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蓄電池全新的充電模式--自然平衡充電法

編輯:蕪湖ASIAGAME集团化工工貿有限公司  字號:
摘要:蓄電池全新的充電模式--自然平衡充電法
引言

發展中的民用電動交通產品,是未來蓄電池的最大市場。該市場能否獲得快速平穩的發展,關鍵取決於電動交通產品的運行成本。其中圍繞著蓄電池的幾項技術指標,如蓄電池的單位儲能指標,循環使用壽命,放電後的充電是否安全、方便,環境溫度變化的適應能力等,又是影響運行成本的核心。以上任一個技術指標的突破,都將會使蓄電池在電動交通產品上的應用,向前邁出堅實的一步。

1 蓄電池與充電技術

對於鉛酸、鎘鎳、鎳氫3類以水為溶劑的電解液蓄電池,為了使用上的安全、方便、長壽命和免維護,在全世界化學電源工作者數代人不懈的努力下,終於從大量的實驗中發現了"內部氧循環"的理論機製,使得該3類蓄電池所有的充放電反應,能在一個設計完好的帶閥控的密封容器中反複安全進行。即蓄電池在充電和過充電期間,正電極析出的氧到達負電極後,能全部被負電極吸收還原,關係為i(O2析出)=i(O2還原),因而,蓄電池在長期的充放電過程中,不會造成電解液中水的損耗,以此來保證蓄電池的循環使用壽命與充電的安全。這一理論,在能夠精確控製充電電流和其他充電副反應,同時使環境因素影響較小的情況下,顯然是正確的。遺憾的是,這個正確的理論,隻是來自化學電源的研究者,長期以來未被電路工作者真正理解和重視。由此造成蓄電池技術的發展領先於充電技術的發展,從而導致了今天我們在實際使用蓄電池時,經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題,我們用了8年的時間,對傳統的蓄電池恒流、恒壓充電技術,以及由該技術發展延伸出來的分段恒流、限流恒壓等充電技術,進行了深入的分析與實驗,下麵是我們對傳統充電技術的認識。

恒流充電方式,顧名思義是指蓄電池放完電後,在充電恢複容量過程中,要求充電器根據電池的不同A•h數,以某一確定的輸出電流對蓄電池進行充電,該電流從蓄電池的充電開始到充電結束,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後,在充電恢複容量的過程中,要求充電器按不同種類的蓄電池,以某一確定的輸出電壓對蓄電池進行的充電,該電壓從蓄電池的充電開始到充電結束,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。請觀察一幅在研究閥控式鉛酸蓄電池技術方麵,經常看到和用到的圖1。這裏我們要說明的是,這幅圖是專家們拋開日常環境溫度變化對蓄電池充電過程的影響,用經過改進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,起始段有一小段是限流值。代表電壓的V線起始段是一段很陡的上升線,更確切地講由於充電器的限流作用應是電壓的下跌線。

圖1中,左邊的縱軸線為蓄電池充電電壓,橫軸線為時間,I線代表蓄電池在充電過程中不同時刻受電能力的電流變化曲線,V線代表蓄電池充電過程中各時刻能接受的最高安全電壓,也是設計充電器的恒壓輸出線,C線代表蓄電池充電過程中容量隨時間的增加表現的恢複曲線。

從I曲線上可清楚看到,充電過程中蓄電池在不同時刻的電流接受能力。顯然,在時間軸上,蓄電池電流接受曲線I是一條變化很大的非線性曲線,各個時刻蓄電池的電流接受能力是完全不同的,那麽該曲線上哪一時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間上將蓄電池充滿,包括恒流充電法改進後的有限次數的分段恒流法在內,無論怎麽看,我們都覺得是難以實現的,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,低於這個電壓,將無法使蓄電池充滿,這個電壓是否真的安全?有關資料明確告訴我們,充電過程中,單體蓄電池的充電電壓比電池自身實時的電壓高出100mV,通過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後,這時的蓄電池肯定是處在最低的電壓上。如單體鉛酸蓄電池,放電後一般為1.8~2.0V,而此時的充電電壓如果是恒定在2.25~2.4V,可見充電器輸出的電壓和蓄電池電壓的差已遠遠大於100mV。

這樣的恒壓充電,通過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,必定會造成蓄電池的損壞,如果充電器的容量不夠,那就必定會造成充電器的過載燒毀。經過改進後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,延長了充電時間,這是恒壓充電V線的起始時間段;到V線的最後階段,由於絕大多數的充電器沒有環境溫度變化的跟蹤補償能力,充電器此時還保存著最大的電流輸出能力。如不及時關斷充電電源,極易在環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落後與過程控製不力所致。

2 全新的充電模式

分析了傳統蓄電池充電技術存在的問題,經過長時間的思考與實驗,我們提出了"蓄電池自然平衡充電法"的新模式,該充電法的充電過程如下。

圖2中有A、B二個電源EA及EB,當電源EA與電源EB處在同一環境溫度下,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,存在如下的關係,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上升到完全等於電源EA的電壓時,(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。

在上麵描述中,我們把電源EB換成被充電的蓄電池,尋找出在不同放電深度與環境溫度下,蓄電池對應的電壓。將A電源電壓EA,精心設計成在不同環境溫度下,能按蓄電池充電平衡需要,自動調節輸出電壓和電流的電源,與之對應連接,完全理想化的情況下,電源EA能根據蓄電池在任一環境溫度下,能夠接受的安全電流,對電池進行充電,電池充足電後,ΔE=0、Δi=0,A電源將不消耗功率,此後,A電源EA,隻隨環境溫度的變化,對被充蓄電池提供跟蹤平衡補償,蓄電池充電的整個過程,完全是自動完成的,所以,我們稱之為自然平衡法。

此方法完全理想化的情況是,蓄電池充足電後,A電源EA無功率供給蓄電池EB。實際的情況經實驗證實,與上麵提出的理想情況稍有差別,即A電源在蓄電池充滿後,由於蓄電池存在著漏電,和內部氧循環的需要,還維持著很小的但對蓄電池組的均衡很有用的電流,由於這一特性的存在,幾乎使這一充電技術更加接近完美。
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