电动叉车铅酸蓄电池充电控制策略 许利利

电动叉车铅酸蓄电池充电控制策略许利利

摘要：环境的污染和能源的减少使得电动叉车的发展越来越迅速，而电动叉车

的动力源是电池，应用于电动叉车[1]的电池主要以铅酸蓄电池为主，由于铅酸蓄

电池的化学特性受各个因素的影响，因此对其所使用的充电电源会有更严格的要求。充电电源主要分为两部分：电路的硬件部分和充电控制策略[2]的软件部分。

硬件部分已经很成熟，而充电控制策略会直接影响蓄电池的使用寿命。本文主要

针对充电控制策略来研究的。

关键词：电动叉车蓄电池控制策略

一、铅酸蓄电池充放电的工作原理

1.1电池的内部构造

铅酸蓄电池是一般由几个基本部分构成：正极板、负极板、隔板、电解液、

电池槽盖、极柱。它是一种能量转化系统，主要在内部发生化学变化。

铅酸蓄电池的正极和负极由正负合金板栅、正负活性物质、正极管套及添加

剂等材料组成。正极活性物质是由PbO?组成，负极活性物质是由金属Pb组成；

电解液是密度为1.280~1.295g/H?SO?水溶液（20℃）；电池槽盖具有良好的耐酸性、耐温性和绝缘性，并具有良好的机械强度；极柱的作用是充放电时将电流导

入或导出电池。

1.2放电过程

蓄电池放电时是将化学能转化为电能，正极上PbO2生成 PbSO4 ，负极上Pb

生成 PbSO4。电解液中H2SO4浓度减少，电解液中H2O增加。其转变公式为：

PbO2 +2H?SO?+Pb PbSO?+2H2O+PbSO?

1.3 充电过程

蓄电池充电时是将电能转化为化学能。正极上PbSO4生成PbO2，负极上PbSO4生成Pb。电解液中H2SO4浓度增加，电解液中H2O减少。其转变公式为： 2PbSO4+2H2O PbO2+Pb+2H2SO4

到了充电末期，为了使活性物质更好的反应，就要引起水的电解，正极放出

O2，负极放出H2，其公式为：

2H20 2H2 + O2

二、影响蓄电池的失效形式及原因

衡量蓄电池寿命的标准是以蓄电池充放电次数来衡量的，当蓄电池放电量达

到标称容量的80%以下时称之为寿命终止，充放电次数越多，表示电池的性能越好。不正确的充放电都会引起蓄电池的失效。失效形式主要是活性物质脱落和蓄

电池硫化。

2.1活性物质脱落

蓄电池正极板上的活性物质PbO2是金属氧化物，不具有韧性且是粉末状的，无法形成极板，只能借助栅板（网格状）使小颗粒吸附在网格上，从而形成正极板。如果活性物质受到外界因素的影响，则会损坏正极板，从而影响了蓄电池的

使用寿命。蓄电池活性物质脱落主要有以下原因：

①充电电流过大②过放电③过充电④补水不及时

2.2蓄电池硫化

对蓄电池不能及时充电、充电充不足、补水不及时以及长时间搁置不充电等

原因，使蓄电池极板的表面上会附着过量的PbSO?， PbSO?是难溶电解质阻碍了

电池内部的化学反应，长时间的累积使得正负极板上的部分硫酸铅在充电过程中

难以转化成活性物质，造成蓄电池的硫化。

三、充电曲线的控制策略

根据电池的性能及失效模式，需要设置相应的充电曲线，主要解决两方面的

问题:一是使电池能够充满，不过充，不欠充；二是防止电池硫化。

3.1常规充电方法

常规充电方法是依据早期的经验法则设计的，一般来说常规的充电方法有以

下几种：

3.1.1恒流充电法

恒流充电法就是通过调整充电机输出电压或改变与蓄电池相串联的电阻的方法，保持输出电流不变的充电方法，如图1所示。

恒压充电法虽然水电解的比较少，避免了蓄电池过充，但是在充电初期电流

过大，容易使电池的极板弯曲，影响了蓄电池的寿命。

3.2复合式充电方法

为了解决恒流和恒压充电方法的弊端，需要改变传统的充电控制策略。要延

长蓄电池的寿命，除了不过充，不欠充外，另一个重要的因素就是蓄电池的温度。蓄电池温度与蓄电池的寿命有很大的关系，如图3所示。

本文所阐述的充电曲线，主要分为四个阶段完成：

第一阶段：电池检测阶段

充电机启动后进入小电流工作状态，检测电池状态。通过检测电池的状态，

来调整充电机的输出电压。如果电池的U实际≥U设定，两分钟后进入第二阶段。（若两分钟后U实际＜U设定，再次进行第一阶段小电流充电，循环多次后，电

压仍低于设定最低值。停止充电，报电池故障）。

第二阶段：恒流阶段

第一阶段完成后，充电电流迅速上升,直至到额定电流值,充电机进入恒流充电状态,电流保持不变,电压持续上升。

第三阶段：恒功率阶段

第二阶段完成后，充电机进入恒功率阶段，保持恒功率输出,电流缓慢下降,电压缓慢上升,直至进入下一阶段。

第四阶段：脉冲阶段

第三阶段完成后，充电机进入脉冲补充充电阶段，脉冲充电的目的是使电解

液反应均匀，充电采用周期性的脉冲充电，该阶段完成后判断最后一个低脉冲的

电压值，若电压值低于设定的电压阈值，则进入补充充电状态。若电池电压值高

于设定的电压阈值，则充电完成，脉冲数目不是固定的，它是根据蓄电池的放电

状态来决定。

充电环境和电缆线长度也会影响充电效果，所以有必要采取一些特殊的补偿

措施来弥补充电的不足。主要有以下几点：

a温度补偿

电池的电压不仅受酸浓度和Pb的影响，还受温度的影响。同一组电池在室温25℃与-40℃的情况下，其电压值是不相同的，呈现为负温度系数。所以在宽温度户外工作下，需要加入温度补偿环节。

b线压降补偿

电池两端的电压与充电机输出端的电压是两个概念，判断电池充满是测量电池端的电压，而充电机的检测电压是充电机输出端的电压，两者之间存在线压降问题。如果不考虑线压降，则会影响充电效果。

四、本文小结

充电曲线是整个充电机系统中的关键部分，由于不同厂家的铅酸蓄电池的制造工艺以及成分组成不一样，会造成蓄电池的差异，因为在设计充电机曲线是必须要能够同时满足不同品牌电池的特性。虽然市场上有很多家做充电机的厂家，他们几乎都是按照某一品牌的电池特性来编制充电曲线，这就造成了对其他品牌电池充电会出现充不满电或欠充的现象。

参考文献：

[1].姚琳娜.电动叉车智能充电机充电技术研究[J].工业和信息化教育.2014年10月刊

[2].何盼盼，曹以龙.电动汽车充电机充电策略设计.上海电力学院学报[J].2015年01期