CGB蓄電池充電方法的研究

摘要：針對(duì)CGB蓄電池的特點(diǎn)，研究了CGB蓄電池充放電過(guò)程中的極化現(xiàn)象，提出和分析了幾種充電方式，并展望了其發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：CGB蓄電池；充電；極化
引言
鉛酸CGB蓄電池由于其制造成本低，容量大，價(jià)格低廉而得到了廣泛的使用。但是，若使用不當(dāng)，其壽命將大大縮短。影響鉛酸CGB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(zhǎng)CGB蓄電池的使用壽命。
研究發(fā)現(xiàn)：電池充電過(guò)程對(duì)電池壽命影響最大，放電過(guò)程的影響較少。也就是說(shuō)，絕大多數(shù)的CGB蓄電池不是用壞的，而是“充壞”的。由此可見(jiàn)，一個(gè)好的充電器對(duì)CGB蓄電池的使用壽命具有舉足輕重的作用。
1 CGB蓄電池充電理論基礎(chǔ)
上世紀(jì)60年代中期，美國(guó)科學(xué)家馬斯對(duì)開(kāi)口CGB蓄電池的充電過(guò)程作了大量的試驗(yàn)研究，并提出了以最低出氣率為前提的，CGB蓄電池可接受的充電曲線，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)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(shí)間，并且對(duì)電池的容量和壽命也沒(méi)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[1，2]。

圖1最佳充電曲線
由圖1可以看出：初始充電電流很大，但是衰減很快。主要原因是充電過(guò)程中產(chǎn)生了極化現(xiàn)象。在密封式CGB蓄電池充電過(guò)程中，內(nèi)部產(chǎn)生氧氣和氫氣，當(dāng)氧氣不能被及時(shí)吸收時(shí)，便堆積在正極板（正極板產(chǎn)生氧氣），使電池內(nèi)部壓力加大，電池溫度上升，同時(shí)縮小了正極板的面積，表現(xiàn)為內(nèi)阻上升，出現(xiàn)所謂的極化現(xiàn)象。
CGB蓄電池是可逆的。其放電及充電的化學(xué)反應(yīng)式如下：
PbO2＋Pb＋2H2SO42PbSO4＋2H2O （1）
很顯然，充電過(guò)程和放電過(guò)程互為逆反應(yīng)。可逆過(guò)程就是熱力學(xué)的平衡過(guò)程，為保障電池能夠始終維持在平衡狀態(tài)之下充電，必須盡量使通過(guò)電池的電流小一些。理想條件是外加電壓等于電池本身的電動(dòng)勢(shì)。但是，實(shí)踐表明，CGB蓄電池充電時(shí)，外加電壓必須增大到一定數(shù)值才行,而這個(gè)數(shù)值又因?yàn)殡姌O材料，溶液濃度等各種因素的差別而在不同程度上超過(guò)了CGB蓄電池的平衡電動(dòng)勢(shì)值。在化學(xué)反應(yīng)中，這種電動(dòng)勢(shì)超過(guò)熱力學(xué)平衡值的現(xiàn)象，就是極化現(xiàn)象。
一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生極化現(xiàn)象有3個(gè)方面的原因。
1）歐姆極化 充電過(guò)程中，正負(fù)離子向兩極遷移。在離子遷移過(guò)程中不可避免地受到一定的阻力，稱為歐姆內(nèi)阻。為了克服這個(gè)內(nèi)阻，外加電壓就必須額外施加一定的電壓，以克服阻力推動(dòng)離子遷移。該電壓以熱的方式轉(zhuǎn)化給環(huán)境，出現(xiàn)所謂的歐姆極化。隨著充電電流急劇加大，歐姆極化將造成CGB蓄電池在充電過(guò)程中的高溫。
2）濃度極化 電流流過(guò)CGB蓄電池時(shí)，為維持正常的反應(yīng)，最理想的情況是電極表面的反應(yīng)物能及時(shí)得到補(bǔ)充，生成物能及時(shí)離去。實(shí)際上，生成物和反應(yīng)物的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上化學(xué)反應(yīng)速度，從而造成極板附近電解質(zhì)溶液濃度發(fā)生變化。也就是說(shuō)，從電極表面到中部溶液，電解液濃度分布不均勻。這種現(xiàn)象稱為濃度極化。
3）電化學(xué)極化 這種極化是由于電極上進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)的速度，落后于電極上電子運(yùn)動(dòng)的速度造成的。例如：電池的負(fù)極放電前，電極表面帶有負(fù)電荷，其附近溶液帶有正電荷，兩者處于平衡狀態(tài)。放電時(shí)，立即有電子釋放給外電路。電極表面負(fù)電荷減少，而金屬溶解的氧化反應(yīng)進(jìn)行緩慢Me－e→Me＋，不能及時(shí)補(bǔ)充電極表面電子的減少，電極表面帶電狀態(tài)發(fā)生變化。這種表面負(fù)電荷減少的狀態(tài)促進(jìn)金屬中電子離開(kāi)電極，金屬離子Me＋轉(zhuǎn)入溶液，加速M(fèi)e－e→Me＋反應(yīng)進(jìn)行。總有一個(gè)時(shí)刻，達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡。但與放電前相比，電極表面所帶負(fù)電荷數(shù)目減少了，與此對(duì)應(yīng)的電極電勢(shì)變正。也就是電化學(xué)極化電壓變高，從而嚴(yán)重阻礙了正常的充電電流。同理，電池正極放電時(shí)，電極表面所帶正電荷數(shù)目減少，電極電勢(shì)變負(fù)。
這3種極化現(xiàn)象都是隨著充電電流的增大而嚴(yán)重。
2 充電方法的研究
2.1 常規(guī)充電法
常規(guī)充電制度是依據(jù)1940年前國(guó)際公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)法則設(shè)計(jì)的。其中最著名的就是“安培小時(shí)規(guī)則”：充電電流安培數(shù)，不應(yīng)超過(guò)CGB蓄電池待充電的安時(shí)數(shù)。實(shí)際上，常規(guī)充電的速度被CGB蓄電池在充電過(guò)程中的溫升和氣體的產(chǎn)生所限制。這個(gè)現(xiàn)象對(duì)CGB蓄電池充電所必須的最短時(shí)間具有重要意義。
一般來(lái)說(shuō)，常規(guī)充電有以下3種。
2.1.1 恒流充電法
恒流充電法是用調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與CGB蓄電池串聯(lián)電阻的方法，保持充電電流強(qiáng)度不變的充電方法，如圖2所示。控制方法簡(jiǎn)單，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過(guò)程的進(jìn)行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，使出氣過(guò)甚，因此，常選用階段充電法。

圖2 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(jié)合的快速充電方法，如圖3所示。首先，以恒電流充電至預(yù)定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。

圖3 二階段法曲線
2）三階段充電法 在充電開(kāi)始和結(jié)束時(shí)采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時(shí)，由第二階段轉(zhuǎn)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，受到一定的限制。
2.1.3 恒壓充電法
充電電源的電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定的數(shù)值，隨著CGB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(guò)程更接近于最佳充電曲線。用恒定電壓快速充電，如圖4所示。由于充電初期CGB蓄電池電動(dòng)勢(shì)較低，充電電流很大，隨著充電的進(jìn)行，電流將逐漸減少，因此，只需簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)。

圖4 恒壓充電法曲線
這種充電方法電解水很少，避免了CGB蓄電池過(guò)充。但在充電初期電流過(guò)大，對(duì)CGB蓄電池壽命造成很大影響，且容易使CGB蓄電池極板彎曲，造成電池報(bào)廢。
鑒于這種缺點(diǎn)，恒壓充電很少使用，只有在充電電源電壓低而電流大時(shí)采用。例如，汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，CGB蓄電池就是以恒壓充電法充電的。
2.2 快速充電技術(shù)
為了能夠最大限度地加快CGB蓄電池的化學(xué)反應(yīng)速度，縮短CGB蓄電池達(dá)到滿充狀態(tài)的時(shí)間，同時(shí)，保證CGB蓄電池正負(fù)極板的極化現(xiàn)象盡量地少或輕，提高CGB蓄電池使用效率。快速充電技術(shù)近年來(lái)得到了迅速發(fā)展。
下面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(jìn)行設(shè)計(jì)的，目的就是使其充電曲線盡可能地逼進(jìn)最佳充電曲線。
2.2.1 脈沖式充電法
這種充電法不僅遵循CGB蓄電池固有的充電接受率，而且能夠提高CGB蓄電池充電接受率，從而打破了CGB蓄電池指數(shù)充電接受曲線的限制，這也是CGB蓄電池充電理論的新發(fā)展。
脈沖充電方式首先是用脈沖電流對(duì)電池充電，然后讓電池停充一段時(shí)間，如此循環(huán)，如圖5所示。充電脈沖使CGB蓄電池充滿電量，而間歇期使CGB蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了CGB蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進(jìn)行，使CGB蓄電池可以吸收更多的電量。間歇脈沖使CGB蓄電池有較充分的反應(yīng)時(shí)間，減少了析氣量，提高了CGB蓄電池的充電電流接受率[5]。

圖5 脈沖式充電曲線
2.2.2 ReflexTM快速充電法
這種技術(shù)是美國(guó)的一項(xiàng)專利技術(shù)，它主要面對(duì)的充電對(duì)象是鎳鎘電池。由于它采用了新型的充電方法，解決了鎳鎘電池的記憶效應(yīng)，因此，大大降低了CGB蓄電池的快速充電的時(shí)間。鉛酸CGB蓄電池的充電方法和對(duì)充電狀態(tài)的檢測(cè)方法與鎳鎘電池有很大的不同，但它們之間可以相互借鑒[3]。
如圖6所示，ReflexTM充電法的一個(gè)工作周期包括正向充電脈沖，反向瞬間放電脈沖，停充維持3個(gè)階段[3]。

圖6 ReflexTM快速充電法
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沖充電的基礎(chǔ)上，如圖7所示。其特點(diǎn)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。充電后期采用定電壓充電段，獲得過(guò)充電量，將電池恢復(fù)至完全充電態(tài)。通過(guò)間歇停充，使CGB蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了CGB蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進(jìn)行，使CGB蓄電池可以吸收更多的電量[4]。

圖7 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(chǔ)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于第一階段的不是間歇恒流，而是間歇恒壓。

圖8 變電壓間歇充電曲線
比較圖7和圖8，可以看出：圖8更加符合最佳充電的充電曲線。在每個(gè)恒電壓充電階段，由于是恒壓充電，充電電流自然按照指數(shù)規(guī)律下降，符合電池電流可接受率隨著充電的進(jìn)行逐漸下降的特點(diǎn)[4]。
2.2.5 變電壓變電流波浪式間歇正負(fù)零脈沖快速充電法
綜合脈沖充電法、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(yōu)點(diǎn)，變電壓變電流波浪式正負(fù)零脈沖間歇快速充電法得到發(fā)展應(yīng)用。脈沖充電法充電電路的控制一般有兩種：
1）脈沖電流的幅值可變，而PWM（驅(qū)動(dòng)充放電開(kāi)關(guān)管）信號(hào)的頻率是固定的；
2）脈沖電流幅值固定不變，PWM信號(hào)的頻率可調(diào)。
圖9采用了一種不同于這兩者的控制模式，脈沖電流幅值和PWM信號(hào)的頻率均固定，PWM占空比可調(diào)，在此基礎(chǔ)上加入間歇停充階段，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)充進(jìn)更多的電量，提高CGB蓄電池的充電接受能力。

圖9 波浪式間歇正負(fù)零脈沖快速充電
3 結(jié)語(yǔ)
鉛酸CGB蓄電池是目前世界上廣泛使用的一種化學(xué)電源，該產(chǎn)品具有良好的可逆性，電壓特性平穩(wěn)，使用壽命長(zhǎng)，適用范圍廣，原材料豐富（且可再生使用）及造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)。主要應(yīng)用在交通運(yùn)輸，通信，電力，鐵路，礦山，港口等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)，是社會(huì)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中不可缺少的產(chǎn)品，具有廣闊的發(fā)展前景。