蓄電池充電過(guò)程研究

李寶余 張江濤 陳峰

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展和科技水平的不斷提升，電動(dòng)汽車(chē)等行業(yè)在得到發(fā)展機(jī)遇的同時(shí)也面臨著綠色發(fā)展、能源節(jié)約等重要挑戰(zhàn)，與此同時(shí)，蓄電池裝置作為重要儲(chǔ)能裝備得到了社會(huì)各界人士的廣泛關(guān)注。因此，該文從學(xué)習(xí)蓄電池基本工作原理出發(fā)，在深入了解蓄電池充電過(guò)程及其模式的基礎(chǔ)上對(duì)蓄電池壽命和溫度、蓄電池容量等之間的關(guān)系進(jìn)行了一定的探討，旨在提升蓄電池充電管理水平。

關(guān)鍵詞：蓄電池；充電；過(guò)程研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著當(dāng)前社會(huì)可再生能源行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，科學(xué)高效、綠色環(huán)保的儲(chǔ)能裝置成為社會(huì)各界人士廣泛關(guān)注的重點(diǎn)對(duì)象，市場(chǎng)及消費(fèi)者也對(duì)節(jié)約資源能源、有效緩解能源危機(jī)的儲(chǔ)能技術(shù)提出了更具體、更高的要求。而就目前情況而言，蓄電池作為有效儲(chǔ)能裝置，其發(fā)展水平、潛在發(fā)展能力、使用范圍等都有著較大的優(yōu)勢(shì)。因此，進(jìn)一步研究蓄電池充電全過(guò)程的有關(guān)特性，并在此基礎(chǔ)上提升蓄電池充電管理水平和增強(qiáng)蓄電池儲(chǔ)能能力具有不可忽視的重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 蓄電池基本工作原理

眾所周知，蓄電池是常用的電能儲(chǔ)備裝置和能源變換器，它能有效利用充電、放電這一過(guò)程高效率地實(shí)現(xiàn)將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能、再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能這一過(guò)程。以鉛酸蓄電池為例，它主要由極板、隔板、電解液和電池槽等部分組成。通常情況下，該蓄電池以布滿海綿狀鉛物質(zhì)的鉛板作負(fù)極，以布滿二氧化鉛物質(zhì)的鉛板為正極，并將22%～28%濃度的稀硫酸作為電解質(zhì)。在鉛酸蓄電池的充電過(guò)程中，該蓄電池有效利用相應(yīng)化學(xué)反應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能進(jìn)行儲(chǔ)存，而在放電過(guò)程中，蓄電池又進(jìn)一步將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，為相應(yīng)設(shè)備提供能量。在該蓄電池放電時(shí)，金屬鉛作為負(fù)極發(fā)生有關(guān)氧化反應(yīng)，進(jìn)一步被氧化為硫酸鉛，而二氧化鉛作為正極發(fā)生還原反應(yīng)，進(jìn)一步還原為硫酸鉛。在該蓄電池充電時(shí)，往往采用直流電源進(jìn)行充電，在正負(fù)兩極分別生成鉛和二氧化鉛。在蓄電池電容量達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)移去充電電源后，鉛酸蓄電池就重新回復(fù)到放電前的化學(xué)電池狀態(tài)，以利于蓄電池下一次充放電的循環(huán)使用。在此過(guò)程中，鉛酸蓄電池等常用蓄電池實(shí)現(xiàn)了反復(fù)充電放電的過(guò)程，常被人們稱(chēng)為二次電池。此外，蓄電池的電壓通常為2V，而3個(gè)鉛酸蓄電池串聯(lián)使用時(shí)其電壓便為6V，有關(guān)工作人員可根據(jù)實(shí)際使用情況科學(xué)合理地選擇鉛酸蓄電池的使用數(shù)量，最大程度地減少電能的浪費(fèi)。同時(shí)，在鉛酸蓄電池使用一定時(shí)間后，有關(guān)工作人員應(yīng)補(bǔ)充適量的蒸餾水，從而保證蓄電池電解質(zhì)中稀硫酸的濃度。目前，我國(guó)主要將鉛酸蓄電池用于汽車(chē)、摩托車(chē)、拖拉機(jī)和柴油機(jī)等機(jī)械的啟動(dòng)和照明，同時(shí)也為節(jié)約電能做出了一定貢獻(xiàn)。

2 蓄電池充電模式

隨著蓄電池等新型綠色儲(chǔ)電模式的進(jìn)一步發(fā)展和廣泛應(yīng)用，有關(guān)管理部門(mén)根據(jù)國(guó)際公認(rèn)經(jīng)驗(yàn)法設(shè)立了一系列充電方法制度，旨在進(jìn)一步規(guī)范蓄電池充電模式。其中，最著名的即為安培小時(shí)規(guī)則，也就是說(shuō)，蓄電池在儲(chǔ)存電能的過(guò)程中，其充電所用的電流安培數(shù)應(yīng)小于等于有關(guān)蓄電池裝置待充電的安培數(shù)，最大程度上減少蓄電池充電過(guò)程中溫度改變和氣體變化的影響，盡可能地保證蓄電池充電過(guò)程的安全性和可靠性。目前，常用的蓄電池充電方式主要有以下4種。

2.1 恒流充電法

該方法是利用有關(guān)設(shè)備調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池電阻串聯(lián)方式來(lái)保證蓄電池充電電流強(qiáng)度為某一固定值的充電方式。在此充電過(guò)程中，蓄電池可接受電流的能力隨著充電時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低，在其充電后期，甚至?xí)霈F(xiàn)充電電流大部分用于電解水，使得充電出氣量進(jìn)一步增加的情況。

2.2 恒壓充電法

在該模式下充電的蓄電池有關(guān)裝置，在整個(gè)充電過(guò)程中電壓保持某一固定值不變，而充電電流隨著蓄電池兩端電壓的逐漸升高而減少。總的來(lái)說(shuō)，由于蓄電池充電初期其電動(dòng)勢(shì)較低，電流較大，而隨著充電時(shí)間的延長(zhǎng)，充電電流逐漸減小。因此，往往只需要控制較為簡(jiǎn)易的系統(tǒng)便能有效完成蓄電池充電過(guò)程，但由于其充電初期電流較大，往往會(huì)在一定程度上影響蓄電池的使用壽命。

2.3 階段充電法

階段充電法主要分為二階段充電法和三階段充電法2種。二階段充電法是采用恒電流法和恒電壓法相結(jié)合的快速充電模式，此方法先采用恒電流充電到某一固定電壓值，然后再采用恒電壓法完成剩余蓄電池電能的儲(chǔ)存。在此過(guò)程中，兩階段之間轉(zhuǎn)換的電壓值往往即為第二階段恒電壓值。三階段充電法是在充電開(kāi)始和充電結(jié)束兩階段采用恒電流充電方式，充電中期采取恒電壓充電方式的電能儲(chǔ)存模式。在此過(guò)程中，當(dāng)充電電流減弱到某一固定值時(shí)，蓄電池充電過(guò)程由中期轉(zhuǎn)化為末期，最大程度上減少電解水產(chǎn)生的氣體總量。

2.4 脈沖式快速充電法

該方法首先利用有關(guān)裝置的脈沖電流對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，然后暫停一定時(shí)間的充電再繼續(xù)利用脈沖裝置充電，反復(fù)循環(huán)，直至蓄電池電容量補(bǔ)足。在此充電過(guò)程中，脈沖裝置補(bǔ)充蓄電池電容量，而間歇期則給予了蓄電池化學(xué)反應(yīng)后氫氣和氧氣充分結(jié)合的時(shí)間，消除了濃差極化和歐姆極化效應(yīng)，最大程度地減輕了蓄電池的內(nèi)壓，為蓄電池下一充電周期吸收更多電能奠定了基礎(chǔ)。總之，脈沖式快速充電法在滿足蓄電池固有充電接受率的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大了蓄電池充電的接受率，破除了蓄電池指數(shù)充電接受曲線的限制，為蓄電池充電模式的進(jìn)一步創(chuàng)新帶來(lái)了更多的思考。

3 蓄電池的壽命和容量與溫度的關(guān)系

通常情況下，蓄電池會(huì)在各種各樣的環(huán)境溫度下進(jìn)行使用，因此，進(jìn)一步分析和研究蓄電池使用壽命、電容量等和環(huán)境溫度的關(guān)系具有重要的指導(dǎo)意義。就蓄電池使用壽命和環(huán)境溫度的關(guān)系而言，不管怎樣的機(jī)械設(shè)備，其額定參數(shù)等對(duì)其有著重要的影響，蓄電池裝置同樣如此。當(dāng)蓄電池容量、有關(guān)額定參數(shù)環(huán)境等確定后，蓄電池放電容量和溫度的關(guān)系大致為正比例關(guān)系。當(dāng)環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)，蓄電池容量往往為100 %，而當(dāng)環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)，蓄電池容量?jī)H有80 %。同樣地，當(dāng)溫度升高時(shí)，蓄電池容量會(huì)相應(yīng)增大，但過(guò)高的溫度往往會(huì)加速電解液的蒸發(fā)和極板的腐蝕，給蓄電池帶來(lái)更大的傷害。而就蓄電池壽命和環(huán)境溫度的關(guān)系而言，不少試驗(yàn)數(shù)據(jù)都表明，蓄電池使用壽命和環(huán)境溫度成反比例關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，25℃左右即為蓄電池使用壽命較長(zhǎng)的最佳溫度，而在60℃的環(huán)境溫度下，蓄電池往往僅能正常工作1～2年。同時(shí)，如果蓄電池長(zhǎng)期處于高溫工作環(huán)境下，蓄電池的使用壽命將會(huì)大幅度減少，且其出現(xiàn)安全事故的概率進(jìn)一步增大。總之，溫度對(duì)蓄電池使用壽命的長(zhǎng)短、電容量的大小等都有著較大的影響，工作人員在使用蓄電池時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制其環(huán)境溫度。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代社會(huì)科技水平的進(jìn)一步提升和各國(guó)對(duì)可再生能源、可持續(xù)性經(jīng)濟(jì)發(fā)展等重視程度的不斷加大，世界各國(guó)都在進(jìn)一步擴(kuò)大蓄電池在各行各業(yè)中的使用范圍。同時(shí)，有關(guān)科研工作者也在進(jìn)一步利用仿真模擬、數(shù)學(xué)模型等基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析蓄電池容量、溫度影響等有關(guān)性質(zhì)，旨在找出相應(yīng)有效辦法進(jìn)一步提升蓄電池的電容量和使用壽命等。部分學(xué)者提出利用帶有溫度補(bǔ)償回路的充電器和利用有關(guān)隔熱材料等進(jìn)一步降低溫度對(duì)蓄電池影響的方法。總之，隨著可再生能源利用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大和能源危機(jī)的不斷逼近，行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展和壯大對(duì)蓄電池等科學(xué)儲(chǔ)能裝置提出了更高的要求。在此過(guò)程中，蓄電池有關(guān)研究人員必須進(jìn)一步深入了解蓄電池充放電實(shí)際過(guò)程中的各種特性，在順應(yīng)蓄電池發(fā)展趨勢(shì)的前提下，在保證蓄電池使用安全的基礎(chǔ)上，盡可能地延長(zhǎng)其使用時(shí)間，進(jìn)一步擴(kuò)大蓄電池容量，為蓄電池的進(jìn)一步發(fā)展做出更多的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]賀堅(jiān).鉛酸蓄電池的工作原理與維護(hù)方法[J].通訊世界，2016，（12）：178-179.

[2]包壽紅.新能源汽車(chē)鉛酸蓄電池充電方法[J].汽車(chē)電器，2016（6）：13-17.