動力型鉛酸電池充電控制技術(shù)研究

1、動力型鉛酸電池充電控制技術(shù)研究    摘要：鉛酸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，能有效延長蓄電池的使用壽命。研究發(fā)現(xiàn)：電池充電過程對電池壽命影響最大，放電過程的影響較少。所以，一個(gè)好的充電器對蓄電池的使用壽命具有舉足輕重的作用。 關(guān)鍵詞:鉛酸蓄電池；動力型；充電方法；控制技術(shù) 中圖分類號: TM921.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號： 新的蓄電池投入使用后，必須定期地進(jìn)行充電和放電。充電的目的是使蓄電池貯存電能及時(shí)地恢復(fù)容量，以滿足用電設(shè)備的需要

2、。放電的目的是及時(shí)地檢驗(yàn)蓄電池容量參數(shù)，及促進(jìn)電極活性物質(zhì)的活化反應(yīng)。蓄電池充電和放電狀況的好壞，將直接影響到蓄電池的電性能及使用壽命。目前對蓄電池充電的方法很多，選擇科學(xué)合理的充電方法將會大大提高蓄電池的維護(hù)效果。 1鉛酸蓄電池充放電工作原理 1.1 鉛酸蓄電池充放電的電化學(xué)理論 1.1.1鉛酸蓄電池充電過程的電化反應(yīng) 蓄電池是可逆的，其放電及充電的化學(xué)反應(yīng)式如下： PbO2Pb2H2SO4PbSO42H2O 充電時(shí)，應(yīng)在外接一直流電源（充電極或整流器），使正、負(fù)極板在放電后生成的物質(zhì)恢復(fù)成原來的活性物質(zhì)，并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存起來。在正極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價(jià)

3、鉛離子（Pb2+）和硫酸根負(fù)離子（SO4-2），由于外電源不斷從正極吸取電子，則正極板附近游離的二價(jià)鉛離子（Pb2+）不斷放出兩個(gè)電子來補(bǔ)充，變成四價(jià)鉛離子（Pb4+），并與水繼續(xù)反應(yīng)，最終在正極極板上生成二氧化鉛（PbO2）。在負(fù)極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子（Pb2+）和硫酸根負(fù)離子（SO4-2），由于負(fù)極不斷從外電源獲得電子，則負(fù)極板附近游離的二價(jià)鉛離子（Pb2+）被中和為鉛（Pb），并以絨狀鉛附著在負(fù)極板上。 電解液中，正極不斷產(chǎn)生游離的氫離子（H+）和硫酸根離子（SO4-2），負(fù)極不斷產(chǎn)生硫酸根離子（SO4-2），在電場的作用下，氫離子向負(fù)極移動，硫酸根離子向正

4、極移動，形成電流。充電后期，在外電流的作用下，溶液中還會發(fā)生水的電解反應(yīng)。 1.1.2鉛酸蓄電池充放電后電解液的變化 鉛酸蓄電池放電時(shí)，電解液中的硫酸不斷減少，水逐漸增多，溶液比重下降； 鉛酸蓄電池充電時(shí)，電解液中的硫酸不斷增多，水逐漸減少，溶液比重上升。實(shí)際工作中，可以根據(jù)電解液比重的變化來判斷鉛酸蓄電池的充電程度。 1.2 蓄電池極化現(xiàn)象分析 （1）歐姆極化充電過程中，正負(fù)離子向兩極遷移。在離子遷移過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

5、姆極化將造成蓄電池在充電過程中的高溫。 （2）濃度極化電流流過蓄電池時(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，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Mee、Me，

6、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)金屬中電子離開電極，金屬離子Me轉(zhuǎn)入溶液，加速M(fèi)ee、Me反應(yīng)進(jìn)行?？傆幸粋€(gè)時(shí)刻，達(dá)到新的動態(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，與此對應(yīng)的電極電勢變正。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，電極電勢變負(fù)。 以上三種極化現(xiàn)象都是隨著充電電流的增大而變得越來越嚴(yán)重。 2鉛酸蓄電池充電方法 常規(guī)充電制度是依據(jù)1940年前國際公認(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 摘要：鉛酸蓄電池由于其制造成

7、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，能有效延長蓄電池的使用壽命。研究發(fā)現(xiàn)：電池充電過程對電池壽命影響最大，放電過程的影響較少。所以，一個(gè)好的充電器對蓄電池的使用壽命具有舉足輕重的作用。 關(guān)鍵詞:鉛酸蓄電池；動力型；充電方法；控制技術(shù) 中圖分類號: TM921.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號： 新的蓄電池投入使用后，必須定期地進(jìn)行充電和放電。充電的目的是使蓄電池貯存電能及時(shí)地恢復(fù)容量，以滿足用電設(shè)備的需要。放電的目的是及時(shí)地檢驗(yàn)蓄電池容量參數(shù)，及促進(jìn)電極活性物質(zhì)的活化反應(yīng)。蓄電池充電和放電狀況的好壞，將直接影

8、響到蓄電池的電性能及使用壽命。目前對蓄電池充電的方法很多，選擇科學(xué)合理的充電方法將會大大提高蓄電池的維護(hù)效果。 1鉛酸蓄電池充放電工作原理 1.1 鉛酸蓄電池充放電的電化學(xué)理論 1.1.1鉛酸蓄電池充電過程的電化反應(yīng) 蓄電池是可逆的，其放電及充電的化學(xué)反應(yīng)式如下： PbO2Pb2H2SO4PbSO42H2O 充電時(shí)，應(yīng)在外接一直流電源（充電極或整流器），使正、負(fù)極板在放電后生成的物質(zhì)恢復(fù)成原來的活性物質(zhì)，并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存起來。在正極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子（Pb2+）和硫酸根負(fù)離子（SO4-2），由于外電源不斷從正極吸取電子，則正極板附近游離的二價(jià)鉛離子

9、（Pb2+）不斷放出兩個(gè)電子來補(bǔ)充，變成四價(jià)鉛離子（Pb4+），并與水繼續(xù)反應(yīng)，最終在正極極板上生成二氧化鉛（PbO2）。在負(fù)極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子（Pb2+）和硫酸根負(fù)離子（SO4-2），由于負(fù)極不斷從外電源獲得電子，則負(fù)極板附近游離的二價(jià)鉛離子（Pb2+）被中和為鉛（Pb），并以絨狀鉛附著在負(fù)極板上。 電解液中，正極不斷產(chǎn)生游離的氫離子（H+）和硫酸根離子（SO4-2），負(fù)極不斷產(chǎn)生硫酸根離子（SO4-2），在電場的作用下，氫離子向負(fù)極移動，硫酸根離子向正極移動，形成電流。充電后期，在外電流的作用下，溶液中還會發(fā)生水的電解反應(yīng)。 1.1.2鉛酸蓄電池充放電后電

10、解液的變化 鉛酸蓄電池放電時(shí)，電解液中的硫酸不斷減少，水逐漸增多，溶液比重下降； 鉛酸蓄電池充電時(shí)，電解液中的硫酸不斷增多，水逐漸減少，溶液比重上升。實(shí)際工作中，可以根據(jù)電解液比重的變化來判斷鉛酸蓄電池的充電程度。 1.2 蓄電池極化現(xiàn)象分析 （1）歐姆極化充電過程中，正負(fù)離子向兩極遷移。在離子遷移過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，歐姆極化將造成蓄電池在充電過程中的高溫。 （2）濃度極化電流流過蓄電池時(shí)，為維持正常的反應(yīng)，最理想的情況是電

11、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，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Mee、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)金屬中電子離開電極，

12、金屬離子Me轉(zhuǎn)入溶液，加速M(fèi)ee、Me反應(yīng)進(jìn)行。總有一個(gè)時(shí)刻，達(dá)到新的動態(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，與此對應(yīng)的電極電勢變正。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，電極電勢變負(fù)。 以上三種極化現(xiàn)象都是隨著充電電流的增大而變得越來越嚴(yán)重。 2鉛酸蓄電池充電方法 常規(guī)充電制度是依據(jù)1940年前國際公認(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)充電的速度被蓄電池在充電過程中的溫升和氣體的產(chǎn)生所限制。常用的充電方法：1）恒流充電法；2）分段電

13、流充電法（二階段充電法、三階段充電法）；3）恒壓充電法；4）恒壓限流充電法；5）脈沖式充電法：脈沖充電法首先是用脈沖電流對蓄電池充電，然后停充一段時(shí)間，如此循環(huán)；6）變電流間歇充電法；7）變電壓間歇充電法。 2.1快速充電法 2.1.1脈沖式充電法 脈沖充電方式首先是用脈沖電流對電池充電，然后讓電池停充一段時(shí)間，如此循環(huán)。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經(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，使蓄電池可以吸收更多的電量。間歇脈沖使蓄電池有較充分的反應(yīng)時(shí)間，減少了析氣量，提

14、高了蓄電池的充電電流接受率。 2.1.2 ReflexTM快速充電法這種技術(shù)是美國的一項(xiàng)專利技術(shù)，它主要面對的充電對象是鎳鎘電池。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，大大降低了蓄電池的快速充電的時(shí)間。鉛酸蓄電池的充電方法和對充電狀態(tài)的檢測方法與鎳鎘電池有很大的不同，但它們之間可以相互借鑒。 2.1.3 變電流間歇充電法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，獲得過充電量，將電池恢復(fù)至完全充電態(tài)。通過間歇停充，使蓄電池經(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，

15、從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。 3動力型鉛酸蓄電池充電過程中的要點(diǎn)及解決方法 3.1充電電流 充電電流過大，會造成極板彎曲，活性物質(zhì)脫落。極板彎曲會造成內(nèi)部短路，直接導(dǎo)致報(bào)廢；活性物質(zhì)脫落，會導(dǎo)致電池容量下降，壽命快速縮短。解決方法：用三階段恒流充電法，開始電池對電能的接受能力強(qiáng)時(shí)用較大的電流，一般為計(jì)算方法為：一階段充電電流=（電池容量×）×10%；二階段電流為一階段的2/3倍，三階段的電流可為一階段的1/3倍。這樣就可有效的解決電流大對電池造成的損壞，又能縮短充電時(shí)間。 3.2電解液損耗大 電池在充電后期會出現(xiàn)極化現(xiàn)象，電池對電流的接受能力下降，電池的單格電壓充到2.4V時(shí)即開始電解水。電池的充電接受能力下降，充入的電能很大一部分用于水的電解，產(chǎn)生氫氣和氧氣，還有酸霧。嚴(yán)重時(shí)遇到火星電池即發(fā)生爆炸，電解液損耗的多如不及時(shí)補(bǔ)充，使極板露于空氣中，直接導(dǎo)致電池壽命縮短。解決方法：在單體電