铅酸蓄电池充电技术综述

� � � � A � b � ac � � :Th e � pef � � � o � m a n ce ofba e h a a cl o e co n a c i h i ch a gin g m eh o d ece p h eb a e i� � � � e l f al i f � a� c� o � .T h i pa pe m m a i e h e f ac o a f f e c in g h e pef o m a n ce o f l e a d -a cid b a eie,a n d � � � � � � � eie � � he � � a� io � � po p l a ch a gin g e ch n ol o gie f o l e a d-a cid ba eie o f a a nd h e i ch a a c ei ic . � � Ke o d : l e a d -a cid b a e; l o p le ;f a ch a ge ;in e l l ige n ch a ge 1 前言 随 着 科学 技术 的 发展 ， 铅酸 蓄 电池 尤 其是 V RLA 电池的制造工艺 ,结构不断改进，性能不断 提高� 特别是近几年电动车的兴起，极大地推动了 铅酸蓄电池作为动力源应用的迅猛发展� 蓄电池较 长的使用寿命在很大程度上取决于正确的充电方 法，无数事实已经证明再好的蓄电池在不恰当的充 电方式下，很容易出现蓄电池容量下降过快, 循环 使用寿命缩短等严重问题� 随着充电技术的发展和 应用，对蓄电池充电技术提出了高安全性 ,高可靠 性及高效率等需求，使得蓄电池充电技术面临更高 的挑战 � 2 影响铅酸蓄电池性能的因素 传统铅酸蓄电池的性能影响因素主要有 [1]：正 极板膨胀 ,失水 ,酸分层 ,充电不足，这些缺陷都 被几种方法分别解决了：使用 Pb -Sb 合金 增加正 极板的蠕变强度；加水；延长充电时间或有意析气 搅动硫酸溶液；定期对蓄电池完全充电以维持电池 容量 � 正极板容易受到腐蚀是铅酸蓄电池性能低下的 主要原因之一，这种衰退过程的速度受到板 栅组 成, 合金微结构 ,极板电位, 电解液组成及温度的 影响 � 近年来，在用 Pb -Sn 合金代替 Pb -C a 合金 并广泛应用于 V RLA 电池的同时，用 Pb -Ca -Sn 合 金作为 V RLA 电池正极板材料进一步减弱了 正极 板的腐蚀作用� 包有富 [2]在研究 A G M 隔板饱和度对 V RLA 电
图 4 脉冲快速充电电曲线 134 2010 N o. 3 V ol .47
传统的充电方法无法遵循特定电池的固有充电
充电与测试 � � � � � � � . b a e ch n . co m
接受率，不能针对不同工作需要做出不同的工作模 式进行切换，充电周期长，极板损害大，能量损失 多，因此有许多研究者进行了智能充电方法 [16-17]的 应用研究� 智能充电方法在充电过程中实时地采集 电池单体的电压 ,电流,温度, 压力等信号，应用 智能控制算法如模糊控制理论 [18]等进行优化控制， 使充电尽可能按照特定电池的最大充电接受能力进 行，实现对多种电压等级和不同类型型号电池的智 能充电 � 同时，智能充电技术可以设置系统自诊 断 ,故障定位和实时处理及人机对话窗口等功能� 智能充电方法使充电电流始终与可接受充电电流保 持良好的匹配关系，使充电过程始终在最佳状态下 进行，因而这是一种高效率的充电方法� 与此同时，智能充电控制系统还可以监测电池 容量 �一种采用支持向量机回归算法 [12] （ SV R ）的 智能优化算法应用于 V RLA 电池容量的预测，预 测误差在 8 % 以内，比国内现有蓄电池容量快速测 试仪器的测试精度高 �铅酸蓄电池的实际容量受到 温度, 循环次数 ,使用时间 ,放电深度等诸多因素 的影响，因此很难准确地进行在线快速测量� 当前 的蓄电池容量预测技术主要有两类：一类是基于蓄 电池内部工作原理，找到蓄电池外部参数与容量之 间的关系；另一类是基于系统辨识与参数估计建 模，有时也称智能算法 �文献 [13]总结了当前国内外 蓄电池剩余容量预测方法，同时也提出了容量预测 的发展趋势是采用多种智能算法和新理论相结合的 手段来进行容量预测 � 由前述可知，智能型充电方法虽然在充电效率
蓄电池 Ch in ee LA B A T M a n
铅酸蓄电池充电技术综述
廖金华，李建黎 （ 电子科技大学自动化工程学院，四川 成都 611731 ）
摘要：蓄电池的性能除了与本身的品质因素有直接的关系外，还与蓄电池的充电方式有紧密的 联系 � 本文总结了铅酸蓄电池性能的影响因素，综述了至今为止应用在铅酸蓄电池上的各种充 电技术及其特点� 关键字：铅酸蓄电池；慢脉冲；快速充电；智能充电 中图分类号： T M 9 12. 1 文献标识码：A 文章编号：1006- 0847( 2010) 03- 04
� � A eie o fch a gin g e ch n o l o gie f o l e a d -a cid ba eie
LIA O Jin -h a ,LI Jia n -l i � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ( � � , , 6 11 73 1)
� 值，一般重复 3 5 次结束 � 该方法比恒流 充电更 谨慎，能降低板栅腐蚀和析气作用，然而与真正的 恒压充电一样，有充电不足的危险，特别是随着电
图 1 V RLA 电池在不同充电条件下循环与容量曲线
池的老化更为严重�
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图 3 单 格电池 用 2. 45 V 触发 阶段 和纯粹 的恒 流末 阶段 （ 不限电压 ） 的多阶段恒流限压充电 （ 假恒流 ）
电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电能在较 短时间内充入更多电量，提高蓄电池的接受能力， 是一种较好的快速充电方法�
其次，浮充电法是一种连续长时间的恒压充电 方法，目的是确保蓄电池及单体电池被完全充电， 同时充电电流不会缩短蓄电池的寿命，主要应用于 备用电源 （UP S ）� 涓流充电是使蓄电池保持在近 似完全充电状态的连续小电流充电，也称 "维护充 电" � 用该方法充电时间长，因此很少单独使用， 而是和其它充电方式结合使用� 3. 2 快速充电方法 为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速 度，缩短蓄电池达到满充状态的时间，同时，使蓄 电池正 ,负极板的极化现象尽量地少，快速充电技 术[14-15]近年来得到了迅速发展 �但快速充电采用高输 入电流限制，对蓄电池的性能和寿命都有一定损害� 一种较为传统的快速充电方法是脉冲电流充电 法，其控制有两种方法：一种是周期不变而减小振 幅，另一种则是振幅不变而减小周期�其最终目的是 随着充电终止的临近，每个脉冲传递一个递减的输入 电量到蓄电池，以减小过充电量和析气�在脉冲关闭 期间，可以设置为完全停止充电,放电或两种的结合 方式，目的是为了在此期间消除或减小极化作用的影 响，同时使电池有时间发生热量消散和溶液扩散，提 高充电效率，并且允许用较高的末期电流充电� 图 4 为张磊[5]等人提出的应用于 V RLA 电池的脉冲电流快
图 5 变电压间歇充电
王坚 提出了慢脉冲快速充电方法，利用大电流 快速充电后，用恒小电流维持一定的电场，加快离 子的迁移运动，该方法能有效地消除或降低电池充 电时的各种极化作用，尤其是浓差极化的影响� 如 图 6 所示，整个充电控制曲线由 A , B 两段和一点 G 构成， A 段以恒大直流电 （ I ） 与恒小电流 （ I ） 1 2 周期变化脉冲充电， B 段以恒电压 （ V） 直流电与 2 恒小直流电 （ I ） 周期变化脉冲充电， G 电位是 A 3 段转向 B 段脉冲充电的转折点电压 （ V ）， B 段持续 1 到整个充电结束�朱松然[8]在研究电迁移在充电中的 作用中提出，慢脉冲快速充电方法优于放电去极化
收稿日期：2009 -11-09
池循 环寿 命的 影响 中提 出 ：隔 板饱 和 度过 高 的
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V RLA 电池，循环寿命较短，充电效率较差，这主 要是由于电池的正极活性物质充电不足� 隔板饱和 度的变化对 V RLA 电池 的放电性能和充电效果也 具有 影响， 对于采 用 P b-C a -Sn 正极 合金板 栅的 V RLA 电池，为确保有较好的循环寿命，隔板饱和 度最好控制在 9 2 % �9 6 % 之间 � 柏志军[3]在讨论铅酸蓄电池的最新研究进展时提 到，A n ge l研究了 V RLA 电池中电解液饱和度和单体 电池的温度对氧循环速率和效率的影响�结果显示： 电解液饱和度是负极电位的函数，氧循环的速率与 温度基本没有关系，但氧循环的效率对温度有很强 的依赖性，同时电解液饱和度是影响氧循环速率效 率的主要限制因素，并得出最佳饱和度值是 9 3 % � 王志全, 于所亮 [4]在讨论环境温度对 V RLA 电 池使用寿命的影响时提到：环境温度高，会加速 V RLA 电池内部正极板栅的腐蚀，造成不可逆转的 损伤 ，是影响 V RLA 电池使 用寿命 的主要 原因， 还 易造 成热 失控 现 象； 环境 温度 相对 低 会减 小 V RLA 电池容量，在放电状态下，负极活性物质利 用率也会下降 �早期容量衰减 （ PCL ） 效应是造成 V RA L 电池早期使用寿命缩短的主要原因 � 因此， 在随季节环境温度变化较大的地方使 用 V RLA 电 池，环境温度的影响值得我们注意� 蓄电池的性能除了与本身的品质有直接的关系 外，更 值得注意的是 充电方式的影响 � 对 V RLA 电池，影响其使用寿命的主要因素除充电电压 （ 浮 充电流 ）,放电深度 , 放电次数及频度等 � 在充电 过程中，有很多电池失效是由于充电不足而不是过 度充电引起的� 如图 1 显示，过充电使正极板活性 物质松 散 , 脱落 , 软 化，正极板栅 腐蚀， V RLA 电池还有可能发生热失控等而很快失效，特别是严 重过充电 （如图 1 虚线 ）� 但是充电不足使极板上 Pb SO4 电池的寿命 �为此，使用一种较为完善的 蓄电池充电方法，在同等条件下能使蓄电池具有更 长的循环寿命� 3 铅酸蓄电池充电的技术 3. 1 传统的充电方法 蓄电池的充电方法一般分为恒流充电和恒压充 电两种� 恒流充电是充电过程中充电电流维持在恒 定值的充电方法，该方法可以实现迅速充电但很容 易造成充电过度；恒压充电是在充电过程中，充电 电压保持恒定，一般控制在相等或略低于蓄电池内 产生氢气的电压水平，该方法极少产生过充电，但 很容易引起充电不足 � 因此，一种有效的 V RLA 电池的充电方法 是 恒流和恒压两种充电方式的结合� 该结合方法可以 分为两种形式 [1]：第一种称为末期阶段恒流的限流 恒压充电，简称 IUI� 如图 2 所示，该充电方法第 一阶段为限流恒压，第二阶段是末期阶段，末期电 压有两种控制方式：一是用较高电压限制的限流恒 压充电；二是对末期恒流阶段不限制电压� 该方法 结合了恒流充电和恒压充电的优点，但主要问题是