关于快速充电技术的探讨

　　随着各种蓄电池的广泛使用，快速充电技术已经引起人们的广泛重视。传统的充电方法充电时间过长，且由于充电过程过于简单而会使蓄电池寿命缩短，因此已经面临淘汰。相应的，一些新的快速充电方法开始涌现，并已应用于生产实践中。同时，充电电源的发展也非常迅速，在大功率充电领域，开关电源发展迅速，已经开始逐步替代传统的相控电源。本文中从快速充电原理、充电方法、充电电源以及充电控制的实现等角度，对快速充电技术进行了探讨。

　　1 快速充电原理

　　蓄电池的种类很多，目前应用最广的主要是密封铅酸蓄电池和镍镉电池。这2种蓄电池的充放电原理都是一样的，即都是通过化学反应产生正负离子形成电流。

　　电池在充放电的过程中会产生氧气，在密封式蓄电池中，这些正极产生的氧气可以通过隔膜和气室被负极吸收，整个化学反应形成一个循环的反应形式。就密封式电池而言，它的内压有限，因此负极的吸收速度也是有限的。如果充电电压过高，正极产生氧气的速度过快，负极的吸收速度跟不上氧气的产生速度，长时间之后必然造成电池失水，从而诱发电池的微短路硫酸化等失效现象，损害电池的质量，缩短其使用寿命。同时高速率充电时电池的极化会造成电池内部压力上升，电池温度上升，电池内阻升高，这不仅会缩短电池寿命，而且有可能对电池造成永久性伤害。蓄电池的这一化学反应原理是研究制定快速充电方法的根本。一方面，快速充电要尽量加快电池的化学反应，使充电速度得到最大的提高;另一方面，又要保证负极的吸收能力，使其能够跟得上正极氧气产生的速度，同时要尽可能消除电池的极化现象。

　　提高蓄电池的化学反应速度有2种方式，一是改进蓄电池的结构以降低其内阻和提高反应离子的扩散速度，二是改进蓄电池的充电方法。本文中对充电方法作了重点论述。

　　2 充电方法

　　不同种类的蓄电池，具有不同的充放电曲线，其相应的充电方法也有很大的不同。在研究具体的充电方法时，要考虑到这一点以选择合适的方法。 以铅酸蓄电池为例，传统的充电方法（恒流充电或恒压充电）由于本身的弊端，已基本被淘汰。现行的充电方法大都是使其充电曲线尽可能地模拟蓄电池的最佳充电曲线。 60年代中期，美国科学家马斯（J.A.MAS）提出了以最低出气率为前提的蓄电池可接受的充电电流曲线，即任一时刻蓄电池能接受的充电电流为 I=I0expAt 式中：I0为初始充电电流;A为充电接受比;t为充电时间。

　　图1示出蓄电池的最佳充电曲线。可以看出，充电电流随时间按指数规率下降。

　　图1 蓄电池的最佳充电曲线

　　1）如果充电电流工作在N区，则电流过大，会导至温升，在充电电压过高时会有大量气体析出，会对电池造成损坏。

　　2）如果充电电流工作在M区，是可接受的，但充电时间不能达到最短。

　　3）如果充电电流沿着曲线轨道变化，是理想的充电状态。实验证明，如果充电电流按这条曲线变化，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。这条充电曲线即为最佳充电曲线。

　　分级定流充电法和脉动式充电法的基本思想就是使其充电曲线尽可能地模拟最佳充电曲线。图2是分级定流充电法中三级充电法的充电曲线图，图3是脉动式充电曲线图。在目前蓄电池充电机的市场中，分级定流充电法得到了广泛地应用。脉动式充电法大多数是采用脉冲充电法和分级定流充电法相结合的方法，将充电过程曲线分为几段，每段分别采取恒流脉冲充电或恒压脉冲充电。

　　图2 蓄电池的三级充电法

　　图3 蓄电池的脉冲充电法

　　厦门大学的陈体衔教授近2年提出间歇充电法，其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的恒电流充电段采用最佳充电电流，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，将电池恢复至完全放电态。图4是采用变电流间歇充电法的电压为6V、容量为4Ah的完全放电态电池（荷电态为0）的充电曲线。这一曲线形象地表明了变电流间歇充电的过程。

　　图4 变电流间歇充电曲线

　　笔者以变流间歇充电为基础，提出了变压间歇充电法。这种充电方法是把变流间歇充电中的变流改为变压，通过间歇停充，使蓄电池化学反应产生的氧气有时间被重新化合吸收掉，从而减轻了蓄电池的内压，使蓄电池可以吸收更多的电量。变压充电更符合蓄电池的最佳充电曲线。这是因为：

1）蓄电池的容量在使用大电压恒充后已经得到很大的补充，再次充电时使用同样的电压恒充，电池本身的接受能力已有了一定的限制，充电效率会下降。采用降低一级的电压进行恒充，就等于是在电池已经降低接受