電池全新的充電模式--自然平衡充電法介紹
??? 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(wěn)的發(fā)展，關(guān)鍵取決于電動(dòng)交通產(chǎn)品的運(yùn)行成本。其中圍繞著蓄電池的幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，如蓄電池的單位儲(chǔ)能指標(biāo)，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(yīng)能力等，又是影響運(yùn)行成本的核心。以上任一個(gè)技術(shù)指標(biāo)的突破，都將會(huì)使蓄電池在電動(dòng)交通產(chǎn)品上的應(yīng)用，向前邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

1 蓄電池與充電技術(shù)

對(duì)于鉛酸、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(zhǎng)壽命和免維護(hù)，在全世界化學(xué)電源工作者數(shù)代人不懈的努力下，終于從大量的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了"內(nèi)部氧循環(huán)"的理論機(jī)制，使得該3類蓄電池所有的充放電反應(yīng)，能在一個(gè)設(shè)計(jì)完好的帶閥控的密封容器中反復(fù)安全進(jìn)行。即蓄電池在充電和過充電期間，正電極析出的氧到達(dá)負(fù)電極后，能全部被負(fù)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(zhǎng)期的充放電過程中，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(yīng)，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(zhǎng)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(dǎo)致了今天我們?cè)趯?shí)際使用蓄電池時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)電池未達(dá)到設(shè)計(jì)的使用壽命，就出現(xiàn)了性能下降甚至報(bào)廢的現(xiàn)象，針對(duì)蓄電池使用中存在的問題，我們用了8年的時(shí)間，對(duì)傳統(tǒng)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(yàn)，下面是我們對(duì)傳統(tǒng)充電技術(shù)的認(rèn)識(shí)。

恒流充電方式，顧名思義是指蓄電池放完電后，在充電恢復(fù)容量過程中，要求充電器根據(jù)電池的不同A?h數(shù)，以某一確定的輸出電流對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，該電流從蓄電池的充電開始到充電結(jié)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(fù)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(duì)蓄電池進(jìn)行的充電，該電壓從蓄電池的充電開始到充電結(jié)束，始終是恒定不變的。

以國(guó)內(nèi)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(qǐng)觀察一幅在研究閥控式鉛酸蓄電池技術(shù)方面，經(jīng)常看到和用到的圖1。這里我們要說明的是，這幅圖是專家們拋開日常環(huán)境溫度變化對(duì)蓄電池充電過程的影響，用經(jīng)過改進(jìn)的恒壓限流方法對(duì)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，更確切地講由于充電器的限流作用應(yīng)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(shí)間，I線代表蓄電池在充電過程中不同時(shí)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(shí)刻能接受的最高安全電壓，也是設(shè)計(jì)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(shí)間的增加表現(xiàn)的恢復(fù)曲線。

從I曲線上可清楚看到，充電過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I是一條變化很大的非線性曲線，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，包括恒流充電法改進(jìn)后的有限次數(shù)的分段恒流法在內(nèi)，無(wú)論怎么看，我們都覺得是難以實(shí)現(xiàn)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?fù)p害是不可逆轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)者認(rèn)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，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，可見充電器輸出的電壓和蓄電池電壓的差已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于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(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)造成充電器的過載燒毀。經(jīng)過改進(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(yùn)，卻降低了充電效率，增加了損耗，延長(zhǎng)了充電時(shí)間，這是恒壓充電V線的起始時(shí)間段；到V線的最后階段，由于絕大多數(shù)的充電器沒有環(huán)境溫度變化的跟蹤補(bǔ)償能力，充電器此時(shí)還保存著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(xiàn)早期性能下降和損失容量的重要原因，大多是傳統(tǒng)蓄電池充電技術(shù)落后與過程控制不力所致。

2 全新的充電模式

分析了傳統(tǒng)蓄電池充電技術(shù)存在的問題，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的思考與實(shí)驗(yàn)，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(gè)電源EA及EB，當(dāng)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(fù)極和負(fù)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(xiàn)為，蓄電池端電壓的上升和電荷存儲(chǔ)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。

在上面描述中，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(huán)境溫度下，蓄電池對(duì)應(yīng)的電壓。將A電源電壓EA，精心設(shè)計(jì)成在不同環(huán)境溫度下，能按蓄電池充電平衡需要，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓和電流的電源，與之對(duì)應(yīng)連接，完全理想化的情況下，電源EA能根據(jù)蓄電池在任一環(huán)境溫度下，能夠接受的安全電流，對(duì)電池進(jìn)行充電，電池充足電后，ΔE=0、Δi=0，A電源將不消耗功率，此后，A電源EA，只隨環(huán)境溫度的變化，對(duì)被充蓄電池提供跟蹤平衡補(bǔ)償，蓄電池充電的整個(gè)過程，完全是自動(dòng)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(yàn)證實(shí)，與上面提出的理想情況稍有差別，即A電源在蓄電池充滿后，由于蓄電池存在著漏電，和內(nèi)部氧循環(huán)的需要，還維持著很小的但對(duì)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)一步說明，特提供一組用我們?cè)O(shè)計(jì)的充電器，對(duì)市場(chǎng)上某品牌鎳氫電池（Ni-HM）5號(hào)1300mA?h，8只串聯(lián)充放電結(jié)果的打印曲線（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、充電電壓上升曲線、電池溫度變化曲線、0.5C恒流放電曲線可以看到，整個(gè)充電過程，電池溫升很小，不超過3～4℃，充滿電的時(shí)間，從標(biāo)準(zhǔn)的14～15h，縮短為3～4.5h。由于整個(gè)充電過程電池溫升很小，所以，不需要進(jìn)行任何的人為干預(yù)。

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另外，在延長(zhǎng)蓄電池使用壽命方面，有一用了近20年的國(guó)產(chǎn)2號(hào)圓柱型1800mA?h鎘鎳電池（該電池是某廠為電視場(chǎng)強(qiáng)儀配套用的，場(chǎng)強(qiáng)儀早已報(bào)廢），用我們的充電器充滿后，電池至今還能以0.5C的恒流放出額定容量。

3 結(jié)語(yǔ)

上例充電器，在數(shù)碼相機(jī)、手持電腦、無(wú)線對(duì)講機(jī)、移動(dòng)儀器、閉路監(jiān)控、礦山礦工井下照明、電動(dòng)玩具等許多領(lǐng)域的配套上，有著廣闊的市場(chǎng)。