VRLA電池快速充電技術(shù)研究.doc

VRLA電池快速充電技術(shù)研究交流與探討VRLA電池快速充電技術(shù)研究VRLA電池快速充電技術(shù)研究張磊,魏曉斌,張光,謝楠(徐州空軍學(xué)院四站系,江蘇徐州221006)摘要:快速充電方法的研究可以縮短蓄電池電池補(bǔ)充充電的時(shí)間,在分析極化產(chǎn)生的基礎(chǔ)上,介紹了脈沖快速充電方法,列出了充電實(shí)例.關(guān)鍵詞:閥控式鉛酸蓄電池;脈沖充電;循環(huán)壽命中圖分類號(hào):TM910.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10060847(2007)04017004Studyonthefast-chargingtechnologyforVRLAbatteriesZHANGLei,WEIXiao-bin,ZHANGGuang,XIENan(DepartmentofAirFourStations,XuzhouAirForceCollege,XuzhouJiangshu22woChina)Abstract:Theresearchforfast-chargingmethodcanshortentheboostchargetimeofthebauery.Basedontheanalysisforpolarizingformation,thisarticleintroducesthepulsefastchargingmethod,andshowsthechargingexamplesusingthismethod.Keywords:valve-regulatedlead-acidbattery;pulsecharging;cyclelife1引言目前,常規(guī)充電方式分為定流充電法,定壓充電法和浮充充電法,通常蓄電池完成一次初充電需要60h左右的時(shí)間,就是補(bǔ)充充電也需要將近20h.由于充電的時(shí)間太長(zhǎng),給使用帶來(lái)不便,成為制約電動(dòng)車和其它用電設(shè)備發(fā)展的瓶頸1.實(shí)踐證明,單純加大充電電流來(lái)縮短充電時(shí)間是不可行的,因?yàn)檫@樣充電,不僅蓄電池達(dá)不到額定容量,反而會(huì)使蓄電池溫升加快,產(chǎn)生大量氣泡,造成活性物質(zhì)脫落而影響其循環(huán)壽命.本文著重介紹了高效去極化脈沖快速充電法,并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)脈沖充電進(jìn)行了驗(yàn)證.2快速充電的理論依據(jù)鉛酸蓄電池的充,放電是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,其復(fù)雜性表現(xiàn)在三個(gè)方面2.1)多變量.影響的因素多,諸如電解液的濃度,極板活性物質(zhì)的活度,環(huán)境溫度等.2)非線性.一般說(shuō),可接受充電電流在充電過(guò)收稿日期:20070701程中隨時(shí)問(wèn)成指數(shù)規(guī)律下降,不可能用恒流或恒壓獲得.3)離散性.即使是同一類型,相同容量的電池,隨著各自使用時(shí)放電的歷史狀態(tài)不同,可接受充電電流也有很大的不同.1967年美國(guó)人J.A.MAS(馬斯)以最低析氣率為前提,提出了蓄電池能夠接受的最大充電電流和可以接受的充電電流曲線圄.如圖1所示,其方程為:i=,0e式中H壬意時(shí)刻t時(shí)蓄電池可接受的充電電流;最大初始,可接受充電電流;一電池充電電流的接受比.電流圖1蓄電池充電接受特性曲線時(shí)間170ChineseLABATManNo.4,2007VRLA電池快速充電技術(shù)研究交流與探討從圖1可以看出:蓄電池可接受的初始充電電流很大,但是衰減很快,主要原因是充電過(guò)程中極板產(chǎn)生了極化現(xiàn)象.在蓄電池充電過(guò)程中,內(nèi)部產(chǎn)生氧氣和氫氣,當(dāng)氧氣不能被及時(shí)吸收時(shí),便堆積在正格板處(正極板產(chǎn)生氧氣),使電池內(nèi)部壓力加大,電池溫度上升,同時(shí)縮小了正極板的面積,表現(xiàn)為內(nèi)阻上升,出現(xiàn)所謂的極化現(xiàn)象.J.A.MS指出,在充電過(guò)程中,超過(guò)這一充電接受曲線的任何充電電流,不僅不能提高充電速率,而且會(huì)增加析氣量,小于此接受曲線的充電電流,便是蓄電池的存儲(chǔ)充電電流,此時(shí)只產(chǎn)生微量析氣,而不會(huì)對(duì)電池造成傷害.J.A.MAS同時(shí)指出,通過(guò)瞬時(shí)大電流放電,可以使蓄電池的可接受電流曲線不斷右移,從而大大提高充電速度和效率,縮短充電時(shí)間,這就是快速充電的基本理論依據(jù).快速充電方法的充電電流如圖2所示,其中曲線0為蓄電池在深放電時(shí)的充電電流可接受曲線,也稱為蓄電池的固有接受充電電流曲線;曲線1,2,3,4均為充電一段時(shí)間后,適時(shí)負(fù)脈沖放電后蓄電池所能接受的充電電流曲線.顯然這些曲線較曲線0有所右移,表明其充電接受能力增強(qiáng).由多邊形OABCDEFGHUK所圍的面積(圖2中陰影部分)再電s;IL(A)減去負(fù)脈沖放電時(shí)放出的電量(由于放電時(shí)間非常短,可忽略不計(jì)),所得就是蓄電池的充電量41.A?:BG曲線2曲線曲線34,/fI如f3t4,晶線0曲線1圖2適時(shí)負(fù)脈沖去極化的可接受充電電流曲線3脈沖去極化快速充電法的控制策略及實(shí)現(xiàn)脈沖去極化快速充電法將充電電流分成3個(gè)等級(jí),開(kāi)始充電電流值較大(約1C),隨著蓄電池容量的增加,端電壓升高,當(dāng)蓄電池中單格電壓達(dá)到2.35V即停止第一級(jí)充電.進(jìn)人二,三級(jí)別的充電過(guò)程中,在保持充電電流脈沖周期不變的前提下,使充電電流的脈沖幅度隨蓄電池端電壓的升高而分級(jí)減小,采用這種方法可以有效地消除充電后期造成的振蕩現(xiàn)象及過(guò)充問(wèn)題51.圖3脈沖快速充電法電流波形圖脈沖充電電流的波形中圖3所示.當(dāng)?shù)谝粋€(gè)正脈沖結(jié)束后,首先停止充電B(25ms一40ms),稱為前停歇,此階段可以去除全部歐姆極化和部分濃差極化;接著再放電或反充電,使蓄電池反向通過(guò)一個(gè)較大的脈沖電流,脈沖寬度為c(25200ms),脈沖幅值為25倍的充電電流,可以進(jìn)一步消除濃差極化;然后再停止放電D(25ms),稱后停歇.以后的過(guò)程為:正脈沖充電_前停歇_負(fù)脈沖瞬間放蓄電池2007年第4期171交流與探討VRLA電池快速充電技術(shù)研究電一后停歇一再正脈沖充電,如此循環(huán),直至蓄電池充滿為止.如前所述,新型充電方法不采用階段恒流充電,而是采用脈沖去極化快速充電.充電過(guò)程中隨著電解液濃度的升高,端電壓也不斷升高且極化分布情況也隨之變化,極化中的歐姆壓降與充電電流之間滿足歐姆定律,而濃差極化在接近析氣時(shí)明顯增大,必須予以及時(shí)消除才可繼續(xù)快速充電.因此,在充電過(guò)程中獲取蓄電池的極化電壓大小,由其決定去極化脈沖寬度和下一階段充電電流的給定值大小,則將能真正實(shí)現(xiàn)無(wú)傷害的高效,快速充電.4鉛酸蓄電池的充電實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了找出快速高效的充電方法,驗(yàn)證不同充電方式的充電時(shí)問(wèn)和效率,利用上述實(shí)驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)室分兩個(gè)起動(dòng)用HDK一182型鉛酸蓄電池組(深循環(huán)十次以上)進(jìn)行了充,放電實(shí)驗(yàn).所采用的實(shí)驗(yàn)方案是:先用普通充電方法對(duì)蓄電池進(jìn)行充電;靜止0.5h后,確保電解液溫度降至室溫20,由KF一15型放電器對(duì)蓄電池進(jìn)行恒流放電(26A),當(dāng)蓄電池單格電壓為1.7V時(shí)放電終止,根據(jù)放電時(shí)間計(jì)算出蓄電池的放電量.4.1兩階段恒流充電實(shí)驗(yàn)為了詳細(xì)記錄出各個(gè)階段蓄電池充人的電量,試驗(yàn)中采取了如下方法:首先給蓄電池充電1h,靜止0.5h以上,然后放電至終止電壓(單格電壓為1.7V);靜止0.5h以上,再充2h,靜止0.5h以上,放電至終止電壓;靜止0.5h小時(shí),再充3h,靜止0.5h以上,放電至終止電壓;靜止0.5h以上,再充電4h,放電至終止電壓;以此類推,直至蓄電池充滿為止.按照傳統(tǒng)的兩階段恒流充電,第一階段充電電流為26A,第二階段的充電電流為13A,所測(cè)端電壓為充電時(shí)的電池組的端電壓.實(shí)驗(yàn)的目的是對(duì)現(xiàn)行的兩階段恒流充電進(jìn)行驗(yàn)證,以便與后面所提出的快速高效充電方法進(jìn)行比較,兩階段恒流充電試驗(yàn)結(jié)果如表1所示.表1兩階段恒流充電試驗(yàn)結(jié)果南表1可見(jiàn),在兩階段恒流充電中,消耗電量Q一=26X8+13X6=286Ah,實(shí)際放電量為Q一一=174Ah,放充比為60.84%,溫升21.6oC.4.2高效去極化脈沖充電實(shí)驗(yàn)高效去極化脈沖充電方案:初始充電時(shí),用170A電流充電2min之后,前停歇25ms,接著用300A電流負(fù)脈沖放電50ms,后停歇25Ills,如此循環(huán)充電直至充到單格電壓達(dá)到2.35V時(shí)轉(zhuǎn)入第二級(jí)充電;第二級(jí)充電時(shí),用60A電流充電2min之后,前停歇25Ills,接著用100A電流負(fù)脈沖放電50ms,后停歇25Ills,如此循環(huán)充電直至單格電壓達(dá)到2.49V時(shí)轉(zhuǎn)入第三級(jí)充電;第三級(jí)充電時(shí),用10A電流充電lrain后,前停歇50Ills,接著用20A電流負(fù)脈沖放電100ms,后停歇50ms,如此循環(huán)充電直至充滿.其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2表示.172ChineseLABATManNo.4.2007VRLA電池快速充電技術(shù)研究交流與探討由表2可見(jiàn),去極化充電法消耗電量Q=170x1.2+60x0.6+10x1=250Ah,實(shí)際放電量為Q一=172Ah,放充電比為68.8%,溫升20.7.瞬間放電時(shí)損失的能量較小,可以忽略不計(jì).5結(jié)語(yǔ)快速充電方法建立在蓄電池充電接受特性曲線和馬斯三定律基礎(chǔ)上,利用高效脈沖去極化充電法充電.新的快速充電法可減少蓄電池充電過(guò)程中的溫升,有效避免了蓄電池的壓力效應(yīng),極大地縮短充電時(shí)問(wèn).最后對(duì)兩種充電法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比,進(jìn)一步驗(yàn)證了快速脈沖充電方法優(yōu)勢(shì).參考文獻(xiàn):1EDWARDSDB,DAYTONTc.Improvingtheperfomanceofahighpowerleal-acidbatterywithpasteadditivesA.InternationalConferenceonLead-acidBulgatesBulgaria.Sofia1999:208-226.E.D.Sexton.R.F.Nelson.Lifeprdeictinforvalveregularedlead-acidbatteriesfromearlyeurrent-voltagedatalC.ProceedingsoftheAnnualBatteryConferenceonApplicationsandAdvances2001:166199.張維戈,姜久春等.功力蓄電池微機(jī)控制充放電裝置的研制J.北方交通大學(xué),1998(6):101104.劉玉杰,姜印平等.關(guān)于快速脈沖充電技術(shù)的研究J.蓄電池,2004(2):7174.王源.電動(dòng)汽車用動(dòng)力鉛酸電池快速充電技術(shù)研究D哈爾濱工業(yè)大學(xué),20063341.(上接第149頁(yè))2.4.3自放電因素,夏季電動(dòng)自行車用VRLA電池使用的環(huán)境溫度較高,自放電加速,失水量加大,成為電池?zé)崾Э氐母甙l(fā)時(shí)段.3結(jié)論3.1長(zhǎng)期85%DoD循環(huán),蓄電池容量會(huì)因極板鈍化問(wèn)題而衰減.3.2經(jīng)過(guò)多次全放電循環(huán),極板鈍化可消除,蓄電池組的容量基本恢復(fù).3-3添加劑M可提高充電接受能力,提高容量,降低不均衡率,減緩容量衰減.3.4蓄電池失水的問(wèn)題普遍存在,是長(zhǎng)壽命電池失效的主要原因.3.5采用合適的循環(huán)模式,可以減少失水,相對(duì)延長(zhǎng)使用壽命.參考文獻(xiàn):1吳壽松.論電動(dòng)自行車用蓄電池的改進(jìn)J.蓄電池,2003(2):6062.2胡鵬飛等.電動(dòng)自行車用鉛布鉛酸蓄電池的研究J.電池,