苑景春，陳加成，韓振，丁平，陳冬

（浙江南都電源動(dòng)力股份有限公司，杭州 浙江 310000）

0 引言

電動(dòng)自行車的循環(huán)使用動(dòng)力來源于充電器對(duì)蓄電池電能的再充恢復(fù)，因此充電器的好壞在很大程度上決定了蓄電池的使用壽命[1]。目前，最為常見的動(dòng)力電池充電器為三段式充電器，在充電初期采用恒流方式，當(dāng)電池組電壓達(dá)到設(shè)定電壓后轉(zhuǎn)為恒壓限流充電，當(dāng)充電電流降低到一定值后采用降低電壓的充電方式（即浮充電或涓流充電）。這種類充電器控制要求低，技術(shù)簡(jiǎn)單，但是存在以下問題：① 充電時(shí)間長(zhǎng)，充電效率低；② 充電電壓高，充電過程中電池極化較大，產(chǎn)熱大，高溫時(shí)容易出現(xiàn)“熱失控”現(xiàn)象；③ 高充電電壓導(dǎo)致電池失水嚴(yán)重[2]，影響電池循環(huán)壽命。

實(shí)現(xiàn)自行車動(dòng)力鉛酸電池快速充電是未來動(dòng)力電池發(fā)展方向。普通的快充技術(shù)通常是在現(xiàn)有三段式充電的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)單地增大第一段充電電流，縮短第三階段的涓流來實(shí)現(xiàn)電池快速充電。雖然這種快充技術(shù)縮短了充電時(shí)間，提升了充電效率，但是大電流導(dǎo)致電池極化增大，且第二階段高電壓恒壓階段時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致電池產(chǎn)熱量和失水量增加，會(huì)嚴(yán)重影響電池的使用壽命。

本文中，筆者提出了一種新型的多段式快速充電制度，可有效地解決電池快充導(dǎo)致的熱量增大和失水量增加的問題。

1 試驗(yàn)方法

選取 3 組 12 V 20 Ah 電池（5 只串聯(lián)），分別用表 1 所示的普通三段式充電制度、普通快充式充電制度和多段式快速充電制度進(jìn)行充電，得到如圖 1 所示充電曲線。充電過程中采用紅外攝像儀器（FlukeTi400+）記錄電池的表面溫度。滿充電后，靜置 1 h，以 10 A 電流放電至 42 V（單只電池1.75 V）。按上述方法進(jìn)行充放電循環(huán)測(cè)試。循環(huán)結(jié)束后，對(duì)電池進(jìn)行稱重，然后采用失重法計(jì)算電池失水量。

表1 充電制度參數(shù)設(shè)置

圖1 充電電壓曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 充放電性能

充放電性能是電池的關(guān)鍵性能。合適的充放比對(duì)電池的放電和充電維護(hù)很重要，圖 2 是三種充電制度充電量曲線?？梢钥闯觯合啾戎?，采用多段式充電制度充入的電量較少，充電時(shí)間適中；采用常規(guī)慢充制度充電量較高，充電時(shí)間最長(zhǎng)；采用常規(guī)快充制度的充電量最高，充電時(shí)間較短。圖 3 是三種充電制度的放電量曲線?？梢姡捎贸Ｒ?guī)快充制度時(shí)放電量最大，用多段式快充制度時(shí)次之，而用常規(guī)慢充制度時(shí)放電量最小。三種充電制度的充放電參數(shù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表 2。根據(jù)充放電量計(jì)算的充放比可知，最大的是采用常規(guī)慢充制度時(shí)的充放比 1.084，其次是采用常規(guī)快充制度時(shí)的充放比 1.064，最小的是采用多段式快充制度時(shí)的充放比 1.048。一般，對(duì)于前期至中期使用的電池，合適的充放比在 1.05 以下。充放比過高表示充入的電量多，而放出的電量少。多余的電量會(huì)轉(zhuǎn)化成電池內(nèi)阻能量的消耗，造成熱量累積，失水，鉛膏脫落，板柵腐蝕等問題。因此，多段式快充制度下充放比是合適的，可保證電池在充足電的同時(shí)又不至于過早產(chǎn)生上述問題。

表2 三種充電制度實(shí)際充電情況

圖2 電池充電容量曲線

圖3 電池放電量曲線

2.2 充電過程中產(chǎn)熱效應(yīng)

快充時(shí)電流比較大，所以化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量較大。釋放的大量反應(yīng)熱來不及擴(kuò)散，積聚在電池內(nèi)部。玻璃絲棉隔板是良好的隔熱材料，能夠儲(chǔ)存大量熱量，使電池內(nèi)部溫度迅速上升[3]。常規(guī)快充制度下，一開始用大電流充電，直到較高的恒壓階段后，電流才逐漸減小，所以在大電流充電階段所需時(shí)間較長(zhǎng)，熱量積聚較多。為了避免這一點(diǎn)，根據(jù)熱量計(jì)算，多段式充電方式可以控制溫升在一定的范圍內(nèi)。根據(jù)電池組成材料的重量和熱容，算出總熱容 C。單位時(shí)間內(nèi)體系熱效應(yīng)為 Q，絕熱條件下電池溫度升高 1 K 所需時(shí)間 t =C/Q，所以溫度升高 T 可算出總時(shí)間 t總。在體系絕熱的條件下，恒流過后，進(jìn)入恒壓階段，電流逐漸降低，放熱減少，但根據(jù)文獻(xiàn)[4]，在恒壓充電條件下，溫度每升高 10 ℃，浮充電流會(huì)加倍[5]，而且環(huán)境溫度越高對(duì)散熱越不利，所以最好控制溫度在室溫25 ℃ 基礎(chǔ)上最高增加 10 ℃，即 35 ℃ ± 1 ℃ 以內(nèi)。

第二是可逆反應(yīng)熱和歐姆電阻產(chǎn)生的焦耳熱。與焦耳熱相比，可逆反應(yīng)熱比較小，所以可不予考慮。根據(jù)公式 Q = I2Rt 可知，電流越大，熱量越多。電池的充電過程是一個(gè)電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程。輸入的電能大部分轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，使正負(fù)極充電，而另一部分直接或間接轉(zhuǎn)化為熱能，使電池溫度升高。因此，在電流一定的情況下，控制充電時(shí)間也非常關(guān)鍵。多段式充電制度在幾段恒流充電階段都進(jìn)行了時(shí)間控制，避免出現(xiàn)熱量過渡累積使電池溫升過高的情況。由圖 4 和圖 5 可以看到，兩種快充制度下電池的充電發(fā)熱情況（因?yàn)槌Ｒ?guī)慢充時(shí)電池溫升較小，所以不作對(duì)比）。

圖4 充電熱成像圖

圖5 電壓與電池溫升曲線

另外，根據(jù)電池的充電接受能力隨充電時(shí)間的變長(zhǎng)而減小的關(guān)系，多段式快充第二段與第三段的恒電流繼續(xù)降低至 15 A 和 6 A，恒壓階段電流繼續(xù)下降至 1.2 A 左右，最后轉(zhuǎn)為每 10 次循環(huán)后以 0.2 A浮充 120 min。這樣既保證了電池溫升被控制在合理的范圍內(nèi)，又保證了電池的充電量不至于過多或不足。

2.3 循環(huán)性能及失水量對(duì)比

除了熱量外，蓄電池的充電還要考慮析氣和循環(huán)失水情況。蓄電池充電時(shí)大量析氣，早期失水造成電解液密度過高和電池溫度過高都會(huì)影響蓄電池的使用壽命[6]。為了研究常規(guī)快、慢充和多段式快電對(duì)鉛酸蓄電池壽命的影響，把前面 3 組電池（各5 只裝）分別按照這三種方式進(jìn)行循環(huán)充放電。圖6 為三種充電方式對(duì)應(yīng)的電池循環(huán)壽命曲線。采用常規(guī)慢充和常規(guī)快充制度時(shí)，電池分別循環(huán) 321 次和 270 次就到達(dá)了標(biāo)準(zhǔn)要求的 80 % C2容量以下，而采用多段式快充制度時(shí)，電池循環(huán)達(dá) 517 次才到達(dá)終止要求。

圖6 常規(guī)慢充，常規(guī)快充和多階段快充循環(huán)壽命

通過對(duì)電池循環(huán)前后精確稱重，計(jì)算失水量，得到表 3 所示數(shù)據(jù)。采用常規(guī)慢充制度時(shí)電池平均每次失水 0.0186 g/Ah，采用常規(guī)快充制度時(shí)電池平均每次失水 0.0296 g/Ah，而采用多段式快充制度時(shí)電池平均每次失水為 0.0059 g/Ah?？梢钥闯?，采用常規(guī)快充制度時(shí)失水較多。由于電池接受能力是與充電電流成反比關(guān)系的，根據(jù)充電接受能力與析氣的關(guān)系可知，充電接受能力減小導(dǎo)致析氣量增加。常規(guī)快充制度要求在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持大電流充電，使電池溫升較大，從而導(dǎo)致電池析氣嚴(yán)重，失水較多。慢充時(shí)間過長(zhǎng)，充電量較多，也導(dǎo)致失水不少。多段式快充需要時(shí)間較短，充電時(shí)電池溫度也不高，因此失水較少。

表3 電池失水情況

隨著充電電流的增大，鉛酸蓄電池會(huì)出現(xiàn)析氣反應(yīng)。電流越大，鉛酸蓄電池的析氣反應(yīng)越嚴(yán)重。因此，必須在鉛酸蓄電池發(fā)生大量析氣反應(yīng)之前，對(duì)其進(jìn)行快速充電。析出的氣體來源于副反應(yīng)電解水，由正極產(chǎn)生的氧氣（大部分氧氣會(huì)發(fā)生復(fù)合反應(yīng)）和負(fù)極產(chǎn)生的氫氣組成。雖然電解水所需要的理論最小電壓為 1.23 V，但由于過電勢(shì)的因素，實(shí)際需要的電壓是遠(yuǎn)大于這個(gè)值的。一般來說，電壓上升到 2.4 V/單格左右以后氣體就開始大量析出。所以，為了在電池盡可能充足電之前避免發(fā)生大量析氣，控制前兩段的充電電壓均在 2.4 V 以下，即第一段充至 13.5 V/只（2.25 V/單格），第二段充至14.1 V/只（2.35 V/單格），此時(shí)已經(jīng)充進(jìn)去了 80 % 以上的電量，實(shí)現(xiàn)了前述的鉛酸蓄電池發(fā)生大量析氣反應(yīng)之前，對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行快速充電。受到總極化（電化學(xué)極化、濃差極化和歐姆極化）的影響，同時(shí)為了保證充足電，適當(dāng)調(diào)高了第三段的充電電壓，使最高充電電壓在 14.7 V/只（2.45 V/單格）左右。不過此時(shí)的充電電流已經(jīng)很小，根據(jù)馬斯定律中充電接受能力與時(shí)間的關(guān)系，后期蓄電池充電的可接受電流下僅有微量的氣體出現(xiàn)，不會(huì)產(chǎn)生較多氣體。

電池溫升較高，電池失水較多，這些都會(huì)提前導(dǎo)致電池中電解液干涸，板柵與活性物質(zhì)結(jié)合變差等后果，從而使電池的壽命變短。因此，從以上結(jié)果分析可以看出三種充電制度對(duì)電池壽命影響的差異。

3 結(jié)論

通過三種充電制度的對(duì)比分析，可以看出多段式快充的優(yōu)勢(shì)在于：①充電快，充電效率較高，對(duì)電池的溫升影響較??；②析氣量少，對(duì)電池的失水影響較小。因此，該充電制度能較好地適用于電動(dòng)車蓄電池，尤其適用于對(duì)充電時(shí)間要求短，對(duì)壽命要求高的物流快遞、送餐等行業(yè)用電動(dòng)車蓄電池。