武漢中電通電力設(shè)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(shè)備、控制設(shè)備及記錄設(shè)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(jìn)行。當(dāng)然也可以采用電池性能測試儀來測試,將充電參數(shù)設(shè)定好后,即可自動進(jìn)行檢測。
? ? ? ?充電效率是指電池在充電時用于活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化的電能與充電時所消耗的總電能之比，以百分?jǐn)?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(qiáng)，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(biāo)即電池的耐過充能力。一種性能優(yōu)異的二次電源應(yīng)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(yīng)無泄漏,充電6h內(nèi)不發(fā)生爆裂。
? ? ? ?充電過程的終點(diǎn)控制是一個非常實(shí)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(dāng)?shù)某潆娍刂茖?yōu)化電池性能、保護(hù)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(diǎn)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(shù)的輔助手段。
? ? ? ?②-OU控制。使用-AU控制時,充電電壓應(yīng)始終處于監(jiān)測之下,直至檢測到一個預(yù)定的電壓降時才終止充電。當(dāng)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(dǎo)致終點(diǎn)難以出現(xiàn)。另外,當(dāng)電池長時間儲存后, -AU可能會提前出現(xiàn),而導(dǎo)致充電不足。
? ? ? ?③溫度控制。在充電過程中,當(dāng)電池溫度到達(dá)指定值時,充電過程即被終止。這種方式通常與其他終點(diǎn)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(jié)構(gòu)、充電倍率、氣流等。
? ? ? ?因此事先很難確定終點(diǎn)溫度。-般在1C充電率下以60°C作為MH-Ni電池的充電終點(diǎn)。
? ? ? ?充電的終點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(shè)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(chǔ)20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做了大量的試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(chǎn)生了極化現(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)氧氣不能被及時吸收時,便堆積在正極板(正極板產(chǎn)生氧氣) ,使電池內(nèi)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(nèi)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(xué)反應(yīng)式如下:
? ? ? ?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(shí)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?yàn)殡姌O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(xué)反應(yīng)中,這種電動勢超過熱力學(xué)平衡值的現(xiàn)象,就是極化現(xiàn)象。
? ? ? ?一般來說， 產(chǎn)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(fù)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(nèi)阻。為了克服這個內(nèi)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(zhuǎn)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(yīng),最理想的情況是電極表面的反應(yīng)物能及時得到補(bǔ)充，生成物能及時離去。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,從而造成極板附近電解質(zhì)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(xué)極化。這種極化是由于電極.上進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)的速度,落后于電極上電子運(yùn)動的速度造成的。例如:電池的負(fù)極放電前,電極表面帶有負(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,立即有電子釋放給外電路。電極表面負(fù)電荷減少,而金屬溶解的氧化反應(yīng)進(jìn)行緩慢Me- -e- →Me+ ,不能及時補(bǔ)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(fù)電荷減少的狀態(tài)促進(jìn)金屬中電子離開電極, 金屬離子Me+轉(zhuǎn)入溶液,加速M(fèi)e- -e- +Me +反應(yīng)進(jìn)行。總有一個時刻,達(dá)到新的動態(tài)平衡。但與放電前相比,電極表面所帶負(fù)電荷數(shù)目減少了,與此對應(yīng)的電極電勢變正。也就是電化學(xué)極化電壓變高,從而嚴(yán)重阻礙了正常的充電電流。同理,電池正極放電時,電極表面所帶正電荷數(shù)目減少,電極電勢變負(fù)。
? ? ? ?這3種極化現(xiàn)象都是隨著充電電流的增大而嚴(yán)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(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2-4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(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。
? ? ? ?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(jié)合的快速充電方法,如圖2-5所示。首先,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。
? ? ? ?三階段充電法:在充電開始和結(jié)束時采用恒電流充電,中間用恒電壓充電。當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時,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(jìn)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(bào)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采用。例如,汽車運(yùn)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(xué)反應(yīng)速度,縮短蓄電池達(dá)到滿充狀態(tài)的時間，同時,保證蓄電池正負(fù)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(shù)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(jìn)行設(shè)計(jì)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(xué)反應(yīng)產(chǎn)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(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(yīng),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(chǔ).上,如圖2-9所示。其特點(diǎn)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(fù)至完全充電態(tài)。通過間歇停充,使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)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(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。
? ? ? ?d.變電壓間歇充電法。在變電流間歇充電法的基礎(chǔ).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(jìn)行逐漸下降的特點(diǎn)。
? ? ? ?e.變電壓變電流波浪式間歇正負(fù)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(diǎn),變電壓變電流波浪式正負(fù)零脈沖間歇快速充電法得到發(fā)展應(yīng)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(qū)動充放電開關(guān)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(diào)。
? ? ? ?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(diào),在此基礎(chǔ).上加入間歇停充階段,能夠在較短的時間內(nèi)充進(jìn)更多的電量,提高蓄電池的充電接受能力。
