铅酸蓄电池脉冲充电的研究

铅酸蓄电池脉冲充电的研究
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1．引言
蓄电池是一种化学能和电能相互转换的装置，所以称之为化学电池。

它可以借助其它电源使反应逆向进行，是一种可逆电池，又称为二次电池。

随着绿色能源和节能环保主题行动的发展，铅酸蓄电池再次成为人们关注的焦点，作为一种技术成熟的二次能源，在未来的应用中，它将发挥不可替代的作用。

1859年普兰特(G.plante)第一次发明了铅酸蓄电池，至今已有一百多年的历史。

一百多年来，随着科学技术的发展，蓄电池的工艺、结构不断改善，性能不断提高。

尤其近年来，电动车的普及，极大地推动电池作为动力源应用的发展。

然而若使用不当，铅酸蓄电池寿命将大大缩短。

影响其寿命的因素很多。

研究发现：电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。

也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。

由此可见，一个好的充电器对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。

采用正确的充电方法，不仅能提高蓄电池的效能，更能有效延长蓄电池的使用寿命。

本文主要介绍一种改进的脉冲充电方法，能保证有效地消除极化现象，减少极板硫酸盐化，减少电池析气，延长电池使用寿命。

2．充电方法介绍
蓄电池中化学能和电能相互转换是可逆的，也就是充电过程和放电过程互为逆反应。

其放电及充电的化学反应式如下：
很显然，可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。

理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。

但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行,而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。

在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。

一般来说，常规充电有以下三种。

3．常规充电方法
常规充电方法是依据1940年前国际公认的经验法则设计的。

其中最著名的就是“安培小时规则”：充电电流安培数不应超过蓄电池待充电的安时数。

实际上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。

这个现象对蓄电池充电所必须的最短时间具有重要意义。

上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的蓄电池可接受的充电曲线，如图1
所示。

实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。

原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了充电方法的研究方向。

图1 最佳充电曲线
3.1恒流充电法
恒流充电法是在蓄电池充电过程中保持充电电流恒定的充电方法。

优点是控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使析气过多。

一方面造成蒸馏水的流失，同时伴随着电解液温度升高；另一方面电解析出的氢气也带来了不安全因素。

3.2阶段充电法
此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。

①二阶段法采用恒流和恒压相结合的充电方法。

首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。

一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。

②三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。

当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。

3.3恒压充电法
充电器的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。

与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。

由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。

这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。

但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池损坏。

另外充电机一般都是对串联得蓄电池组进行充电，由于存在极化现象，长期对蓄电池进行恒压充电容易造成各个蓄电池单体的端电压不一致，所以需要不定期的对电池进行均衡充电。

4．脉冲充电方法
为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到充足状态的时间，同时保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地轻，提高蓄电池充电效率。

快速充电技术近年来得到了迅速发展。

脉冲充电也是围绕着最佳充电曲线进行设计的，目的就是使其充电曲线尽可能地逼近最佳充电曲线，而且尽量的消除蓄电池的极化现象。

4.1脉冲充电法介绍
脉冲充电法不仅遵循蓄电池的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。

脉冲充电概括起来有以下几种：
（1）慢脉冲充电法
也叫间歇式脉冲充电。

一个工作周期包括正向充电脉冲，停充间歇期两个阶段。

其中停充间歇期主要用来消除极化现象。

（2）Reflex TM充电法
Reflex TM充电法的一个工作周期包括正向充电脉冲，反向瞬间放电脉冲，停充维持3个阶段。

（3）变电流间歇充电法
这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，其特点是将恒流充电阶段改为限压变电流间歇充电阶段。

（4）变电压间歇充电方法
在变电流间歇充电方法的基础上又有人提出了变电压间歇充电方法，只是改为了恒流限压式变电压充电。

（5）变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法
下面我们将主要介绍一种改进的脉冲充电方法。

4.2改进式脉冲充电方法
这种充电方法建立在恒流恒压充电和脉冲充电的基础上。

共分为三个阶段：恒定电流充电，恒定电压充电，脉冲充电。

充电初期采用标称电流对蓄电池进行充电。

在充电初期，此时充电接受率较大，用大电流可以使蓄电池进行充分反应，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，所以不宜进行太长时间，避免充电中后期电解液温度太高，影响蓄电池的使用寿命。

当恒流充电使电池电压达到一定值时，充电电流多用于电解水，不仅产生气体，而且电解液温度开始升高。

此时转为恒压充电，由于此时蓄电池容量已经达到70%左右，加上对最大电流进行限流，最大程度上保证了充电过程更接近于最佳充电曲线。

随着蓄电池容量的升高，其充电接受率在不断下降，所以在恒压充电阶段充电电流是一直在下降的，当电流下降至一定值时，电池的容量已经接近85～90%，此时充电流程转入第三阶段，也就是脉冲充电阶段。

在此阶段我们采用变电流脉冲充电的方法，电流按照指数规律下降，符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。

采用高低不同电流脉冲来充分降低蓄电池的极化现象，是其能更充分的进行反应。

另外，一方面对蓄电池进行了很好得补充充电，使蓄电池能够不欠充也不过充，因为这两种情况都直接影响着蓄电池的使用寿命；另一方面，通过脉冲的激活使极板上的硫酸盐化问题得到一定程度的缓解或解决。

同时通过间歇小电流充电，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化降低，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。

下面是我们的样机实验测试得出的数据图形。

如图2所示。

图2 改进脉冲充电曲线
由上图可以看出，在进入第三阶段后，实际上蓄电池的电压已经上升的很慢，脉冲的作用更多的体现在补充蓄电池和维护性能上。

5．结语
铅酸蓄电池是目前世界上广泛使用的一种化学电源，也是一种绿色能源。

它具有良好的可逆性，电压特性平稳，适用范围广，是社会生产经营活动中不可缺少的产品。

但由于充电技术制约，它的使用寿命一直受到影响。

我们提出这种改进的脉冲充电方法经过实验证明，不仅提高了蓄电池的充电接受率，而且还能对其进行维护和激活，能有效的延长蓄电池的使用寿命。