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(huì)進(jìn)步，越來(lái)越多的蓄電池種類(lèi)進(jìn)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(zhuǎn)換器使用，充電時(shí)將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能貯存起來(lái)，而充電過(guò)程中的充電質(zhì)量和充電速度越來(lái)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(jiàn)的鉛酸蓄電池和鋰電池作為研究對(duì)象，并用現(xiàn)在最為常用的幾種充電模式對(duì)蓄電池的充電質(zhì)量和充電速度方面進(jìn)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(dāng)今市場(chǎng)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(jiàn)的充電模式。每種充電方法都有其獨(dú)到的設(shè)計(jì)之處?，F(xiàn)針對(duì)這幾種常見(jiàn)的充電方法單獨(dú)進(jìn)行研究，并配合充電曲線圖對(duì)充電質(zhì)量和充電速度進(jìn)行闡述。同樣當(dāng)今市場(chǎng)的蓄電池種類(lèi)也繁雜多樣，本文選取市面常見(jiàn)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(cè)試手段，研究每種充電方法對(duì)樣本在充電質(zhì)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(duì)蓄電池進(jìn)行充電，通過(guò)對(duì)充電電壓和充電時(shí)間的判斷作為充電結(jié)束標(biāo)志。鉛酸蓄電池一般選取1/20C20的充電電流，直至電壓達(dá)到2.35V～2.45V之間的某個(gè)值，并繼續(xù)充電2～3小時(shí)后結(jié)束充電。鋰電池一般選取0.5C～1C的充電電流直至電壓達(dá)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(huì)做出明確指導(dǎo)）。

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

代入（1）式可得：

圖1

此計(jì)算中忽略了電池能量轉(zhuǎn)化效率的問(wèn)題，一般鉛酸蓄電池的能量轉(zhuǎn)換效率為1.3:1左右，鋰電池的能量轉(zhuǎn)化效率在1.1～1.2:1之間。也就是說(shuō)，鉛酸蓄電池要想充入1Ah的電量就需要充進(jìn)去約1.3Ah左右的電量，其中0.3Ah的電量在過(guò)程中以熱量和負(fù)反應(yīng)進(jìn)行了消耗。不管何種充電方法蓄電池的能量轉(zhuǎn)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(jìn)行了忽略，方便計(jì)算以及向讀者闡述。

2 恒壓充電

恒壓充電是指充電過(guò)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(dǎo)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(dāng)下將到某一值時(shí)（一般為0），再持續(xù)充電2～3小時(shí)即可。

由于蓄電池的充放電過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜多變的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)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(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)到的在恒壓充電中鉛酸蓄電池和鋰電池的充電時(shí)間為：

3 恒流--恒壓--浮充充電

此種充電方法結(jié)合了前面兩種充電方法，前期選擇恒流充電，當(dāng)電壓達(dá)到某一特定值后轉(zhuǎn)入恒壓充電，此時(shí)充電電流開(kāi)始下降，當(dāng)下降到某一設(shè)定值后，轉(zhuǎn)入浮充充電階段，并此后一直維持浮充電壓進(jìn)行充電。同樣，作者利用大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(shí)間為：

4 脈沖充電

脈沖充電是市場(chǎng)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(jìn)行充電，后期進(jìn)行限壓/穩(wěn)壓處理，并持續(xù)2～3小時(shí)結(jié)束充電。同樣根據(jù)大量試驗(yàn)測(cè)得鉛酸蓄電池和鋰電池的充電時(shí)間為：

至此，讀者可以直觀地看出每種充電方法的充電時(shí)間的量化值，但讀者會(huì)問(wèn)到為什么會(huì)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(shí)間的乘積，為什么不加大充電電流來(lái)提高充電速度？后面三種充電時(shí)間為什么用試驗(yàn)測(cè)試而不是計(jì)算得出？

現(xiàn)在作者就針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行闡述：1、加大充電電流從理論上可以提高充電速度，當(dāng)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(wú)限制加大充電電流，過(guò)大的充電電流會(huì)對(duì)蓄電池帶來(lái)一系列負(fù)反應(yīng)，首先，過(guò)大充電電流會(huì)使充電電壓急劇上升，電壓超過(guò)額定值限制后就會(huì)發(fā)生電解水現(xiàn)象，蓄電池就會(huì)失水，同樣蓄電池發(fā)熱現(xiàn)象就會(huì)嚴(yán)重，造成蓄電池內(nèi)部氣壓和溫度上升，有鼓包和爆裂的危險(xiǎn)；其次，過(guò)大的充電電流沖擊蓄電池板柵，會(huì)造成上面的活性物質(zhì)脫落，一旦活性物質(zhì)確實(shí)，將會(huì)造成蓄電池容量下降。最后，經(jīng)常性的失水會(huì)造成蓄電池產(chǎn)生硫化現(xiàn)象，并且內(nèi)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(nèi)才能增大充電電流，因此，按照蓄電池生產(chǎn)廠家的的指導(dǎo)意見(jiàn)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(dǎo)也就不同。針對(duì)讀者的第2個(gè)疑問(wèn)，在前面恒壓充電中簡(jiǎn)單進(jìn)行了解釋，蓄電池的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程受溫度、電流、電壓、蓄電池荷電狀態(tài)、蓄電池能量轉(zhuǎn)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(méi)有哪個(gè)理論或機(jī)構(gòu)能夠百分百通過(guò)充電判斷蓄電池內(nèi)部到底是存儲(chǔ)了多少電量，蓄電池的存電量只能通過(guò)放電來(lái)加以判斷，因此，作者通過(guò)大量的充放電試驗(yàn)，將放電量不能達(dá)到蓄電池額定容量的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)剔除（沒(méi)充滿，因此充電時(shí)間無(wú)意義），通過(guò)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)到的充電時(shí)間。

雖然充電曲線只是一個(gè)具有指導(dǎo)意義的圖示，但其中包含的信息量很大，下面選取一個(gè)覆蓋面更廣的充電曲線圖來(lái)進(jìn)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(guān)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(zhǎng)度就是充電時(shí)間。將不同的充電曲線整合到同一比例的坐標(biāo)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?yàn)楹懔鞒潆娺x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(jié)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(shí)間長(zhǎng)，造成的結(jié)果就是充電足，但是充電時(shí)間長(zhǎng)。通過(guò)曲線的解釋就可以判斷出來(lái)不同的充電方法的充電質(zhì)量和充電速度。

在此，作者想引申一下目前市場(chǎng)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(diào)為下一階段的小電流充電，再到截止電壓后，在調(diào)小電流以此類(lèi)推，有幾個(gè)階段就推導(dǎo)幾次。拿這種充電方法和恒流--恒壓--浮充充電方法進(jìn)行充電曲線比較，按照上述的充電曲線中陰影關(guān)系以及橫軸長(zhǎng)短的解讀方法我們可以看出它的充電時(shí)間縮短了，但是充電量也相應(yīng)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(biāo)比例調(diào)為一致可以判斷充電速度和充電量的大??；

（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(hù)蓄電池的壽命和性能；

（4）脈沖充電其實(shí)目的是解決鉛酸蓄電池充電過(guò)程中極化現(xiàn)象的問(wèn)題，消除極化現(xiàn)象就可以適當(dāng)調(diào)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(duì)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(chǎng)合有關(guān)的，例如：UPS電源采用恒流--恒壓--浮充模式、車(chē)輛發(fā)電機(jī)采用恒壓模式、計(jì)量場(chǎng)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