蓄電池幾種常用充電模式的比較

文/趙宗哲

蓄電池幾種常用充電模式的比較

文/趙宗哲

隨著科技發(fā)展和社會進步，越來越多的蓄電池種類進入人們視線，像鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子電池等，蓄電池作為一種能量轉換器使用，充電時將電能轉換成化學能貯存起來，而充電過程中的充電質量和充電速度越來越受到制造廠商和用戶的高度重視。本文選取現(xiàn)今市面上最為常見的鉛酸蓄電池和鋰電池作為研究對象，并用現(xiàn)在最為常用的幾種充電模式對蓄電池的充電質量和充電速度方面進行研究。

鉛酸蓄電池 鋰電池 恒流充電 恒壓充電 恒流--恒壓--浮充充電 脈沖充電多階段恒流充電

當今市場上充電器常用的充電方法都有：恒流充電、恒壓充電、恒流--恒壓--浮充充電、脈沖充電等集中常見的充電模式。每種充電方法都有其獨到的設計之處。現(xiàn)針對這幾種常見的充電方法單獨進行研究，并配合充電曲線圖對充電質量和充電速度進行闡述。同樣當今市場的蓄電池種類也繁雜多樣，本文選取市面常見的鉛酸蓄電池和鋰電池作為研究樣本，以上述四種充電方法作為測試手段，研究每種充電方法對樣本在充電質量和充電速度上的優(yōu)劣。

1 恒流充電

恒流充電顧名思義，指按照一定倍率的恒定充電電流對蓄電池進行充電，通過對充電電壓和充電時間的判斷作為充電結束標志。鉛酸蓄電池一般選取1/20C20的充電電流，直至電壓達到2.35V～2.45V之間的某個值，并繼續(xù)充電2～3小時后結束充電。鋰電池一般選取0.5C～1C的充電電流直至電壓達到充電截止電壓（不同材料的鋰電池充電截止電壓不同，但蓄電池廠家會做出明確指導）。

蓄電池的容量用“安·時”表示，單位是Ah，意義是1Ah電量就是1A的充電電流在1h時間內充入的容量，即1Ah=1A×1h。由此可以得出充電時間的表達式：

C表示蓄電池額定容量，單位為Ah；I表示充放電電流，單位為A；t表示充放電時間，單位為h。

代入（1）式可得：

圖1

此計算中忽略了電池能量轉化效率的問題，一般鉛酸蓄電池的能量轉換效率為1.3:1左右，鋰電池的能量轉化效率在1.1～1.2:1之間。也就是說，鉛酸蓄電池要想充入1Ah的電量就需要充進去約1.3Ah左右的電量，其中0.3Ah的電量在過程中以熱量和負反應進行了消耗。不管何種充電方法蓄電池的能量轉化率基本不變，是成比例地存在，因此在本文中這幾種充電方法的充電速度研究中進行了忽略，方便計算以及向讀者闡述。

2 恒壓充電

恒壓充電是指充電過程中充電器輸出的充電電壓保持恒定，而充電電流隨著蓄電池電壓的上升而導致充電壓差降低，以及電阻逐漸減小的綜合因素作用以指數(shù)規(guī)律衰減。當下將到某一值時（一般為0），再持續(xù)充電2～3小時即可。

由于蓄電池的充放電過程是一個復雜多變的電化學反應過程，并且即使同一塊蓄電池的每一次充放電曲線也不盡相同，因此，作者利用大量的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計到的在恒壓充電中鉛酸蓄電池和鋰電池的充電時間為：

3 恒流--恒壓--浮充充電

此種充電方法結合了前面兩種充電方法，前期選擇恒流充電，當電壓達到某一特定值后轉入恒壓充電，此時充電電流開始下降，當下降到某一設定值后，轉入浮充充電階段，并此后一直維持浮充電壓進行充電。同樣，作者利用大量的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計到的在恒流--恒壓--浮充充電中鉛酸蓄電池和鋰電池的充電時間為：

4 脈沖充電

脈沖充電是市場上新興的一種充電方法，它是指充電電流按照一定的頻率變化進行充電，后期進行限壓/穩(wěn)壓處理，并持續(xù)2～3小時結束充電。同樣根據(jù)大量試驗測得鉛酸蓄電池和鋰電池的充電時間為：

至此，讀者可以直觀地看出每種充電方法的充電時間的量化值，但讀者會問到為什么會出現(xiàn)這種情況。甚至提出既然蓄電池的容量是充電電流和時間的乘積，為什么不加大充電電流來提高充電速度？后面三種充電時間為什么用試驗測試而不是計算得出？

現(xiàn)在作者就針對上述問題進行闡述：1、加大充電電流從理論上可以提高充電速度，當然，充電速度的提升只能依靠提高蓄電池的可承受的充電電流，但你不能無限制加大充電電流，過大的充電電流會對蓄電池帶來一系列負反應，首先，過大充電電流會使充電電壓急劇上升，電壓超過額定值限制后就會發(fā)生電解水現(xiàn)象，蓄電池就會失水，同樣蓄電池發(fā)熱現(xiàn)象就會嚴重，造成蓄電池內部氣壓和溫度上升，有鼓包和爆裂的危險；其次，過大的充電電流沖擊蓄電池板柵，會造成上面的活性物質脫落，一旦活性物質確實，將會造成蓄電池容量下降。最后，經常性的失水會造成蓄電池產生硫化現(xiàn)象，并且內阻增大，蓄電池電氣性能下降。因此，充電電流不可以不加限制地增大，只有在蓄電池可接受范圍內才能增大充電電流，因此，按照蓄電池生產廠家的的指導意見充電是很有必要的。不同蓄電池廠家的配方不同、工藝不同所制作的蓄電池性能也不同，其充放電指導也就不同。針對讀者的第2個疑問，在前面恒壓充電中簡單進行了解釋，蓄電池的電化學反應過程受溫度、電流、電壓、蓄電池荷電狀態(tài)、蓄電池能量轉化率等多方面的因素制約，其每一次的充電曲線也不近相同，現(xiàn)在科技發(fā)展到今天的地步，還沒有哪個理論或機構能夠百分百通過充電判斷蓄電池內部到底是存儲了多少電量，蓄電池的存電量只能通過放電來加以判斷，因此，作者通過大量的充放電試驗，將放電量不能達到蓄電池額定容量的實現(xiàn)數(shù)據(jù)剔除（沒充滿，因此充電時間無意義），通過試驗統(tǒng)計到的充電時間。

雖然充電曲線只是一個具有指導意義的圖示，但其中包含的信息量很大，下面選取一個覆蓋面更廣的充電曲線圖來進行信息解讀，恒流--恒壓--浮充基本覆蓋了不同充電方法的充電曲線，如圖1所示。

由圖1可知：

（1）充電電流和充電電壓的變化關系，恒流充電可參考恒流階段曲線，恒壓充電可參考恒壓階段曲線，脈沖充電基本與此圖的“恒流--恒壓--浮充”一致；

（2）電流曲線在橫軸（t軸）上的陰影部分就是充電量，陰影部分的橫向長度就是充電時間。將不同的充電曲線整合到同一比例的坐標上就可以判斷出那種充電方法充電速度快，充電量足。如上圖舉例的恒流充電和恒壓充電的曲線圖所示，明顯可以看出恒流充電的充電速度快但充電量小，因為恒流充電選取的是1/20C20的充電電流且持續(xù)不變，而恒壓充電中，前期的充電電流較大，而最終的結束電流為0左右小于恒流充電的充電電流值，恒壓充電是前期充電量較大，而后慢慢衰減，持續(xù)時間長，造成的結果就是充電足，但是充電時間長。通過曲線的解釋就可以判斷出來不同的充電方法的充電質量和充電速度。

在此，作者想引申一下目前市場上最常用的多階段恒流充電，其主要原理就是前期大電流，到截止電壓后，調為下一階段的小電流充電，再到截止電壓后，在調小電流以此類推，有幾個階段就推導幾次。拿這種充電方法和恒流--恒壓--浮充充電方法進行充電曲線比較，按照上述的充電曲線中陰影關系以及橫軸長短的解讀方法我們可以看出它的充電時間縮短了，但是充電量也相應地減小了。

5 綜述

（1）脈沖充電速度最快，其次為恒流--恒壓--浮充充電、多階段恒流充電、恒流充電、恒壓充電；

（2）不管何種充電方法都可以以恒流--恒壓--浮充充電曲線圖作為參考，將坐標比例調為一致可以判斷充電速度和充電量的大小；

（3）不管何種充電方法，都是以蓄電池的額定截止電壓為限制，原因是保護蓄電池的壽命和性能；

（4）脈沖充電其實目的是解決鉛酸蓄電池充電過程中極化現(xiàn)象的問題，消除極化現(xiàn)象就可以適當調高充電電流值，在不損傷蓄電池的前提下可以提高充電速度。

（5）雖然不同充電方法的充電量有大有小，但是基本都符合蓄電池的使用要求，每種充電方法都是在蓄電池的充電量、充電速度和對蓄電池壽命之間做的平衡處理，而這些充電方法的使用基本都是與場合有關的，例如：UPS電源采用恒流--恒壓--浮充模式、車輛發(fā)電機采用恒壓模式、計量場所采用恒流模式等等。

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作者單位 宇能電氣有限公司 河北省保定市 071051