动力型铅酸电池充电控制技术研究

摘要：铅酸蓄电池由于其制造成本低，容量大，价格低廉而得到了广泛的使用。但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，而采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命。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。所以，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。

关键词:铅酸蓄电池；动力型；充电方法；控制技术

中图分类号: TM921.1文献标识码：A文章编号：

新的蓄电池投入使用后，必须定期地进行充电和放电。充电的目的是使蓄电池贮存电能及时地恢复容量，以满足用电设备的需要。放电的目的是及时地检验蓄电池容量参数，及促进电极活性物质的活化反应。蓄电池充电和放电状况的好坏，将直接影响到蓄电池的电性能及使用寿命。目前对蓄电池充电的方法很多，选择科学合理的充电方法将会大大提高蓄电池的维护效果。

1铅酸蓄电池充放电工作原理

1.1 铅酸蓄电池充放电的电化学理论

1.1.1铅酸蓄电池充电过程的电化反应

蓄电池是可逆的，其放电及充电的化学反应式如下：

PbO2＋Pb＋2H2SO4→PbSO4＋2H2O

充电时，应在外接一直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。在正极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（Pb2+）和硫酸根负离子（SO4-2），由于外电源不断从正极吸取电子，则正极板附近游离的二价铅离子（Pb2+）不断放出两个电子来补充，变成四价铅离子（Pb4+），并与水继续反应，最终在正极极板上生成二氧化铅（PbO2）。在负极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（Pb2+）和硫酸根负离子（SO4-2），由于负极不断从外电源获得电子，则负极板附近游离的二价铅离子（Pb2+）被中和为铅（Pb），并以绒状铅附着在负极板上。电解液中，正极不断产生游离的氢离子（H+）和硫酸根离子（SO4-2），负极不断产生硫酸根离子（SO4-2），在电场的作用下，氢离子向负极移动，硫酸根离子向正极移动，形成电流。充电后期，在外电流的作用下，溶液中还会发生水的电解反应。

1.1.2铅酸蓄电池充放电后电解液的变化

铅酸蓄电池放电时，电解液中的硫酸不断减少，水逐渐增多，溶液比重下降；铅酸蓄电池充电时，电解液中的硫酸不断增多，水逐渐减少，溶液比重上升。实际工作中，可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。

1.2 蓄电池极化现象分析

（1）欧姆极化充电过程中，正负离子向两极迁移。在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。为了克服这个内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。（2）浓度极化电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就是说，从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。这种现象称为浓度极化。（3）电化学极化这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。例如，电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。放电时，立即有电子释放给外电路。电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢Me－e、Me＋，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化。这种表面负电荷减少的状态促进金属中电子离开电极，金属离子Me＋转入溶液，加速Me－e、Me＋反应进行。总有一个时刻，达到新的动态平衡。但与放电前相比，电极表面所带负电荷数目减少了，与此对应的电极电势变正。也就是电化学极化电压变高，从而严重阻碍了正常的充电电流。同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电势变负。以上三种极化现象都是随着充电电流的增大而变得越来越严重。

2铅酸蓄电池充电方法

常规充电制度是依据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。常用的充电方法：1）恒流充电法；2）分段电流充电法（二阶段充电法、三阶段充电法）；

3）恒压充电法；4）恒压限流充电法；5）脉冲式充电法：脉冲充电法首先是用脉冲电流对蓄电池充电，然后停充一段时间，如此循环；6）变电流间歇充电法；

7）变电压间歇充电法。

2.1快速充电法

2.1.1脉冲式充电法

脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期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自然而然地得到消除，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。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。 2.1.2 ReflexTM快速充电法这种技术是美国的一项专利技术，它主要面对的充电对象是镍镉电池。由于它采用了新型的充电方法，解决了镍镉电池的记忆效应，因此，大大降低了蓄电池的快速充电的时间。铅酸蓄电池的充电方法和对充电状态的检测方法与镍镉电池有很大的不同，但它们之间可以相互借鉴。

2.1.3 变电流间歇充电法充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，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自然而然地得到消除，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。

3动力型铅酸蓄电池充电过程中的要点及解决方法

3.1充电电流

充电电流过大，会造成极板弯曲，活性物质脱落。极板弯曲会造成内部短路，直接导致报废；活性物质脱落，会导致电池容量下降，寿命快速缩短。解决方法：用三阶段恒流充电法，开始电池对电能的接受能力强时用较大的电流，一般为计算方法为：一阶段充电电流=（电池容量×）×10%；二阶段电流为一阶段的2/3倍，三阶段的电流可为一阶段的1/3倍。这样就可有效的解决电流大对电池造成的损坏，又能缩短充电时间。

3.2电解液损耗大

电池在充电后期会出现极化现象，电池对电流的接受能力下降，电池的单格电压充到2.4V时即开始电解水。电池的充电接受能力下降，充入的电能很大一部分用于水的电解，产生氢气和氧气，还有酸雾。严重时遇到火星电池即发生爆炸，电解液损耗的多如不及时补充，使极板露于空气中，直接导致电池寿命缩短。解决方法：在单体电池的端电压达到2.4V时，即转为二阶段电流充电，这样可有效的减少电解液的损耗。

3.3电池发热

发热与电池的充电电流有很大的关系。动力型电池内部正板是管状结构，这种结构的电池的寿命长，但内阻要比普通电池的内阻大，有电流流过就要产生热，再都前面讲的，电池开始电解水也会产生热量。如果这些热量控制不好，导致电池自身发热温度高，会严重影响电池的寿命。解决方法：电池的发热和电流的大小及散热方式有直接关系，因为很难实现在充电时用水冷降温，所以最直接的方法就是控制电流的大小，分阶段充电法可解决。

3.4电池电压的均恒性

由于电池的生产过程中的很多不确定因素，导致每一块电池的端电压是不同的，端电压均恒性不好的电池组在使用一段时间后，有的电池充电后达到单格

2.6V,有的电池只有2.1V。因为只是控制电池组的总电压，所以时间长了高电压的电池会造成过充电，而低电压的电池则会亏电。解决方法：在充电后期加均恒充电过程，小电流的补充电2h，此过程每两周使用一次即可有效的解决电池端电压均恒性不好带来的问题。

3.5电池过充电

动力型电池因内部是管状结构，内阻大不适用恒压充电，恒流充电效果好，但如果控制不好，电池长时间过充电，就会造成活性物质脱落，就是我们常说的充酥了，这会严重影响电池的寿命。解决方法：用微电脑来计算蓄电池的充电量，充电时间，把握电池充满的关键因素，使充电过程能把电池充满而不过充。

4智能型充电机的工作原理

根据搬运车用蓄电池的特性，充电机对电池完成三阶段恒流充电，共有七个可变参数，分别为：一阶段恒流参数、一阶段转电压参数、二阶段恒流参数、二阶段电压参数、三阶段恒流参数、三阶段时间参数、过流报警参数。因充电初期电池的对充电电流接受能力强，一阶段为大电流强充，充电电流计算：电池容量/10×1.4倍=70A，充电至电池单格电压2.4V，电池组端电压达到57V，电解液中开始析出气泡，对电流接受能力减弱时充电机自动转至二阶段恒流充电，二阶段电流减为一阶段的一半35A，充电机以电池电压的变化率为基准判断电池的充电状况。这里我们运用了铅酸电池的一个特性：即电池组在接尽充满时电池组的端电压不再随充电时间的延长而继续增长，而是处于一个相对稳定的电压，继续充电时端电压反而有下降的趋势。正是利用这一特性，充电2h后,每10min检测一下端电压，如果小于我们设定值，如0.3V，就满足条件自动转入三阶段延时均恒充电，三阶段可以电池的均恒性得到提高，以保证每一只电池都能充满，设定时间到自动停机。智能型充电机工程流程如图1所示。

图1 智能型充电机工作流程

5结论