武漢中電通電力設備有限公司
? ? ? ?電池充電測試的基本電路一般由電源(恒流源或恒壓源)、電流電壓檢測設備、控制設備及記錄設備組成。其示意圖如圖2-1所示。記錄工作可以通過人工或通過XT函數(shù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集卡等自動進行。當然也可以采用電池性能測試儀來測試,將充電參數(shù)設定好后,即可自動進行檢測。
? ? ? ?充電效率是指電池在充電時用于活性物質轉化的電能與充電時所消耗的總電能之比，以百分數(shù)表示。充電電流的大小、充電方法、充電時的溫度直接影響到充電效率。充電效率高表示電池接受充電的能力強，一般說來,充電初期充電效率較高,接近100% ,充電后期由于電極極化增加,充電效率較低,伴隨在電極上有大量的氣體析出。
? ? ? ?充電過程中,另-重要指標即電池的耐過充能力。一種性能優(yōu)異的二次電源應具有良好的耐過充性能,即使電池處于極端充電條件的情況下,也能擁有較為優(yōu)良的使用性能。對于MH-Ni電池,往往有下列要求:在1C充電率下,電池充電90min應無泄漏,充電6h內不發(fā)生爆裂。
? ? ? ?充電過程的終點控制是一個非常實際的問題,無論從電池的檢測, 還是充電器的開發(fā)都必須考慮這一問題,適當?shù)某潆娍刂茖?yōu)化電池性能、保護電池安全可靠是十分必要的。以MH -Ni電池為例,最常見的充電終點控制方法如下。
? ? ? ?①時間控制。充電過程由事先確定的時間來控制。這種方式一般 只用于小電流充電或作為其他控制技術的輔助手段。
? ? ? ?②-OU控制。使用-AU控制時,充電電壓應始終處于監(jiān)測之下,直至檢測到一個預定的電壓降時才終止充電。當然,采用這樣一種控制方式需注意的一個問題就是,在小電流情況下(低于0.3C ) ,尤其是溫度較高時, -OU可能并不明顯,從而導致終點難以出現(xiàn)。另外,當電池長時間儲存后, -AU可能會提前出現(xiàn),而導致充電不足。
? ? ? ?③溫度控制。在充電過程中,當電池溫度到達指定值時,充電過程即被終止。這種方式通常與其他終點控制方式-起使用。影響電池溫度的因素很多,如環(huán)境溫度、電池結構、充電倍率、氣流等。
? ? ? ?因此事先很難確定終點溫度。-般在1C充電率下以60°C作為MH-Ni電池的充電終點。
? ? ? ?充電的終點判斷還有很多其他方法,如零OU、溫度上升速率(dT/dt )等,比較理想的充電條件是根據(jù)具體使用或測試條件選用其中的幾種綜合使用，以使電池既能充足電,又不會損壞電池。在實驗室測試中,通常采用的方式有時間控制、-0U控制。如AA型MH-Ni電池1C充電率的條件可設定為: I=1200mA , t=75min, -OU= 10mV.圖2-2是該條件下MH-Ni電池的充電曲線。
? ? ? ?研究發(fā)現(xiàn)，電池充電過程對電池壽命影響最大，放電過程的影響較少。也就是說,絕大多數(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。
? ? ? ?( 1 )蓄電池充電理論基礎20世紀60年代中期,美國科學家馬斯對開口蓄電池的充電過程做了大量的試驗研究,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，如圖2-3所示。實驗表明,如果充電電流按這條曲線變化,就可以大大縮短充電時間,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最佳充電曲線,從而奠定了快速充電方法的研究方向。
? ? ? ?由圖2-3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生了極化現(xiàn)象。在密封式蓄電池充電過程中,內部產生氧氣和氫氣,當氧氣不能被及時吸收時,便堆積在正極板(正極板產生氧氣) ,使電池內部壓力加大,電池溫度上升,同時縮小了正極板的面積,表現(xiàn)為內阻.上升,出現(xiàn)所謂的極化現(xiàn)象。
? ? ? ?蓄電池是可逆的。其放電及充電的化學反應式如下:
? ? ? ?很顯然,充電過程和放電過程互為逆反應。可逆過程就是熱力學的平衡過程,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,實踐表明，蓄電池充電時,外加電壓必須增:大到一-定數(shù)值才行,而這個數(shù)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.上超過了蓄電池的平衡電動勢值。在化學反應中,這種電動勢超過熱力學平衡值的現(xiàn)象,就是極化現(xiàn)象。
? ? ? ?一般來說， 產生極化現(xiàn)象有3個方面的原因。
? ? ? ?①歐姆極化。充電過程中,正負離子向兩極遷移。在離子遷移過程中不可避免地受到一定的阻力,稱為歐姆內阻。為了克服這個內阻,外加電壓就必須額外施加一定的電壓,以克服阻力推動離子遷移。該電壓以熱的方式轉化給環(huán)境,出現(xiàn)所謂的歐姆極化。隨著充電電流急劇加大,歐姆極化將造成蓄電池在充電過程中的高溫。
? ? ? ?②濃度極化。電流流過蓄電池時,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得到補充，生成物能及時離去。實際上，生成物和反應物的擴散速度遠遠比不上化學反應速度,從而造成極板附近電解質溶液濃度發(fā)生變化。也就是說，從電極表面到中部溶液,電解液濃度分布不均勻。這種現(xiàn)象稱為濃度極化。? ? ? ?③電化學極化。這種極化是由于電極.上進行的電化學反應的速度,落后于電極上電子運動的速度造成的。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,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行緩慢Me- -e- →Me+ ,不能及時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)促進金屬中電子離開電極, 金屬離子Me+轉入溶液,加速Me- -e- +Me +反應進行。總有一個時刻,達到新的動態(tài)平衡。但與放電前相比,電極表面所帶負電荷數(shù)目減少了,與此對應的電極電勢變正。也就是電化學極化電壓變高,從而嚴重阻礙了正常的充電電流。同理,電池正極放電時,電極表面所帶正電荷數(shù)目減少,電極電勢變負。
? ? ? ?這3種極化現(xiàn)象都是隨著充電電流的增大而嚴重。
? ? ? ?(2)充電方法
? ? ? ?①常規(guī)充電法。
? ? ? ?一般來說,常規(guī)充電方法有以下3種。
? ? ? ?a.恒流充電法。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2-4所示。控制方法簡單,但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進行而逐漸下降的, 到充電后期,充電電流多用于電解水,產生氣體,使出氣過甚,因此,常選用階段充電法。
? ? ? ?b.階段充電法。此方法包括二階段充電法和三階段充電法。
? ? ? ?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2-5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。
? ? ? ?三階段充電法:在充電開始和結束時采用恒電流充電,中間用恒電壓充電。當電流衰減到預定值時,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-種快速充電方法使用,受到一定的限制。
? ? ? ?C.恒壓充電法。充電電源的電壓在全部充電時間里保持恒定的數(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最佳充電曲線。用恒定電壓快速充電，如圖2-6所示。由于充電初期蓄電池電動勢較低,充電電流很大,隨著充電的進行,電流將逐漸減少,因此,只需簡易控制系統(tǒng)。
? ? ? ?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,且容易使蓄電池極板彎曲,造成電池報鑒于這種缺點,恒壓充電很少使用,只有在充電電源電壓低而電流大時采用。例如,汽車運行過程中,蓄電池就是以恒壓充電法充電的。? ? ? ?②快速充電法。為了能夠最大限度地加快蓄電池的化學反應速度,縮短蓄電池達到滿充狀態(tài)的時間，同時,保證蓄電池正負極板的極化現(xiàn)象盡量地少或輕,提高蓄電池使用效率。快速充電技術近年來得到了迅速發(fā)展。
? ? ? ?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最佳充電曲線進行設計的,目的就是使其充電曲線盡可能地逼近最佳充電曲線。
? ? ? ?a.脈沖式充電法。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(shù)充電接受曲線的限制廢。這也是蓄電池充電理論的新發(fā)展。
? ? ? ?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間,如此循環(huán),如圖2-7所示。充電脈沖使蓄電池充滿電量,而間歇期使蓄電池經(jīng)化學反應產生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉,使?jié)舛葮O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間，減少了析氣量,提高了蓄電池的充電電流接受率。
? ? ? ?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。
? ? ? ?如圖2-8所示, ReflexTM充電法的一個工作周期包括正向充電脈沖、反向瞬間放電脈沖、停充維持三個階段。
? ? ? ?c.變電流間歇充電法。這種充電方法建立在恒流充電和脈沖充電的基礎.上,如圖2-9所示。其特點是將恒流充電段改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,獲得過充電量,將電池恢復至完全充電態(tài)。通過間歇停充,使蓄電池經(jīng)化學反應產生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉,使?jié)舛葮O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行,使蓄電池可以吸收更多的電量。
? ? ? ?d.變電壓間歇充電法。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2-10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。
? ? ? ?比較圖2-9和圖2-10 ,可以看出:圖2-10更加符合最佳充電的充電曲線。在每個恒電壓充電階段,由于是恒壓充電,充電電流自然按照指數(shù)規(guī)律下降,符合電池電流可接受率隨著充電的進行逐漸下降的特點。
? ? ? ?e.變電壓變電流波浪式間歇正負零脈沖快速充電法。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,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:
? ? ? ?脈沖電流的幅值可變,而PWM (驅動充放電開關管)信號的頻率是固定的;
? ? ? ?脈沖電流幅值固定不變，PWM信號的頻率可調。
? ? ? ?圖2-11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,能夠在較短的時間內充進更多的電量,提高蓄電池的充電接受能力。
