电池的基本知识.doc

浮充电源探讨 (转载)2006-06-21 10:55:47在当前通信电源领域中，电源的概念比较模糊，具体表现在以下三个方面：（）一些习惯上称作电源的设备，实际上是一些无源网络（如稳压电源及各式开关电源等）；（）对当前通信电源的研究存在一种倾向，即重电子研究、轻能源研究。比如一些所谓的不间断的电源产品，在技术时就有自动关机保护电路，轻视通信供电的连续性；（）某些权威部门对通信电源的构成说法不一。一种说法称由交流电和直流电构成，另一种说法又称由配电屏、整鎏器、蓄电池和发电机等设备构成。 一般说来，电源是指能够把自然界的其它能量转变为通信设备提供不间断供电的器件及其组合。为了深化电源研究，进一步明确什么是通信电源，本文提出了浮充电源概念。 浮充电源 通信供电大致存在两种供电形式，一是电池供源（包括蓄电池或其它电池），二是浮充供电。浮充电源是浮充供电方式的电源部分。通信电源作为信息能源是通信设备的心脏，本质是能源，主要特征是连续性。也就是说，只要有了电，总可以通过一些变换手段（如变压、整流、直流变换和频率变换等）使其变为有用的电能。只要这种电能不间断，通信工作就有了基本能源保证，电源就完成了自己的使命。因此，早期的（或简单的）通信电源均采用蓄电池供电，用蓄电池的交替使用保证连续性。这种方法简便易行，沿续了多年，但缺点是蓄电池经常要脱离负载充电，在大容量连续供电的情况下，效率较低。 随着科技进步和通信业务量增加，尤其是交流市电的发展和整流设备的变化，通信电源的供电方式也发生了变化，即逐渐采用整流器和蓄电池并联供电的方法，代替原来单用蓄电池轮流供电的方法。这种方法习惯上称之为浮充供电。浮充供电方法的成熟起起始于硅整流器的推广应用或更早。为了区别上述两种方式，设t电池代表蓄电池供电时间，t浮充代表浮充供电时间，可以这样界定，当t电池t浮充时，为蓄电池供电；当t浮充t电池时，为浮充供电。 在通信电源的发展中，大容量的连续性供电迄今为止经历了蓄电池供电和浮充供电两个阶段。当前所谓的现代通信电源，虽然渗透了电子技术、变频技术和微机监测技术，并密封蓄电池，对整流设备、变换设备和稳压设备进行合并或集成，但浮充供电的基本特征并没有改变，交流市电进行变换之后，仍依托蓄电池作为备用电源进行浮充供电。 当然，上述通信电源仅指固定交换设备集中供电，是一种狭义的理解。广义的通信电源还包括许多移动通信设备的分散供电。这些移动通信设备的供电始终离不开蓄电池和干电池交替供电。纵观通信电源的发展历史，电池供电和浮充供电是通信设备集中供电的两个阶段。在现代通信电源中，蓄电池（包括其它电池）供电方式仍然存在，而且随着移动通信设备日趋小型化，仍有着强大的生命力。 浮充供电方式是将整流器和蓄电池合在一起供电。平时由交流电通过整流器和蓄电池供电，在交流停电时由蓄电池供电。这是一个联合供电整体，既有能量的储备又有能量的输出，具有这种特征和电源类别的电源称为浮充电源。 浮充电源的特点 浮充电源是一种复合电源，由蓄电池和整流器并联共同工作，配合使用，其特点如下：（）传统电源的油机和电池没有输入电路，而浮充电源则必须依靠交流市电的输入，它是一种特殊电源；（）浮充电源内部必须依靠蓄电池作为备用电源；（）浮充电源平时不消耗自身能量，依靠交流市电运行，当浮充状态中止时，其自身储备的能量才开始输出，它是一个理想的不间断电源。 浮充电源的表示 浮充电源可用整流器的规格、台数及蓄电池的容量、组数来表示。 浮充电源的实际电路因各电源室的情况不同而不同，其中涉及供电电压的种类、蓄电池的组数、容量、整流器的型号和台数，以及直流屏上反压由以的设备级数。目前所用直流配电屏的电路图可较好地反映浮充电源的基本电路。在整个浮充供电中，直流屏起着完全的调节控制作用，因此，确切地讲，直流屏是一个浮充控制屏。 浮充电源的意义 （）提出浮充电源后，进一步完善了通信供电的基础理论。比如，浮充供电和浮充充电可以这样简单解释：浮充供电中包涵浮充充电，是电源针对负载而言；浮充电指浮充电源内部给蓄电池充电的问题。 （）提出浮充电源后，可以把当前通信电源的集中供电归纳为一个统一的流程图。 （）通信电源的构成主要有如下几部分：（a）基础电源；包括市电、蓄电池、油机发电机和太阳能等；（b）浮充电源：包括专用整流器、蓄电池组和直流屏等；（c）变换器：包括变压器、整流器、逆变器、直流变换器和变频器等；（d）稳压器：包括直流稳压电源、交流稳压电源和现代电源等输出设备（e）自动控制和安全供电部分。 （）由以浮充电源为核心组成的通信电源的流程图可知，任何一个用户提供n种不同供电电压的电源室，都可以仅用一个浮充电源供电，其它n-1种不同的电压，都可以通过n-1路变换来取得。因此，任何电源室都没有必要重复设置多个浮充电源。 （）根据上述结论，可以解决当前电源室盲目重复设置浮充电源的情况，对电源室进行规范化改造，简化电源室的传统设置，大幅度减少蓄电池种类，并使蓄电池进一步集中使用，有利于电源的日常管理，同时还使环境污染得到进一步改善。 （）浮充电源的提出，对于通信供电及其它任何需要不间断供电的行业都具有普遍意义，对于不间断供电问题提供了一种独立的研究方法。固定链接 | 评论(0) | 阅读(36)蓄电池充电方法的研究2004-5-25 （转载）2006-06-20 10:51:28侯聪玲 吴 捷 李金鹏 张 淼 摘要：针对蓄电池的特点，研究了蓄电池充放电过程中的极化现象，提出和分析了几种充电方式，并展望了其发展前景。 关键词：蓄电池；充电；极化 引言 铅酸蓄电池由于其制造成本低，容量大，价格低廉而得到了广泛的使用。但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，而采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命。 研究发现：电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。由此可见，一个好的充电器对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。 1 蓄电池充电理论基础 上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图1所示。实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了快速充电方法的研究方向1，2。 由图1可以看出：初始充电电流很大，但是衰减很快。主要原因是充电过程中产生了极化现象。在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板（正极板产生氧气），使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。 蓄电池是可逆的。其放电及充电的化学反应式如下： PbO2Pb2H2SO42PbSO42H2O （1） 很显然，充电过程和放电过程互为逆反应。可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行,而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。 一般来说，产生极化现象有3个方面的原因。 1）欧姆极化充电过程中，正负离子向两极迁移。在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。为了克服这个内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。 2）浓度极化电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就是说，从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。这种现象称为浓度极化。 3）电化学极化这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。例如：电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。放电时，立即有电子释放给外电路。电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢MeeMe，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化。这种表面负电荷减少的状态促进金属中电子离开电极，金属离子Me转入溶液，加速MeeMe反应进行。总有一个时刻，达到新的动态平衡。但与放电前相比，电极表面所带负电荷数目减少了，与此对应的电极电势变正。也就是电化学极化电压变高，从而严重阻碍了正常的充电电流。同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电势变负。 这3种极化现象都是随着充电电流的增大而严重。 2 充电方法的研究 2.1 常规充电法 常规充电制度是依据1940年前国际公认的经验法则设计的。其中最著名的就是“安培小时规则”：充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安时数。实际上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。这个现象对蓄电池充电所必须的最短时间具有重要意义。 一般来说，常规充电有以下3种。 2.1.1 恒流充电法 恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法，如图2所示。控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常选用阶段充电法。 2.1.2 阶段充电法 此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。 1）二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图3所示。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。 2）三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。 2.1.3 恒压充电法 充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。用恒定电压快速充电，如图4所示。由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。 这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。 鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。 2.2 快速充电技术 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，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，提高蓄电池使用效率。快速充电技术近年来得到了迅速发展。 下面介绍目前比较流行的几种快速充电方法。这些方法都是围绕着最佳充电曲线进行设计的，目的就是使其充电曲线尽可能地逼进最佳充电曲线。 2.2.1 脉冲式充电法 这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。 脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环，如图5所示。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率5。 2.2.2 ReflexTM快速充电法 这种技术是美国的一项专利技术，它主要面对的充电对象是镍镉电池。由于它采用了新型的充电方法，解决了镍镉电池的记忆效应，因此，大大降低了蓄电池的快速充电的时间。铅酸蓄电池的充电方法和对充电状态的检测方法与镍镉电池有很大的不同，但它们之间可以相互借鉴3。 如图6所示，ReflexTM充电法的一个工作周期包括正向充电脉冲，反向瞬间放电脉冲，停充维持3个阶段3。 2.2.3 变电流间歇充电法 这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，如图7所示。其特点是将恒流充电段为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量4。 2.2.4 变电压间歇充电法 在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法，如图8所示。与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。 比较图7和图8，可以看出：图8更加符合最佳充电的充电曲线。在每个恒电压充电阶段，由于是恒压充电，充电电流自然按照指数规律下降，符合电池电流可接受率随着充电的进行逐?下降的特点4。 2.2.5 变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法 综合脉冲充电法、ReflexTM快速充电法、变电流间歇充电法及变电压间歇充电法的优点，变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法得到发展应用。脉冲充电法充电电路的控制一般有两种： 1）脉冲电流的幅值可变，而PWM（驱动充放电开关管）信号的频率是固定的； 2）脉冲电流幅值固定不变，PWM信号的频率可调。 图9采用了一种不同于这两者的控制模式，脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定，PWM占空比可调，在此基础上加入间歇停充阶段，能够在较短的时间内充进更多的电量，提高蓄电池的充电接受能力。 3 结语 铅酸蓄电池是目前世界上广泛使用的一种化学电源，该产品具有良好的可逆性，电压特性平稳，使用寿命长，适用范围广，原材料丰富（且可再生使用）及造价低廉等优点。主要应用在交通运输，通信，电力，铁路，矿山，港口等国民经济各个部门，是社会生产经营活动中不可缺少的产品，具有广阔的发展前景。固定链接 | 评论(0) | 阅读(48)电池基础知识（转载）2006-06-20 10:07:32电池是一种电的贮存装置,当两种金属（通常是性质有差异的金属）浸没于电解液之中，它们可以导电，并在“极板”之间产生一定电动势（图1）。 电动势大小（或电压）与所使用的金属有关，不同种类的电池其电动势也不同。铅酸电池是指以二氧化铅作正极、活性铅作负极、稀硫酸作电解液的电池。它由电池壳、正负极板、电解液、隔板等部分组成。 上面充放电的可逆方程表达了铅酸蓄电池具备充电储能和放电的特性，每个单体电池具有2V电动势。使用时，可以串联电池来获得所需较高电压，也可以并联电池来获得所需要较大容量。 按铅酸蓄电池中电解液存在的方式，铅酸蓄电池分为开口式（富液）铅酸蓄电池和阀控式（贫液）密封铅酸蓄电池。阀控式铅酸蓄电池的工作原理是：气体再化合，即： 正极产生的氧气，通过AGM隔板中的孔隙（或胶体的裂缝）与负极活物质和稀硫酸进行反应，再化合成水，同时使负极板的一部分处于放电状态，从而抑制氢气的产生。只要正极板氧气的产生速度不超过负极板对氧气的吸收速度，电池中不会有多余气体产生，电池中的水也不会损失，就可实现密封。实际在蓄电池实际使用过程中，总有少量的气体不能被再化合，为防止电池内部压力过大，在电池盖上安装单向阀，排除电池内部多余的气体，这就是所谓的阀控。 阀控式密封铅酸蓄电池具备低维护特点，因此可在办公环境下使用, 当今UPS配置的电池全面使用了阀控式密封铅酸蓄电池。 电池的基本参数包括：电池电动势、开路电压、终止电压、工作电压、放电电流、容量、比能量、电池内阻、储存性能、使用寿命（浮充放电循环寿命）等；性能指标包括：最大放电电流、耐过充电能力、容量保存率、密封反应性能、安全阀动作、防爆性能、防酸雾性能等。 电池涉及的术语有（UPS电池标准参见日本JISC 8702-1995工业标准）： 1、容量：Ah容量、Wh容量，在选择UPS配置电池时，按照客户要求的系统满载备电时间要求，可以计算出满载下系统由电池提供的放电Wh数，根据电池厂商提供的不同容量电池、不同放电时间的Wh数据表，对照查表即可，无此数据表时需要求厂商提供； 2，放电率：依据IEC标准，放电时间率有20、10、5、3、1、0.5小时率及分钟率,分别表示为:20Hr、10Hr、5Hr、3Hr、2Hr、1Hr、0.5Hr等。 C1010h率额定容量Ah，数值为1.00 C10 C33h率额定容量Ah，数值为0.75 C10 C11h率额定容量Ah，数值为0.55 C10 Ct蓄电池实测容量Ah，是放电电流I(A)与放电时间t(h)的乘积 Ce在基础温度(25)条件时的蓄电池实际容量, Ah I1010h率放电电流, 数值为1.00I10(A) I33h率放电电流, 数值为2.50I10(A) I11h率放电电流, 数值为5.50I10(A) 在选择阀控铅酸(VRLA)电池应根据电池的应用领域选择不同的类型，给UPS配套使用时应充分考虑其大电流放电能力，接入网类小电流长时间放电应充分考虑电池的耐深放电能力和恢复充电接受能力，不同的应用场合我们要关注不同的指标。 电池的电化学特性决定了电池是一种有使用寿命期限的器件，合理的使用和管理才能够保证电池的健康。 电池应用的基本要求： 1、环境要求 电池必须在规定的环境温度范围内应用，超出规定温度范围必须降额使用； 电池应安装在相对湿度70%、通风、散热、无酸、碱或其它腐蚀性气体的空间中，严禁安装在完全密封的环境中。 2、安装要求 安装位置： 电池安装时应尽量与设备的其它部分隔离，尽量避免直接与印刷电路板连接，当因设 计、空间限制或其它任何原因不能达到此两项要求时，至少应使电池位于设备或单板的最下端，以防止电池在意外情况下发生漏液腐蚀设备部件或单板； 周围材料： 电池安装空间的内表面应采用相应的耐腐蚀性材料； 空间尺寸： 安装电池的空间应能满足电池的最大外形尺寸并有一定余量，方便电池的安装，同时考虑尺寸的兼容性； 连接： 电池与设备或单板之间连接件长度应尽量小，以减少压降；连接件的横截面积以能长期承受电池充电或工作电流最大值2倍的电流为原则。 3、存放要求 蓄电池应在完全充电条件下保存于干燥、洁净、阴凉的环境中。 蓄电池存放若要达6个月或更长的时间，则需要定期对蓄电池进行补充电。 蓄电池存放环境温度最好保持在30以下 影响电池寿命的关键因素 1) 境温度：过高的环境工作温度是导致密封免维护电池使用寿命缩短的首要原因,环境温度超过25时,温度每增加10,就会导致电池的实际使用寿命缩短一半。一般来说,这种电池的最高环境工作温度以不超过45为宜,当温度超过55时会造成电池毁灭性的损坏环境温度偏低时,尽管它不会因过压充电对电池的使用寿命造成不利的影响,但会造成密封免维护电池所提供有效容量(数)下降。 2）深度放电：电池的放电电流越小,电池的输出电压能维持稳定时间也越长。放电电流越大,电池维持其输出的电压稳定能力也差。因此，深度放电极易发生在UPS的“过度自动关机点”被设计为在任何状况下都是固定的情况下，这是一个使电池寿命缩短的重要原因。当这种电源被配置成长延时供电系统,而实际负载较小时,一旦市电停电,电池就会被深度放电。 3）大电流放电： 当放电电流超过2时,不仅会大大缩短电池电压稳定工作时间,还会在接通负载的瞬间造成电池输出电压的迅速跌落,很有可能造成电池的永久损坏， 4）长期充电：影响电池寿命的内部因素就是大多数电源充电电路的充电方式,大多数都将电池组置于长时期的“浮充充电”工作状态之下,只要市电供电正常,其充电器总是以固定的充电电压13.5(是电池组中的12电池的串联节数)对电池进行持续不断的浮充充电,从而将电池置于只充电不放电的不合理工作状态,造成电池的阳极极板钝化,电池的内阻急剧增大,电池的实用容量大大低于其标称容量。 5）固定充电电压：电池的实际容量与活性与温度是相关的，温度高时电池容量会上升，而温度低时反之，如果采取固定的充电电压会造成电池随温度的变化充不饱或者过充，严重影响电池的寿命。 以上涉及的影响电池寿命的5个问题中，问题1环境温度可以通过配置空调等控制机房温度的手段来避免，问题3可以通过电池容量的合理配置来避免。而其它因素需要电池的使用和管理者UPS的功能来得到保证，您的电池的是否安全取决于您所选用的UPS的电池管理功能是否完善。固定链接 | 评论(0) | 阅读(70)密封铅酸蓄电池的充电特性（转载）2006-06-20 09:37:35蓄电池的寿命通常分为循环寿命和浮充寿命两种。 蓄电池的容量减少到规定值以前，蓄电池的充放电循环次数称为循环寿命。在正常维护条件下，蓄电池浮充供电的时间，称为浮充寿命。通常免维护铅酸蓄电池的浮充寿命可达10年以上。 通常要完成两个任务，首先是尽可能快地使电池恢复额定容量，另一个任务是用涓流充电补充电池因自放电而损失的电量，以维持电池的额定容量。在充电过程中，铅酸电池负极板上的硫酸铅逐渐变为铅，正极板上的硫酸铅逐渐变为二氧化铅。当正负极板上的硫酸铅完全变成铅和二氧化铅后，电池开始发生过充电反应，产生氢气和氧气。这样，在非密封铅酸蓄电池中，电解液中的水将逐渐减少。在密封铅酸蓄电池中，采用中等充电速率时，氢气和氧