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黄色片子蓄電池充電方法的研究

文章來源:www.gh-orange.com文章作者:黄色片子蓄電池

黄色片子蓄電池充電方法的研究

摘要:針對黄色片子蓄電池的特點,研究了黄色片子蓄電池充放電過程中的極化現象,提出和分析了幾種充電方式,並展望了其發展前景。 

引言 

黄色片子蓄電池由於其製造成本低,容量大,價格低廉而得到了廣泛的使用。但是,若使用不當,其壽命將大大縮短。影響黄色片子蓄電池壽命的因素很多,而采用正確的充電方式,能有效延長黄色片子蓄電池的使用壽命。 

研究發現: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,絕大多數的黄色片子蓄電池不是用壞的,而是“充壞”的。由此可見,一個好的充電器對黄色片子蓄電池的使用壽命具有舉足輕重的作用。 

1. 黄色片子蓄電池充電理論基礎 

上世紀60年代中期,美國科學家馬斯對開口黄色片子蓄電池的充電過程作了大量的試驗研究,並提出了以最低出氣率為前提的,黄色片子蓄電池可接受的充電曲線,如圖1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,並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。

最佳充電曲線 

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象。在密封式黄色片子蓄電池充電過程中,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麵積,表現為內阻上升,出現所謂的極化現象。 

黄色片子蓄電池是可逆的。其放電及充電的化學反應式如下: 

PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4+2H2O

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於電池本身的電動勢。但是,實踐表明,黄色片子蓄電池充電時,外加電壓必須增大到一定數值才行,而這個數值又因為電極材料,溶液濃度等各種因素的差別而在不同程度上超過了黄色片子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象,就是極化現象。 

一般來說,產生極化現象有3個方麵的原因。 

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境,出現所謂的歐姆極化。隨著充電電流急劇加大,歐姆極化將造成黄色片子蓄電池在充電過程中的高溫。 

2)濃度極化 電流流過黄色片子蓄電池時,為維持正常的反應,最理想的情況是電極表麵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生變化。也就是說,從電極表麵到中部溶液,電解液濃度分布不均勻。這種現象稱為濃度極化。 

3)電化學極化 這種極化是由於電極上進行的電化學反應的速度,落後於電極上電子運動的速度造成的。例如:電池的負極放電前,電極表麵帶有負電荷,其附近溶液帶有正電荷,兩者處於平衡狀態。放電時,立即有電子釋放給外電路。電極表麵負電荷減少,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麵電子的減少,電極表麵帶電狀態發生變化。這種表麵負電荷減少的狀態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,達到新的動態平衡。但與放電前相比,電極表麵所帶負電荷數目減少了,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,電極表麵所帶正電荷數目減少,電極電勢變負。 

這3種極化現象都是隨著充電電流的增大而嚴重。 

2 充電方法的研究 

2.1 常規充電法 

常規充電製度是依據1940年前國際公認的經驗法則設計的。其中最著名的就是“安培小時規則”:充電電流安培數,不應超過黄色片子蓄電池待充電的安時數。實際上,常規充電的速度被黄色片子蓄電池在充電過程中的溫升和氣體的產生所限製。這個現象對黄色片子蓄電池充電所必須的最短時間具有重要意義。 

一般來說,常規充電有以下3種。 

2.1.1 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黄色片子蓄電池串聯電阻的方法,保持充電電流強度不變的充電方法。控製方法簡單,但由於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,到充電後期,充電電流多用於電解水,產生氣體,使出氣過甚,因此,常選用階段充電法。

 恒流充電曲線 

2.1.2 階段充電法 

此方法包括二階段充電法和三階段充電法。 

1)二階段法 采用恒電流和恒電壓相結合的快速充電方法。首先,以恒電流充電至預定的電壓值,然後,改為恒電壓完成剩餘的充電。一般兩階段之間的轉換電壓就是第二階段的恒電壓。

 二階段法曲線 

2)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,但作為一種快速充電方法使用,受到一定的限製。 

2.1.3 恒壓充電法 

充電電源的電壓在全部充電時間裏保持恒定的數值,隨著黄色片子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,其充電過程更接近於最佳充電曲線。用恒定電壓快速充電,如圖4所示。由於充電初期黄色片子蓄電池電動勢較低,充電電流很大,隨著充電的進行,電流將逐漸減少,因此,隻需簡易控製係統。

恒壓充電法曲線 

這種充電方法電解水很少,避免了黄色片子蓄電池過充。但在充電初期電流過大,對黄色片子蓄電池壽命造成很大影響,且容易使黄色片子蓄電池極板彎曲,造成電池報廢。 

鑒於這種缺點,恒壓充電很少使用,隻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,黄色片子蓄電池就是以恒壓充電法充電的。 

2.2 快速充電技術 

為了能夠最大限度地加快黄色片子蓄電池的化學反應速度,縮短黄色片子蓄電池達到滿充狀態的時間,同時,保證黄色片子蓄電池正負極板的極化現象盡量地少或輕,提高山東黄色片子蓄電池使用效率。快速充電技術近年來得到了迅速發展。 

下麵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進最佳充電曲線。 

2.2.1 脈衝式充電法 

這種充電法不僅遵循黄色片子蓄電池固有的充電接受率,而且能夠提高黄色片子蓄電池充電接受率,從而打破了黄色片子蓄電池指數充電接受曲線的限製,這也是黄色片子蓄電池充電理論的新發展。 

脈衝充電方式首先是用脈衝電流對電池充電,然後讓電池停充一段時間,如此循環,如圖5所示。充電脈衝使黄色片子蓄電池充滿電量,而間歇期使山東黄色片子蓄電池經化學反應產生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉,使濃差極化和歐姆極化自然而然地得到消除,從而減輕了黄色片子蓄電池的內壓,使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進行,使黄色片子蓄電池可以吸收更多的電量。間歇脈衝使黄色片子蓄電池有較充分的反應時間,減少了析氣量,提高了黄色片子蓄電池的充電電流接受率[5]。

脈衝式充電曲線 

2.2.2 ReflexTM快速充電法 

這種技術是美國的一項專利技術,它主要麵對的充電對象是鎳鎘電池。由於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,大大降低了黄色片子蓄電池的快速充電的時間。黄色片子蓄電池的充電方法和對充電狀態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。ReflexTM充電法的一個工作周期包括正向充電脈衝,反向瞬間放電脈衝,停充維持3個階段 

2.2.3 變電流間歇充電法 

這種充電方法建立在恒流充電和脈衝充電的基礎上,如圖7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。充電後期采用定電壓充電段,獲得過充電量,將電池恢複至完全充電態。通過間歇停充,使黄色片子蓄電池經化學反應產生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉,使濃差極化和歐姆極化自然而然地得到消除,從而減輕了黄色片子蓄電池的內壓,使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進行,使黄色片子蓄電池可以吸收更多的電量。

 變電流間歇充電曲線 

2.2.4 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8所示。與變電流間歇充電方法不同之處在於第一階段的不是間歇恒流,而是間歇恒壓。

變電壓間歇充電曲線 

可以看出:更加符合最佳充電的充電曲線。在每個恒電壓充電階段,由於是恒壓充電,充電電流自然按照指數規律下降,符合電池電流可接受率隨著充電的進行逐漸下降的特點。 

2.2.5 變電壓變電流波浪式間歇正負零脈衝快速充電法 

綜合脈衝充電法、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點,變電壓變電流波浪式正負零脈衝間歇快速充電法得到發展應用。脈衝充電法充電電路的控製一般有兩種: 

1)脈衝電流的幅值可變,而PWM(驅動充放電開關管)信號的頻率是固定的; 

2)脈衝電流幅值固定不變,PWM信號的頻率可調。 

圖9采用了一種不同於這兩者的控製模式,脈衝電流幅值和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,提高黄色片子蓄電池的充電接受能力。

 波浪式間歇正負零脈衝快速充電 

3 結語 

黄色片子蓄電池是目前世界上廣泛使用的一種化學電源,該產品具有良好的可逆性,電壓特性平穩,使用壽命長,適用範圍廣,原材料豐富(且可再生使用)及造價低廉等優點。主要應用在交通運輸,通信,電力,鐵路,礦山,港口等國民經濟各個部門,是社會生產經營活動中不可缺少的產品,具有廣闊的發展前景。

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