铅酸蓄电池充电技术的研究_图文

1、铅酸蓄电池充电技术的研究李俄收,王远,吴文民(蚌埠汽车管理学院装备技术系,安徽蚌埠233011LI E-shou,WANG-Yuan,WU Wen-min (Dept.of Equipment Technology,Bengbu Automobile Management Institute,Bengbu Anhui 233011,China Abstract:Principles and characteristics of conventional charge,pulse fast charge and intelligent charge methods of lead-acid ba

2、tteries were analyzed.Technical processes and matters needing attention of initial charge,boost charge,desulphurization charge,overcharge to prevent from sulphation,cycling charge and equalizing charge were described in detail.Key words :lead-acid battery;initial charge;boost charge;equalizing charg

3、e收稿日期:2010-03-10摘要:分析了铅酸蓄电池常规充电、快速充电和智能充电的原理及特点;阐述了初充电、补充充电、去硫充电、预防硫化过充电、锻炼循环充电和均衡充电的工艺过程及注意事项。关键词:铅酸蓄电池;初充电;快速充电;均衡充电中图分类号:TM912.6文献标识码:B 文章编号:1006-0847(201006-253-06Research on charging technology of lead-acid battery1前言及时、正确地给铅酸蓄电池充电,不仅可以恢复蓄电池的容量,使其处于良好的技术状态,而且可以有效地预防故障的发生和延长蓄电池的使用寿命,因此选用良好的充电方法和

4、适当的充电工艺是确保铅酸蓄电池充电质量的基础。按充电设备输出性能的不同,蓄电池充电方法可分为常规充电、快速充电和智能充电。按蓄电池技术状态(新、旧及有无故障不一样而充电作业不同又分为初充电、补充充电、去硫充电、预防硫化过充电、锻炼循环充电和均衡充电等。2蓄电池充电理论基础2.1充电电流、充电电压及蓄电池电动势的关系铅酸蓄电池单体的额定电压为2V ,正极物质为二氧化铅,负极物质为海绵性纯铅,电解液为稀硫酸,放电终了正、负极板上的物质均为硫酸铅,典型化学反应式为:PbO 2+Pb +2H 2SO 42PbSO 4+2H 2O为使充电电流I C 流过蓄电池,充电电源的电压U C 必须克服蓄电池的电动

5、势E 和内阻R n 上的压降I C R n,即:U C=E+I C R n则充电电流为:(12.2充电终了的标志蓄电池充电终了时的标志一般是:单体电压为2.7V,电解液出现沸腾现象,电解液的密度不再变化。2.3充电过程中的极化现象蓄电池电极上无电流通过时,电极上的电位称平衡电位。当电极上有电流通过时,电极原来的平衡状态被破坏,电极电位将偏离其平衡电位,这种现象叫做“极化”。产生极化的原因有电化学极化、浓差极化和欧姆极化等。电化学极化是由于电化学反应的迟缓性引起的,亦即电极上进行的化学反应速度落后于电极上电子运动的速度造成的;浓差极化是由于发生化学反应时电极表面附近溶液的离子浓度发生变化引起的;

6、欧姆极化则是正负离子在迁移过程中受到阻力而引起的。极化使充电电压升高,温度升高,充电过程中的气泡增多,是影响充电质量和充电时间的重要因素。2.4蓄电池最佳充电接受曲线上世纪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,提出了以最低出气率为前提的蓄电池最佳充电接受曲线(如图1所示,其充电接受电流与充电时间的指数关系是1:I=I0e-at(2式中:I0当t=0时,蓄电池可能接受的充电电流的最大值。最大充电电流随充电时间的变化系数,即充电接受比。一般认为=I0/C(即充电接受比等于蓄电池初始接受电流值与所需补充的容量之比。实验表明,如果充电电流按图1曲线变化,就可以大大缩短充

7、电时间,并且对电池的容量和寿命不会产生负面影响。当电流大于该曲线时,蓄电池出现极化现象(电流越大极化越严重,过电位增加,电解水加剧产生大量气泡,结果不但不能提高充电速度,还会造成极板不同程度的损坏。如果充电电流过小,虽然电流全部用于化学反应,但充电时间将延长。显然,要在较短的时间内得到较好的充电质量,选择适当的充电方法和良好的充电工艺是非常重要的。3充电方法充电方法分为常规充电、快速充电和智能充电等。常规充电方法有定电压充电、定电流充电;快速充电方法有脉冲快速充电、间歇变电流恒压快速充电及间歇变电压恒压快速充电等。3.1常规充电方法3.1.1定电压充电充电过程中电压始终不变的充电方法称为定电压

8、充电法。蓄电池的电动势和充电电流随时间的变化规律如图2所示。可以看出在充电过程中恒压变流。定电压充电的优点是:在充电初期充电电流较大,充电速度快(一般充电34h,蓄电池的容量可恢复到80%90%左右,因而充电时间较短。当蓄电池的电动势与充电设备的电压相等时,充电电流为零,自动停止充电,不用人工干预。其充电电流曲线接近理想特性曲线,如运用得当,可以取得较好的充电效果 。图3定电流充电特性曲线定电压充电的缺点是:电压恒定,充电电流不能调节,因而不能满足各种不同技术状态蓄电池的充电要求。充电设备没有去极化措施,充电初期极化现象较为严重,温度高,气泡多。充电后期电流较小,极板深处的活性物质不能充分恢复

9、,故不能保证蓄电池彻底充足电。如果按定电压法进行充电,那么电压的选择非常重要。当选用的充电电压较低时,充电电流较小,充电时间短,蓄电池的性能不能较好地恢复,长此下去,容易造成蓄电池长期亏电而产生硫化故障,缩短使用寿命。如果充电电压过高,初期的充电电流较大,当电池充足电以后,因充电设备的电压与蓄电池的电动势之间存在着差值,仍有一定的充电电流,其结果必然导致过量充电,使电池的活性物质脱落,容量减小。为此,在汽车上定电压充电过程中,单体电池的充电电压一般都按基本充足电的特征电压2.4V 来选定,即电压调节器的限额电压为14V (柴油车为28V 左右。3.1.2定电流充电在充电过程中,充电电流恒定不变

10、的充电方法称为定电流充电法,图3为定电流充电特性曲线。可以看出充电过程中恒流变压,充电终了时单体电压为2.7V 。由于充电电流不变,充电末期时,用于电解水的电流不断增加,这样不仅浪费电能,而且电解水产生的大量气泡从极板孔隙中冲出,造成活性物质脱落,使蓄电池容量降低、寿命缩短,故这种充电方法只作为恒流充电的研究基础,较少使用。工作中常常使用的是分阶段定电流充电法。3.1.3分阶段定电流充电这种充电法分为两个阶段,在第一阶段,用较大电流进行恒流充电,当单体电压充到2.4V 左右、电解液中开始出现气泡时,将充电电流减小一半进入第二阶段恒流充电,直到蓄电池完全充足为止,其特性曲线如图4所示。随着充电时

11、间的延长,极板上PbSO 4的数量不断减少,电解液的密度不断增大,当单体电压达到2.4V 时,PbSO 4已基本还原成PbO 2和Pb ,部分电流开始用来电解水,电解液中有气泡产生,蓄电池基本充足电。此时将充电电流减小一半,既节约了电能,又可防止电解水生成的大量气泡将极板上的活性物质冲击脱落,保证了蓄电池的容量,延长了蓄电池的使用寿命。定电流充电(包括分阶段定电流充电的优点是:充电电流可以任意调整,适应于不同技术状态的蓄电池,如新蓄电池、在用蓄电池及故障性蓄电池等。蓄电池基本充好后,还能用很小的电流对蓄电池继续充电,使极板内部的活性物质全部参加反应,从而使蓄电池充电较为彻底,保证了蓄电池的容量

12、。其缺点是:充电中需要人工干预,如蓄电池电压的测试、温度测量、电流调节等。同样充电设备没有去极化措施,极化现象也比较严重。充电后期气泡较多,如不及时终止充电,易造成活性物质脱落。3.2快速充电法为了能够最大限度地加快蓄电池的化学和电化学反应速度,缩短蓄电池的充电时间,同时尽量减轻蓄电池正、负极板的极化现象,提高蓄电池的使用效率,近年来迅速发展了快速充电技术。快速充电使得蓄电池初充电时间一般不超过 5h ,补充充电只需要0.51.5h ,大大缩短了时间,提高了工作效率。3.2.1脉冲快速充电2脉冲快速充电的电流波形如图5所示。在初充电时,采用大电流(0.8C201C20恒流充电,使蓄电池在较短的

13、时间内达到容量的60%左右。当12V蓄电池的电压上升到14.4V开始冒气泡时,自动停止充电,此时欧姆极化消失,浓差极化也因电解液扩散而部分消失,这个过程称为前停充(2540ms,接着转入负脉冲,使蓄电池瞬间放电(反向脉冲,消除电化学极化中产生的积累电荷,同时减少极板空隙中形成的气体,帮助浓差极化进一步消失,负脉冲宽度为1501000s,峰值为1.53倍的正向充电电流,随后停止放电(2540ms,这个过程称为后停充。以后的过程一直是正脉冲充电前停充负脉冲瞬时放电后停充正脉冲充电的循环过程,直至充足。3.2.2间歇变电流恒压充电3这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上,电压电流波形如图6所示

14、,其特点是将恒流充电阶段改为限压变电流间歇充电。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,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得到消除,从而减轻了蓄电池的内压,使下一轮次的充电能够更加顺利地进行,使蓄电池可以吸收更多的电量。3.2.3间歇变电压恒压充电4间歇变电压恒压充电特性曲线如图7所示。与间歇变电流恒压充电方法不同之处在于第一阶段采用的不是间歇恒流,而是间歇恒压。在每个恒压充电阶段,充电电流按照指数规律下降,使整个电流曲线更加符合最佳

15、充电曲线。同样充电后期恒压充电使蓄电池极板深处的活性物质继续转化,电量恢复得更彻底。快速充电具有充电时间短、效率高、蓄电池容量恢复彻底、去硫化作用明显等优点。其缺点是充电设备的控制电路复杂、价格高,充电电流大、温度高,易产生活性物质脱落现象,充/放电循环次数多,使蓄电池的寿命缩短。3.3智能充电法现代智能充电设备,嵌入了先进的智能控制数字电路,采用自适应模式,具有以下特点:采用智能检测技术,实时跟踪电池的当前状态,根据蓄电池的电压值及其变化量自动调节输出脉冲的大小;可靠的浮充模式,保证了铅酸蓄电池在任何情况下都能够彻底充足;采用多种充满判定规则,最佳的终止充电时机,防止过充,从而延长了蓄电池的

16、使用寿命;高效的去极化功能,缩短了充电时间,保证了充电质量;完善的保护功能,最大限度地保证了设备运行的稳定性及可靠性。因图7变电压间歇 恒压充电特性曲线此智能充电特性曲线基本上接近蓄电池最佳充电接受曲线。4充电工艺蓄电池充电时的具体操作方法称为充电工艺,不同状态蓄电池的充电工艺不同。4.1初充电工艺新蓄电池和修复后的蓄电池在使用前的首次充电称为初次充电,简称初充电。初充电的目的在于消除蓄电池在库存期间极板表面产生的轻微硫化,使活性物质得到更好的恢复,以保证蓄电池的容量。若初充电不彻底,可能导致蓄电池永久性充电不足,使容量下降、寿命缩短。初充电一般采取以下步骤:4.1.1加注电解液根据所在地区的

17、最低温度或制造厂家的规定,加入所需密度的电解液后放置46h,使电解液渗透到极板和隔板内部,并散放出化学反应产生的热量,当电解液温度降低到35以下时才能充电。另外因极板、隔板要吸收部分电解液,充电前还应将液面补充到高于极板1015mm。4.1.2充电电流的选择充电电流应根据蓄电池的容量来选择,第一阶段充电电流为额定容量的1/15,第二阶段的充电电流减半。4.1.3连接蓄电池充电前要按照充电设备的额定电压和额定电流的大小将蓄电池连接起来。根据定电流充电特性理论,蓄电池充足电时,单体电压可达2.7V左右,为可靠起见,充电电压均按单体2.75V计算。这样有6个单体的12V蓄电池需要的充电电压就为16.

18、5V。由于串联在一路内的蓄电池总电压不能大于充电设备的额定电压,所以一路内串联12V蓄电池的数目为:(3当充电设备的额定电流较大时,可根据需用把被充蓄电池并联起来,允许并联支路数为:(4式中:I C每条支路第一阶段充电电流。注意事项:并联多支路同时充电时,各支路间蓄电池的总电压(电池个数应该相等;如果在一条支路中串联蓄电池的容量与所需的充电电流大小不同时,充电电流按容量最小的蓄电池计算,对于容量大的蓄电池,充电时间可以延长;连接好的蓄电池接入充电设备(电源电压未接通时,其电压表上的指数应与蓄电池总电压相等,否则可能有个别蓄电池的极性接错,充电后会造成蓄电池“反极”。4.1.4充电过程中的观察记

19、录为了及时了解情况,在充电过程中每隔23h 应测量电压、电解液密度和电解液温度,并作记录。如果电解液的温度超过45,应立即停止充电或减小充电电流,待冷却后再恢复正常充电。当蓄电池基本充足时,应及时转入第二阶段充电。最后当蓄电池出现大量气泡,每只蓄电池的电压都稳定在16.2V左右,且2h内电压和电解液密度都不再升高时,表明充电终了,应停止充电。4.1.5充/放电循环为了保证蓄电池容量的彻底恢复,在第一次充电结束后,还应进行(恒流放电,并计算容量。如达不到额定容量的90%以上,还须进行第二次充电,不过第二次充电时第一阶段充电电流可改用额定容量的1/10,第二阶段为额定容量的1/20。直到蓄电池容量

20、恢复到上述标准时,方可进行最后一次充电。4.1.6调整电解液密度充电终了时电解液密度不一定符合规定,需要进行调整。其方法是:先将电解液抽出少许,如原密度较小,可加入密度为1.40g/cm3的稀硫酸,如原来密度较大,可加入蒸馏水。调整后的各单格间电解液密度不得相差0.01g/cm3,液面高度要符合要求。然后再用小电流充电半小时,使电解液混合均匀,并做一次复查。同时将调整后的电解液密度记录下来,作为今后使用管理中的参考数据。4.2补充充电工艺凡因放电程度在夏季超过50%(密度下降了0.08g/cm3、冬季超过25%或灯光暗淡、起动机无蓄电池 Chinese LABAT Man 力，并无别的故障的经

21、常性充电，叫做补充充电。 当使用定电流充电时，其步骤除充电前不需另加电 解液 （ 如液面过低可加蒸馏水 ），第一阶段充电电 流 为 额 定 容 量 的 1/10， 第 二 阶 段 为 额 定 容 量 的 1/20，不需进行充放电循环外，蓄电池的连接、充 电终了的特征以及电解液密度的调整方法等，均与 新蓄电池的初充电相同。 4.3 去硫充电工艺 当蓄电池长期充电不足或极板露出液面时，会 造成极板硫化，可以用去硫化充电的方法来恢复。 具体方法是： （） 首先倒出原有的电解液，用蒸馏水冲洗 1 数次，然后再加入蒸馏水且高出极板 1015 mm。 （） 接通充电电路，将电流调节到初充电的 2 电流值进

22、行充电。当密度上升到 1.15 g/cm3 时，倒 出电解液，换加蒸馏水再进行定电流充电。 （） 当电解液密度不再增加时，按规定调好 3 密度的大小。 （） 用 20 小时率电流放电并计算容量，当单 4 体电压下降到 1.75 V 时，再以补充充电的电流充 电，再放电，再充电，直到容量恢复到额定容量的 80 %以上，即可投入使用。 4.4 预防硫化过充电工艺 为防止蓄电池硫化，对于正常使用的蓄电池， 每隔 3 个月应进行一次过充电，即比平常充电时间 更长、更完全的充电，称预防硫化过充电。具体方 法为：用平时补充充电的电流值将电池充足，中断 1 h 后，再 用 1/2 的 补 充 充 电 电 流

23、 值 进 行 充 电 至 “沸腾”为止。如此重复几次，直至刚接入充电， 蓄电池立即“沸腾”时结束。 4.5 锻炼循环充电工艺 蓄电池在使用中常处于部分放电的状态，只有 少量活性物质参加工作，长此下去，不参加化学反 应的活性物质会收缩硬化，不能使用，使蓄电池容 量下降。为迫使全部的活性物质都能参加工作，每 （上接第 248 页 ） 隔 3 个月进行一次充 / 放电循环的充电方法叫做充 / 放电锻炼循环。即在电池正常充足后，用 20 小 时率放完电，再正常充电后即可使用。 4.6 均衡充电工艺 蓄电池由于制造材料、使用因素等原因，会出 现各单体电池的端电压、电解液密度、容量等有 差异，对蓄电池的使用极为不利，用来消除此现 象的充电方法称均衡充电。具体方法为：先用正 常的充电方法进行充电，待蓄电池端电压稳定后， 停充 1 h，改用 20 小时率电流值进行充电，充 2 h 停 1 h，反复 3 次，直至蓄电池一开始充电立