面負(fù)電荷減少的狀態(tài)金屬中電子離開電，金屬離子Me＋轉(zhuǎn)入溶液，加速Me－eMe＋反應(yīng)進(jìn)行。個時(shí)刻，新的動態(tài)平衡。但與放電前相比，電表面所帶負(fù)電荷數(shù)目減少了，與此對應(yīng)的電電勢變正。也就是電化學(xué)化電壓變高，從而嚴(yán)重阻礙了正常的充電電流。同理，電池正放電時(shí)，電表面所帶正電荷數(shù)目減少，電電勢變負(fù)。!R 
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這3種化現(xiàn)象都是隨著充電電流的而嚴(yán)重。h5ZC/K=9O 
2充電方法的研究_Z Xu<.I*3 
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2.1常規(guī)充電法|J6(Es }] 
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常規(guī)充電制度是依據(jù)1940年前國際的經(jīng)驗(yàn)法則設(shè)計(jì)的。其中的就是“安培小時(shí)規(guī)則”：充電電流安培數(shù)，不應(yīng)過蓄電池待充電的安時(shí)數(shù)。實(shí)際上，常規(guī)充電的速度被蓄電池在充電過程中的溫升和氣體的產(chǎn)生所限制。這個現(xiàn)象對蓄電池充電所須的短時(shí)間具有重要意義。z$Htz+Cu 
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一般來說，常規(guī)充電有以下3種。Q&3<e5 
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2.1.1恒流充電法,:Rx?g%.A 
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恒流充電法是用調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方法，保持充電電流強(qiáng)度不變的充電方法，如圖2所示?？刂品椒ê唵危捎陔姵氐目山邮茈娏髂芰κ请S著充電過程的進(jìn)行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使出氣過甚，因此，常選用階段充電法。/He${%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(jié)合的快速充電方法，如圖3所示。先，以恒電流充電至預(yù)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(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。\h~#­$unr8 
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2）三階段充電法在充電開始和結(jié)束時(shí)采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時(shí)，由第二階段轉(zhuǎn)換到第三階段。這種方法可以將出氣量減到少，但作為一種快速充電方法使用，受到的限制。2E4op$g, 
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2.1.3恒壓充電法fG|98H/%o 
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充電電源的電壓在充電時(shí)間里保持恒定的數(shù)值，隨著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，其充電過程更接近于充電曲線。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勢較低，充電電流很大，隨著充電的進(jìn)行，電流將逐漸減少，因此，簡易控制系統(tǒng)。Ad pf+ls 
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這種充電方法電解水很少，避免了蓄電池過充。但在充電初期電流過大，對蓄電池壽命造成很大影響，且容易使蓄電池板彎曲，造成電池報(bào)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，汽車運(yùn)行過pz 
2.2快速充電技術(shù)U%+x|GI9ZJ 
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為了能夠限度地加快蓄電池的化學(xué)反應(yīng)速度，縮短蓄電池滿充狀態(tài)的時(shí)間，同時(shí)，蓄電池正負(fù)板的化現(xiàn)象盡量地少或輕，蓄電池使用效率?？焖俪潆娂夹g(shù)近年來得到了發(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充電曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)的，目的就是使其充電曲線盡可能地逼進(jìn)充電曲線。 
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2.2.1脈沖式充電法;t{vmB? 
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這種充電法不遵循蓄電池固有的充電接受率，而且能夠蓄電池充電接受率，從而了蓄電池指數(shù)充電接受曲線的限制，這也是蓄電池充電理論的新發(fā)展。2k7 
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脈沖充電方式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電量，而間歇期使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠罨蜌W姆化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)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(yīng)時(shí)間，減少了析氣量，了蓄電池的充電電流接受率[5]。J[3k*Q[1] 
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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(xiàng)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(yīng)，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充電法的一個工作周期包括正向充電脈沖，反向放電脈沖，停充維持3個階段[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(chǔ)上，如圖7所示。其特點(diǎn)是將恒流充電段改Ih@\n5o

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