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蓄电池全新的充电模式--自然平衡充电法

编辑:芜湖海恩化工工贸有限公司  字号:
摘要:蓄电池全新的充电模式--自然平衡充电法
引言

发展中的民用电动交通产品,是未来蓄电池的最大市场。该市场能否获得快速平稳的发展,关键取决于电动交通产品的运行成本。其中围绕着蓄电池的几项技术指标,如蓄电池的单位储能指标,循环使用寿命,放电后的充电是否安全、方便,环境温度变化的适应能力等,又是影响运行成本的核心。以上任一个技术指标的突破,都将会使蓄电池在电动交通产品上的应用,向前迈出坚实的一步。

1 蓄电池与充电技术

对于铅酸、镉镍、镍氢3类以水为溶剂的电解液蓄电池,为了使用上的安全、方便、长寿命和免维护,在全世界化学电源工作者数代人不懈的努力下,终于从大量的实验中发现了"内部氧循环"的理论机制,使得该3类蓄电池所有的充放电反应,能在一个设计完好的带阀控的密封容器中反复安全进行。即蓄电池在充电和过充电期间,正电极析出的氧到达负电极后,能全部被负电极吸收还原,关系为i(O2析出)=i(O2还原),因而,蓄电池在长期的充放电过程中,不会造成电解液中水的损耗,以此来保证蓄电池的循环使用寿命与充电的安全。这一理论,在能够精确控制充电电流和其他充电副反应,同时使环境因素影响较小的情况下,显然是正确的。遗憾的是,这个正确的理论,只是来自化学电源的研究者,长期以来未被电路工作者真正理解和重视。由此造成蓄电池技术的发展领先于充电技术的发展,从而导致了今天我们在实际使用蓄电池时,经常出现电池未达到设计的使用寿命,就出现了性能下降甚至报废的现象,针对蓄电池使用中存在的问题,我们用了8年的时间,对传统的蓄电池恒流、恒压充电技术,以及由该技术发展延伸出来的分段恒流、限流恒压等充电技术,进行了深入的分析与实验,下面是我们对传统充电技术的认识。

恒流充电方式,顾名思义是指蓄电池放完电后,在充电恢复容量过程中,要求充电器根据电池的不同A•h数,以某一确定的输出电流对蓄电池进行充电,该电流从蓄电池的充电开始到充电结束,始终是恒定不变的。

恒压充电方式,顾名思义是指蓄电池放完电后,在充电恢复容量的过程中,要求充电器按不同种类的蓄电池,以某一确定的输出电压对蓄电池进行的充电,该电压从蓄电池的充电开始到充电结束,始终是恒定不变的。

以国内外使用最多也最为普遍,研究分析也最为深刻的铅酸蓄电池为例。请观察一幅在研究阀控式铅酸蓄电池技术方面,经常看到和用到的图1。这里我们要说明的是,这幅图是专家们抛开日常环境温度变化对蓄电池充电过程的影响,用经过改进的恒压限流方法对蓄电池充电所获得的。因是恒压限流充电方式,所以代表电流变化的I线,起始段有一小段是限流值。代表电压的V线起始段是一段很陡的上升线,更确切地讲由于充电器的限流作用应是电压的下跌线。

图1中,左边的纵轴线为蓄电池充电电压,横轴线为时间,I线代表蓄电池在充电过程中不同时刻受电能力的电流变化曲线,V线代表蓄电池充电过程中各时刻能接受的最高安全电压,也是设计充电器的恒压输出线,C线代表蓄电池充电过程中容量随时间的增加表现的恢复曲线。

从I曲线上可清楚看到,充电过程中蓄电池在不同时刻的电流接受能力。显然,在时间轴上,蓄电池电流接受曲线I是一条变化很大的非线性曲线,各个时刻蓄电池的电流接受能力是完全不同的,那么该曲线上哪一时刻的电流用作蓄电池恒流充电,能使蓄电池既安全,又能在人们可接受的有限时间上将蓄电池充满,包括恒流充电法改进后的有限次数的分段恒流法在内,无论怎么看,我们都觉得是难以实现的,更加困难的是,电池每次使用的放电深度是不一样的,环境温度都不一样,新旧程度也不一样,如果每次充电都用同样的电流和时间去充,造成的电池损害是不可逆转的。

再看恒压充电法,从V线上我们看到充电器的输出电压,始终是在充电器设计者认为蓄电池安全受电的最高允许电压上,低于这个电压,将无法使蓄电池充满,这个电压是否真的安全?有关资料明确告诉我们,充电过程中,单体蓄电池的充电电压比电池自身实时的电压高出100mV,通过蓄电池的充电电流比蓄电池的最大安全受电电流要增大10倍以上。而充电前蓄电池一般都是在放完电后,这时的蓄电池肯定是处在最低的电压上。如单体铅酸蓄电池,放电后一般为1.8~2.0V,而此时的充电电压如果是恒定在2.25~2.4V,可见充电器输出的电压和蓄电池电压的差已远远大于100mV。

这样的恒压充电,通过蓄电池的充电电流将是蓄电池最大安全电流的几十倍,如果充电器的输出功率与容量足够大的话,必定会造成蓄电池的损坏,如果充电器的容量不够,那就必定会造成充电器的过载烧毁。经过改进后的恒压限流充电方式,为了能保障蓄电池和充电器不致遭到损坏的厄运,却降低了充电效率,增加了损耗,延长了充电时间,这是恒压充电V线的起始时间段;到V线的最后阶段,由于绝大多数的充电器没有环境温度变化的跟踪补偿能力,充电器此时还保存着最大的电流输出能力。如不及时关断充电电源,极易在环境温度变化中造成蓄电池的损坏。至此,我们可以看出,造成阀控式蓄电池使用中出现早期性能下降和损失容量的重要原因,大多是传统蓄电池充电技术落后与过程控制不力所致。

2 全新的充电模式

分析了传统蓄电池充电技术存在的问题,经过长时间的思考与实验,我们提出了"蓄电池自然平衡充电法"的新模式,该充电法的充电过程如下。

图2中有A、B二个电源EA及EB,当电源EA与电源EB处在同一环境温度下,正极和正极相连,负极和负极相连,它们所形成的闭合回路中,存在如下的关系,EA电源如果高出电源EB,A电源将向B电源提供EA-EB=ΔE的电压,将按ΔE的大小,提供一Δi电流,使电源EB上升到完全等于电源EA的电压时,(在蓄电池中表现为,蓄电池端电压的上升和电荷存储量的增加)。电源EA将停止向电源EB提供电流,也就是EA=EB,ΔE=0,Δi=0。

在上面描述中,我们把电源EB换成被充电的蓄电池,寻找出在不同放电深度与环境温度下,蓄电池对应的电压。将A电源电压EA,精心设计成在不同环境温度下,能按蓄电池充电平衡需要,自动调节输出电压和电流的电源,与之对应连接,完全理想化的情况下,电源EA能根据蓄电池在任一环境温度下,能够接受的安全电流,对电池进行充电,电池充足电后,ΔE=0、Δi=0,A电源将不消耗功率,此后,A电源EA,只随环境温度的变化,对被充蓄电池提供跟踪平衡补偿,蓄电池充电的整个过程,完全是自动完成的,所以,我们称之为自然平衡法。

此方法完全理想化的情况是,蓄电池充足电后,A电源EA无功率供给蓄电池EB。实际的情况经实验证实,与上面提出的理想情况稍有差别,即A电源在蓄电池充满后,由于蓄电池存在着漏电,和内部氧循环的需要,还维持着很小的但对蓄电池组的均衡很有用的电流,由于这一特性的存在,几乎使这一充电技术更加接近完美。
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