蓄電池全新的充電模式
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摘要：從閥控蓄電池內部氧循環(huán)的設計理念出發(fā)，分析了現有各種充電方法存在的問(wèn)題，提出了蓄電池全新的充電模式--自然平衡充電法，并對此方法的原理進(jìn)行了淺述，使用根據這一原理設計的充電裝置，才會(huì )使蓄電池的循環(huán)使用壽命有真正意義上的保障和提高。
關(guān)鍵詞：蓄電池；內部氧循環(huán)；充電器；自然平衡充電法
引言
發(fā)展中的民用電動(dòng)交通產(chǎn)品，是未來(lái)蓄電池的最大市場(chǎng)。該市場(chǎng)能否獲得快速平穩的發(fā)展，關(guān)鍵取決于電動(dòng)交通產(chǎn)品的運行成本。其中圍繞著(zhù)蓄電池的幾項技術(shù)指標，如蓄電池的單位儲能指標，循環(huán)使用壽命，放電后的充電是否安全、方便，環(huán)境溫度變化的適應能力等，又是影響運行成本的核心。以上任一個(gè)技術(shù)指標的突破，都將會(huì )使蓄電池在電動(dòng)交通產(chǎn)品上的應用，向前邁出堅實(shí)的一步。
1 蓄電池與充電技術(shù)
對于鉛酸、鎘鎳、鎳氫3類(lèi)以水為溶劑的電解液蓄電池，為了使用上的安全、方便、長(cháng)壽命和免維護，在全世界化學(xué)電源工作者數代人不懈的努力下，終于從大量的實(shí)驗中發(fā)現了"內部氧循環(huán)"的理論機制，使得該3類(lèi)蓄電池所有的充放電反應，能在一個(gè)設計完好的帶閥控的密封容器中反復安全進(jìn)行。即蓄電池在充電和過(guò)充電期間，正電極析出的氧到達負電極后，能全部被負電極吸收還原，關(guān)系為i（O2析出）=i（O2還原），因而，蓄電池在長(cháng)期的充放電過(guò)程中，不會(huì )造成電解液中水的損耗，以此來(lái)保證蓄電池的循環(huán)使用壽命與充電的安全。這一理論，在能夠精確控制充電電流和其他充電副反應，同時(shí)使環(huán)境因素影響較小的情況下，顯然是正確的。遺憾的是，這個(gè)正確的理論，只是來(lái)自化學(xué)電源的研究者，長(cháng)期以來(lái)未被電路工作者真正理解和重視。由此造成蓄電池技術(shù)的發(fā)展領(lǐng)先于充電技術(shù)的發(fā)展，從而導致了今天我們在實(shí)際使用蓄電池時(shí)，經(jīng)常出現電池未達到設計的使用壽命，就出現了性能下降甚至報廢的現象，針對蓄電池使用中存在的問(wèn)題，我們用了8年的時(shí)間，對傳統的蓄電池恒流、恒壓充電技術(shù)，以及由該技術(shù)發(fā)展延伸出來(lái)的分段恒流、限流恒壓等充電技術(shù)，進(jìn)行了深入的分析與實(shí)驗，下面是我們對傳統充電技術(shù)的認識。
恒流充電方式，顧名思義是指蓄電池放完電后，在充電恢復容量過(guò)程中，要求充電器根據電池的不同Ah數，以某一確定的輸出電流對蓄電池進(jìn)行充電，該電流從蓄電池的充電開(kāi)始到充電結束，始終是恒定不變的。
恒壓充電方式，顧名思義是指蓄電池放完電后，在充電恢復容量的過(guò)程中，要求充電器按不同種類(lèi)的蓄電池，以某一確定的輸出電壓對蓄電池進(jìn)行的充電，該電壓從蓄電池的充電開(kāi)始到充電結束，始終是恒定不變的。
以國內外使用最多也最為普遍，研究分析也最為深刻的鉛酸蓄電池為例。請觀(guān)察一幅在研究閥控式鉛酸蓄電池技術(shù)方面，經(jīng)?？吹胶陀玫降膱D1。這里我們要說(shuō)明的是，這幅圖是專(zhuān)家們拋開(kāi)日常環(huán)境溫度變化對蓄電池充電過(guò)程的影響，用經(jīng)過(guò)改進(jìn)的恒壓限流方法對蓄電池充電所獲得的。因是恒壓限流充電方式，所以代表電流變化的I線(xiàn)，起始段有一小段是限流值。代表電壓的V線(xiàn)起始段是一段很陡的上升線(xiàn)，更確切地講由于充電器的限流作用應是電壓的下跌線(xiàn)。
圖1中，左邊的縱軸線(xiàn)為蓄電池充電電壓，橫軸線(xiàn)為時(shí)間，I線(xiàn)代表蓄電池在充電過(guò)程中不同時(shí)刻受電能力的電流變化曲線(xiàn)，V線(xiàn)代表蓄電池充電過(guò)程中各時(shí)刻能接受的最高安全電壓，也是設計充電器的恒壓輸出線(xiàn)，C線(xiàn)代表蓄電池充電過(guò)程中容量隨時(shí)間的增加表現的恢復曲線(xiàn)。
從I曲線(xiàn)上可清楚看到，充電過(guò)程中蓄電池在不同時(shí)刻的電流接受能力。顯然，在時(shí)間軸上，蓄電池電流接受曲線(xiàn)I是一條變化很大的非線(xiàn)性曲線(xiàn)，各個(gè)時(shí)刻蓄電池的電流接受能力是完全不同的，那么該曲線(xiàn)上哪一時(shí)刻的電流用作蓄電池恒流充電，能使蓄電池既安全，又能在人們可接受的有限時(shí)間上將蓄電池充滿(mǎn)，包括恒流充電法改進(jìn)后的有限次數的分段恒流法在內，無(wú)論怎么看，我們都覺(jué)得是難以實(shí)現的，更加困難的是，電池每次使用的放電深度是不一樣的，環(huán)境溫度都不一樣，新舊程度也不一樣，如果每次充電都用同樣的電流和時(shí)間去充，造成的電池損害是不可逆轉的。
再看恒壓充電法，從V線(xiàn)上我們看到充電器的輸出電壓，始終是在充電器設計者認為蓄電池安全受電的最高允許電壓上，低于這個(gè)電壓，將無(wú)法使蓄電池充滿(mǎn)，這個(gè)電壓是否真的安全？有關(guān)資料明確告訴我們，充電過(guò)程中，單體蓄電池的充電電壓比電池自身實(shí)時(shí)的電壓高出100mV，通過(guò)蓄電池的充電電流比蓄電池的最大安全受電電流要增大10倍以上。而充電前蓄電池一般都是在放完電后，這時(shí)的蓄電池肯定是處在最低的電壓上。如單體鉛酸蓄電池，放電后一般為1.8～2.0V，而此時(shí)的充電電壓如果是恒定在2.25～2.4V，可見(jiàn)充電器輸出的電壓和蓄電池電壓的差已遠遠大于100mV。
這樣的恒壓充電，通過(guò)蓄電池的充電電流將是蓄電池最大安全電流的幾十倍，如果充電器的輸出功率與容量足夠大的話(huà)，必定會(huì )造成蓄電池的損壞，如果充電器的容量不夠，那就必定會(huì )造成充電器的過(guò)載燒毀。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的恒壓限流充電方式，為了能保障蓄電池和充電器不致遭到損壞的厄運，卻降低了充電效率，增加了損耗，延長(cháng)了充電時(shí)間，這是恒壓充電V線(xiàn)的起始時(shí)間段；到V線(xiàn)的最后階段，由于絕大多數的充電器沒(méi)有環(huán)境溫度變化的跟蹤補償能力，充電器此時(shí)還保存著(zhù)最大的電流輸出能力。如不及時(shí)關(guān)斷充電電源，極易在環(huán)境溫度變化中造成蓄電池的損壞。至此，我們可以看出，造成閥控式蓄電池使用中出現早期性能下降和損失容量的重要原因，大多是傳統蓄電池充電技術(shù)落后與過(guò)程控制不力所致。
分析了傳統蓄電池充電技術(shù)存在的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的思考與實(shí)驗，我們提出了"蓄電池自然平衡充電法"的新模式，該充電法的充電過(guò)程如下。
圖2中有A、B二個(gè)電源EA及EB，當電源EA與電源EB處在同一環(huán)境溫度下，正極和正極相連，負極和負極相連，它們所形成的閉合回路中，存在如下的關(guān)系，EA電源如果高出電源EB，A電源將向B電源提供EA－EB=ΔE的電壓，將按ΔE的大小，提供一Δi電流，使電源EB上升到完全等于電源EA的電壓時(shí)，（在蓄電池中表現為，蓄電池端電壓的上升和電荷存儲量的增加）。電源EA將停止向電源EB提供電流，也就是EA=EB，ΔE=0，Δi=0。
此方法完全理想化的情況是，蓄電池充足電后，A電源EA無(wú)功率供給蓄電池EB。實(shí)際的情況經(jīng)實(shí)驗證實(shí)，與上面提出的理想情況稍有差別，即A電源在蓄電池充滿(mǎn)后，由于蓄電池存在著(zhù)漏電，和內部氧循環(huán)的需要，還維持著(zhù)很小的但對蓄電池組的均衡很有用的電流，由于這一特性的存在，幾乎使這一充電技術(shù)更加接近完美。
為進(jìn)一步說(shuō)明，特提供一組用我們設計的充電器，對市場(chǎng)上某品牌鎳氫電池（Ni-HM）5號1300mAh，8只串聯(lián)充放電結果的打印曲線(xiàn)（環(huán)境溫度為25℃）如圖3～圖6所示。從這一組電池的充電電流接受曲線(xiàn)、充電電壓上升曲線(xiàn)、電池溫度變化曲線(xiàn)、0.5C恒流放電曲線(xiàn)可以看到，整個(gè)充電過(guò)程，電池溫升很小，不超過(guò)3～4℃，充滿(mǎn)電的時(shí)間，從標準的14～15h，縮短為3～4.5h。由于整個(gè)充電過(guò)程電池溫升很小，所以，不需要進(jìn)行任何的人為干預。
3 結語(yǔ)
上例充電器，在數碼相機、手持電腦、無(wú)線(xiàn)對講機、移動(dòng)儀器、閉路監控、礦山礦工井下照明、電動(dòng)玩具等許多領(lǐng)域的配套上，有著(zhù)廣闊的市場(chǎng)。
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