储蓄电池充放电机理研究

储蓄电池充放电机理研究

吴树钊1刘振杰2陈子弘3

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摘要：由于储蓄电池诸多突出的优点，在各个领域得到了广泛的应用。铅酸蓄电池在使用过程中，影响电池的充放电效率因素有很多，这都会直接影响到电池的使用效率及寿命。本文结合笔者多年的工作经验，将就铅蓄电池充放电机理这一课题进行详细阐述。

关键词：蓄电池；充放电；电气设备；机理研究

近年来，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。目前铅酸蓄电池的充放电过程得到了很大的发展，但在使用过程中也存在着很多的缺点，本文对储蓄电池电充电原理和极化原因进行分析，以及多种充电方法进行深入研究。

1.储蓄电池充电原理与极化

在过去的几十年，国内外相关技术人员对蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，最佳充电曲线这一概念开始出现，就是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，从而奠定了快速充电方法的研究方向。

图1最佳充电曲线

可见初始充电电流很大，但是衰减很快，主要原因是充电过程中产生了极化现象。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。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。

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Me－e→Me＋，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Me－e→Me＋反应进行。电化学极化电压变高，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。

二、储蓄电池充电方法分析

2.1常规充电法

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。

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。

图2恒流充电曲线

2）阶段充电法。此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，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。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。

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。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。

论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。

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3所示：

图3脉冲式充电曲线

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。如图4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。

图4REFLEXTM快速充电法

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。其特点是将恒流充电段改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。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）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。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。

结语

储蓄电池的充放电是一个复杂的电化学过程，而且充电过程中影响充电的因素很多，电解液浓度、极板活性物的浓度和环境温度等的不同都会使充电产生很大的差异。目前的蓄电池制造工艺，主要是针对常规的小电流充电方法设计和制造，其最大充电电流受到一定的限制，要得到更加高效的充电方法，还需要进行大量的试验和理论研究来获得更加合适的充电参数。

参考文献：

[1].肖相如.储蓄电池脉冲快速充电方法的研究与应用电力设备.2015（08）

[2].刘志刚.储蓄电池的使用及注意事项[J].船海工程.2016（06）

[3]郭自强.储蓄电池的应用及其可持续发展[J].中国自行车.2014（08）

[4]周佳娜.储蓄电池充放电原理及其现场应用[J].电力建设.2013（04）