铅酸电池快速充电技术

铅蓄电池

快速充电技术中国电工技术学会电动车辆专委会技术服务中心郭自强提纲前言定义快速充电技术发展概况快速充电的好处快速充电能延长蓄电池寿命的原因与快速充电配套的相关技术推广应用的市场前景社会经济效益分析结语1.前言为了保护环境和节约石油资源,世界各国都在积极发展电动车。我国电动自行车发展形势很好。电动车都要用蓄电池。蓄电池动力源的电动车主要缺点是：续驶里程短；充电时间长。为克服缺点，开发了像加油一样快捷的快速充电技术，取得了可喜的成绩。快速充电技术是发展电动车的重要配套技术。电动车的数量迅速增大。快速充电站将成为像加油站一样重要的配套服务设施。介绍快速充电技术的进展和我们的研究工作。2定义号称快速充电的方法和充电机很多，字面概念模糊，很难说清怎样才算快速充电？快速充电定义：在几分钟（3-10分钟）内充入30-70%容量的部分荷电快速充电。要点和含义：1/充电时间短，在几分钟（3-10分钟）内；2/充入容量多；充入放出容量的30-70%；3/充电结束处于部分荷电状态，即未充满。3.快速充电技术的发展概况3.1对快速充电的认识

3.1.1传统充电规则——不允许快速充电

3.1.2快速充电的探索

3.1.3现代快速充电技术的兴起和发展3.2各种快速充电技术

3.2.1大电流恒流方法

3.2.2多阶段恒流方法（变电流间歇）

3.2.3大电流限流恒压方法（无阻恒压）

3.2.4脉冲充电方法（负脉冲有无、慢脉冲等）

3.2.5专有快速充电方法3.1对快速充电的认识3.1.1传统充电规则100年前进入铅蓄电池实用时;1935年，伍德勃里奇的安时规律（<1C）;1955年，维纳尔的解释，1C，0.5h，<50%;苏联潜艇铅蓄电池（0.2C限流恒压≯2次）。60年代前，传统充电：低速率（0.1C），不许大电流快速充电：要充饱，120-30%。3.1.2快速充电的探索马斯三定律：在析气前可接受的充电电流随时间指数下降；超过此，对蓄电池有害；可接受充电电流与前次放电深度有关，提出负脉冲充电方法。1976-78年，我国曾出现开发铅蓄电池的脉冲充电和相应充电机的高潮。最后因对寿命有不利影响，没被广泛接受。雷兹洛夫从理论上指出：铅蓄电池在放电态有短时接受很大充电电流的能力；可接受的充电电流随充电时间指数下降；按此规律进行充电，充电时间最短。3.1.3现代快速充电技术兴起和发展1987-91年奴尔证实了几分钟的快速充电是可行，制造了充电机。先镍镉电池实现5分钟快速充电；后到铅蓄电池；还证实了快速充电对蓄电池寿命是有利而无害。现在证明：各种电池都可用几分钟的快速充电，充电到30-70%的部分荷电状态；效率高；可延长电动车的行程；对老化的蓄电池有激活、修复作用；可延长蓄电池的循环寿命。因此，快速充电概念被人们接受，并不断发展。3.2各种快速充电技术3.2.1大电流恒流方法

1995年法国电力公司用160A（1C）对160Ah阀控铅酸蓄电池进行快速充电，在30分钟内可充入50%。优点是控制简单；缺点是时间长，充入容量较少，效率低、析气多、温升大。3.2.2多阶段恒流方法（变电流间歇）采用3C+2C+1C的多阶段恒流方法，充入70-75%的容量需要16.5-18分钟。优点是控制简单，比恒流方法时间短，充入容量多，效率高、析气少；缺点是时间还较长，充入容量还较少，效率还较低、析气还较多、温升还较大。

3.2.3大电流限流恒压方法（无阻恒压）限流4-6C，最大12C，恒压2.4V/单电池。优点是控制简单，比上两种充电时间短，充入容量多，效率高、析气少。缺点是难定合适恒压值，太低，电流不够大，充电时间长；太高，电流够，对电池有损害。另，充入容量较少，效率较低、析气较多、温升较大等缺点。3.2.4脉冲充电方法（负脉冲有无、慢脉冲等）所有脉冲充电缺点：时间和能量利用率低，不能实现最短的时间内充入最多的容量。例如北方交大的快速充电机，充电时间12分钟，充人44%容量。另，温升大；谐波成分大，电磁辐射大；调节复杂，Ich、Tdis等都有影响；控制复杂等缺点。3.2.5专有快速充电方法我们的专有快速充电技术，以蓄电池充电基本理论为基础，综合上述方法的优缺点,取长补短，是非脉冲的快速充电方法，还研制了相应的充电机。特点：开始用尽可能大的电流对蓄池充电；充电电流随时间指数下降；最短的时间充人最多的容量；使析气和温升最小；充电机的结构和控制简单、价格便宜。4、快速充电的好处4.1缩短充电时间、提高充电效率4.2延长行驶里程4.3延长蓄电池循环寿命

4.3.1国外的证实试验

4.3.2我们的证实试验4.4对蓄电池容量有激活和恢复作用4.1缩短充电时间、提高充电效率1996年，奴尔在霍克的G12V190W15SP型阀控铅蓄电池上试验，见表。到1998年，国际上能达到3分钟充回50%；10分钟充回80%的水平始电流A充电时间（分）温升（℃）库仑效率%能量效率%充回50%充回80%6C581498-10080-8212C2.541995-9773-75我们在普通12V17Ah阀控铅蓄电池上试验，见表，最大充电电流达75-80A。对高速率（HR型）12V17Ah电池，最大充电电流达90-95A，3分钟可充回50%、10分钟可充回80%。用3-5分钟可充回35-50%的容量，基本不析气，温升约10℃；用10-15分钟可充回70-85%的容量，析气不多，温升小于20℃。时间（分）3581015充回%30-3547-5268-7072-7478-82温升（℃）6-79-1115-1616-1717-18出气ml无基本无1001201504.2延长行驶里程用连续多次快充，可延长行驶里程。实例：1/在Bedford上连续4次快充，累计行程达原来的3倍。2/在26英尺巴士上连续5-6次快充，累计行程达原来的2.5-3倍。3/在24h内靠用快速充电连续运行，结果累计行程1640KM。4/日本在72h内进行了连续75次快速充电的运行试验，累计行程4000KM。5/日三菱装锂离子蓄电池的电动车在24h内进行了连续18次快速充电的运行试验，累计行程2143KM。6/15-20℃下我们进行了连续3-4次快速充电，温度55-60℃，累计容量可达2-3倍，行程延至2-3倍。从小到大的车上的铅蓄电池、锂离子蓄电池都可连续多次快速充电；少则3-4次，多的72h内75次。行程延至2-3倍，最长达4000KM。连续快充后经1-2次全充放电，容量就恢复100%额定值，没有衰减。只要有快速充电设施，用比能量低的铅蓄电池电动车，其行驶里程几乎没有限制。电动车行驶里程不够长的缺点可克服。4.3延长蓄电池循环寿命4.3.1国外的证实试验加拿大考明库公司的进行了对比试验。常规充电约250次循环、累计放电容量约10000Ah失效；快速充电900次循环、累计放电容量约30000Ah（约3倍）还未失效。美国在S-10型电动车上试验。常规充电运行2个月，一次充电的行程从113KM降到60KM，月行程只有480KM。用快速充电5次后，一次充电行程到113KM；以后快速充电的次数占54%，8个月总行程达23378KM（月行程2800KM）。4.3.2我们的证实试验用二组12V17Ah电池，进行常规充放电与快速充电对寿命影响的对比试验。结果含有快速充电的一组蓄电池寿命较长。对G12V38Ah10VP型和BP17-12型电池进行含快速充电的寿命试验，结果也对寿命无害、而有利。4.4对蓄电池容量有激活和恢复作用快速充电可使蓄电池因常规充电造成的容量损失得到激活和恢复。实例：1/美国的S-10型电动车常规充电运行2个月，一次充电的行程从113KM降到60KM，月行程只有480KM。用快速充电5次后，一次充电行程到113KM；后来又提升到166KM；月总行程达2800KM。2/我们对BP17-12型电池进行含快速充电的寿命试验中，在寿命中后期（90-200次循环）都表现对放电容量有提升作用（下图）。5、快速充电延长蓄电池寿命的原因5.1初始充电电流大有利于延长蓄电池寿命。5.2快速充电使电极活性物质颗粒较细、电极保持较大的表面积。5.3控制充电因数、限制过充电程度有利于延长蓄电池寿命。5.1充电电流大有利于延长寿命巴甫洛夫认为：大电流充电时溶液中Pb(OH)4过饱和程度大，促使PbO(OH)2-PbO2凝胶加速形成；形成与正极活性物质骨架紧密连接的聚集体；还进入其他聚集体之间改善它们的互相接触和连接（类似“焊接”作用）。另，高饱和度的Pb(OH)4

溶液改善正极活性物质的微孔结构，使其有利于正极活性物质的电化学反应。5.2使电极活性物质颗粒较细、电极保持较大的表面积。

充电电流大，产生的活性物质是针状、细小的结晶颗粒，可使电极保持较大的表面积。从晶体结构和电子能量损失谱等方面研究结果证明：电池的寿命初期活性物质是针状、细小的结晶；寿命末期是粗大颗粒结晶。快速充电能在更长的寿命期内维持活性物质是针状、细小的结晶。5.3控制充电因数、限制过充电程度有利于延长寿命控制充电因数和使蓄电池处于部分荷电态，可避免为使活性物质全部转化的过充电引起的正极板栅腐蚀、电极老化和杂质的增加，另，活性物质体积变化小，副反应少，充电的库仑效率接近100%。6、与快速充电配套的相关技术6.1蓄电池适应快速充电的能力实现快速充电与蓄电池本身有很大关系。一般极板薄、片数多的高速率型电池，接受快速充电的能力就好些。6.2蓄电池组的构成要适应快速充电快速充电的特点是电流大，因此构成蓄电池组要充分注意：

1/接插件、电池间连接线要接触好、有承受大电流的能力；

2/电池间要留有合适的通风间隙；

3/蓄电池组箱（或盒）有合适的通风冷却手段。6.3充电参数的优化充电方法及充电机是快速充电技术的重要部分，充电终止的方法和时间也是重要的，甚至更重要。因此，要对快速充电的参数进行优化。而且随着蓄电池的老化，要调整和再优化充电的参数。6.4温度控制和冷却通风快速充电的温升大，为避免损坏蓄电池，要求在超过温度限值时，对充电进行有效的控制和保护；充电时采用通风冷却有良好的效果。6.5定期进行完全充电快速充电中蓄电池处于部分荷电态，虽然对寿命有利，但长期如此对阀控铅蓄电池不利，因此要定期进行完全充电。6.6合理设计行程用快速充电后电动车的行程几乎不受限制，因此电动车一次充电的行程要合理设计。铅蓄电池的比能量低，电池重量约占35%，优化车重和行程关系，不单求行程，使车有更好的综合性能，值得考虑。7、推广应用的市场前景推广应用的首选对象是电动自行车。目前保有量已超1亿辆，还以每年2000万辆的速度增长，其中70%以上是骑行功能差、相对较重的轻便电动摩托车。必然会有中途电能用尽难于行驶的困境，非常需要在3-5分钟内实现应急的充电，使车能行驶相当长的距离。可见有多大的市场前景。推广应用的第二对象是电动游览车等。电动游览车等纯电动车是已广泛应用的车辆，有相当大的保有量。如果能实现快速充电，将提高车辆的利用率和扩大使用的范围。例如，美国在机场的电动运输车上进行了示范试验，结果表明：原来只能工作1个班次，实现快速充电后，可连续工作3个班次，车辆的利用率明显提高。我国“十城千辆”示范的重点是电动公交大巴车，推广应用快速充电技术将提高车辆周转利用率和扩大行驶范围。香港曾经有通过快速充电接力实现环路全电动行驶的方案。此方案类似于上海的11路超级电容车示范线路，但它的快速充电站间的距离可是超级电容车方案的10倍以上，快速充电站的数量只是超级电容车方案的十分之一以下。8、社会经济效益分析1/是保障能源安全、减少大气污染和实行低碳经济的重要措施。2/电动车用户得到良好的服务，消除中途无电的后顾之忧。3/提高车辆的利用率和扩大使用区域的范围。4/增加了新的产品和新服务内容，有利于增加就业。5/对生产快速充电机的企业，毛利可达33%。6/对快速充电服务站经营者，一年内可收回机投资。9、结语1/接受快速充电技术需要观念更新和与时俱进。2/在几分钟（3-10分钟）内充入30-70%容量可行。3/快速充电有缩短充电时间、提高充电效率；延长车的行程；延长蓄电池寿命；激活、恢复老化的蓄