苑景春，陳加成，韓振，丁平，陳冬

（浙江南都電源動力股份有限公司，杭州 浙江 310000）

0 引言

電動自行車的循環(huán)使用動力來源于充電器對蓄電池電能的再充恢復(fù)，因此充電器的好壞在很大程度上決定了蓄電池的使用壽命[1]。目前，最為常見的動力電池充電器為三段式充電器，在充電初期采用恒流方式，當(dāng)電池組電壓達到設(shè)定電壓后轉(zhuǎn)為恒壓限流充電，當(dāng)充電電流降低到一定值后采用降低電壓的充電方式（即浮充電或涓流充電）。這種類充電器控制要求低，技術(shù)簡單，但是存在以下問題：① 充電時間長，充電效率低；② 充電電壓高，充電過程中電池極化較大，產(chǎn)熱大，高溫時容易出現(xiàn)“熱失控”現(xiàn)象；③ 高充電電壓導(dǎo)致電池失水嚴(yán)重[2]，影響電池循環(huán)壽命。

實現(xiàn)自行車動力鉛酸電池快速充電是未來動力電池發(fā)展方向。普通的快充技術(shù)通常是在現(xiàn)有三段式充電的基礎(chǔ)上簡單地增大第一段充電電流，縮短第三階段的涓流來實現(xiàn)電池快速充電。雖然這種快充技術(shù)縮短了充電時間，提升了充電效率，但是大電流導(dǎo)致電池極化增大，且第二階段高電壓恒壓階段時間延長，導(dǎo)致電池產(chǎn)熱量和失水量增加，會嚴(yán)重影響電池的使用壽命。

本文中，筆者提出了一種新型的多段式快速充電制度，可有效地解決電池快充導(dǎo)致的熱量增大和失水量增加的問題。

1 試驗方法

選取 3 組 12 V 20 Ah 電池（5 只串聯(lián)），分別用表 1 所示的普通三段式充電制度、普通快充式充電制度和多段式快速充電制度進行充電，得到如圖 1 所示充電曲線。充電過程中采用紅外攝像儀器（FlukeTi400+）記錄電池的表面溫度。滿充電后，靜置 1 h，以 10 A 電流放電至 42 V（單只電池1.75 V）。按上述方法進行充放電循環(huán)測試。循環(huán)結(jié)束后，對電池進行稱重，然后采用失重法計算電池失水量。

表1 充電制度參數(shù)設(shè)置

圖1 充電電壓曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 充放電性能

充放電性能是電池的關(guān)鍵性能。合適的充放比對電池的放電和充電維護很重要，圖 2 是三種充電制度充電量曲線?？梢钥闯觯合啾戎?，采用多段式充電制度充入的電量較少，充電時間適中；采用常規(guī)慢充制度充電量較高，充電時間最長；采用常規(guī)快充制度的充電量最高，充電時間較短。圖 3 是三種充電制度的放電量曲線?？梢姡捎贸Ｒ?guī)快充制度時放電量最大，用多段式快充制度時次之，而用常規(guī)慢充制度時放電量最小。三種充電制度的充放電參數(shù)和實測數(shù)據(jù)見表 2。根據(jù)充放電量計算的充放比可知，最大的是采用常規(guī)慢充制度時的充放比 1.084，其次是采用常規(guī)快充制度時的充放比 1.064，最小的是采用多段式快充制度時的充放比 1.048。一般，對于前期至中期使用的電池，合適的充放比在 1.05 以下。充放比過高表示充入的電量多，而放出的電量少。多余的電量會轉(zhuǎn)化成電池內(nèi)阻能量的消耗，造成熱量累積，失水，鉛膏脫落，板柵腐蝕等問題。因此，多段式快充制度下充放比是合適的，可保證電池在充足電的同時又不至于過早產(chǎn)生上述問題。

表2 三種充電制度實際充電情況

圖2 電池充電容量曲線

圖3 電池放電量曲線

2.2 充電過程中產(chǎn)熱效應(yīng)

快充時電流比較大，所以化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量較大。釋放的大量反應(yīng)熱來不及擴散，積聚在電池內(nèi)部。玻璃絲棉隔板是良好的隔熱材料，能夠儲存大量熱量，使電池內(nèi)部溫度迅速上升[3]。常規(guī)快充制度下，一開始用大電流充電，直到較高的恒壓階段后，電流才逐漸減小，所以在大電流充電階段所需時間較長，熱量積聚較多。為了避免這一點，根據(jù)熱量計算，多段式充電方式可以控制溫升在一定的范圍內(nèi)。根據(jù)電池組成材料的重量和熱容，算出總熱容 C。單位時間內(nèi)體系熱效應(yīng)為 Q，絕熱條件下電池溫度升高 1 K 所需時間 t =C/Q，所以溫度升高 T 可算出總時間 t總。在體系絕熱的條件下，恒流過后，進入恒壓階段，電流逐漸降低，放熱減少，但根據(jù)文獻[4]，在恒壓充電條件下，溫度每升高 10 ℃，浮充電流會加倍[5]，而且環(huán)境溫度越高對散熱越不利，所以最好控制溫度在室溫25 ℃ 基礎(chǔ)上最高增加 10 ℃，即 35 ℃ ± 1 ℃ 以內(nèi)。

第二是可逆反應(yīng)熱和歐姆電阻產(chǎn)生的焦耳熱。與焦耳熱相比，可逆反應(yīng)熱比較小，所以可不予考慮。根據(jù)公式 Q = I2Rt 可知，電流越大，熱量越多。電池的充電過程是一個電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程。輸入的電能大部分轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，使正負(fù)極充電，而另一部分直接或間接轉(zhuǎn)化為熱能，使電池溫度升高。因此，在電流一定的情況下，控制充電時間也非常關(guān)鍵。多段式充電制度在幾段恒流充電階段都進行了時間控制，避免出現(xiàn)熱量過渡累積使電池溫升過高的情況。由圖 4 和圖 5 可以看到，兩種快充制度下電池的充電發(fā)熱情況（因為常規(guī)慢充時電池溫升較小，所以不作對比）。

圖4 充電熱成像圖

圖5 電壓與電池溫升曲線

另外，根據(jù)電池的充電接受能力隨充電時間的變長而減小的關(guān)系，多段式快充第二段與第三段的恒電流繼續(xù)降低至 15 A 和 6 A，恒壓階段電流繼續(xù)下降至 1.2 A 左右，最后轉(zhuǎn)為每 10 次循環(huán)后以 0.2 A浮充 120 min。這樣既保證了電池溫升被控制在合理的范圍內(nèi)，又保證了電池的充電量不至于過多或不足。

2.3 循環(huán)性能及失水量對比

除了熱量外，蓄電池的充電還要考慮析氣和循環(huán)失水情況。蓄電池充電時大量析氣，早期失水造成電解液密度過高和電池溫度過高都會影響蓄電池的使用壽命[6]。為了研究常規(guī)快、慢充和多段式快電對鉛酸蓄電池壽命的影響，把前面 3 組電池（各5 只裝）分別按照這三種方式進行循環(huán)充放電。圖6 為三種充電方式對應(yīng)的電池循環(huán)壽命曲線。采用常規(guī)慢充和常規(guī)快充制度時，電池分別循環(huán) 321 次和 270 次就到達了標(biāo)準(zhǔn)要求的 80 % C2容量以下，而采用多段式快充制度時，電池循環(huán)達 517 次才到達終止要求。

圖6 常規(guī)慢充，常規(guī)快充和多階段快充循環(huán)壽命

通過對電池循環(huán)前后精確稱重，計算失水量，得到表 3 所示數(shù)據(jù)。采用常規(guī)慢充制度時電池平均每次失水 0.0186 g/Ah，采用常規(guī)快充制度時電池平均每次失水 0.0296 g/Ah，而采用多段式快充制度時電池平均每次失水為 0.0059 g/Ah?？梢钥闯觯捎贸Ｒ?guī)快充制度時失水較多。由于電池接受能力是與充電電流成反比關(guān)系的，根據(jù)充電接受能力與析氣的關(guān)系可知，充電接受能力減小導(dǎo)致析氣量增加。常規(guī)快充制度要求在較長時間內(nèi)維持大電流充電，使電池溫升較大，從而導(dǎo)致電池析氣嚴(yán)重，失水較多。慢充時間過長，充電量較多，也導(dǎo)致失水不少。多段式快充需要時間較短，充電時電池溫度也不高，因此失水較少。

表3 電池失水情況

隨著充電電流的增大，鉛酸蓄電池會出現(xiàn)析氣反應(yīng)。電流越大，鉛酸蓄電池的析氣反應(yīng)越嚴(yán)重。因此，必須在鉛酸蓄電池發(fā)生大量析氣反應(yīng)之前，對其進行快速充電。析出的氣體來源于副反應(yīng)電解水，由正極產(chǎn)生的氧氣（大部分氧氣會發(fā)生復(fù)合反應(yīng)）和負(fù)極產(chǎn)生的氫氣組成。雖然電解水所需要的理論最小電壓為 1.23 V，但由于過電勢的因素，實際需要的電壓是遠大于這個值的。一般來說，電壓上升到 2.4 V/單格左右以后氣體就開始大量析出。所以，為了在電池盡可能充足電之前避免發(fā)生大量析氣，控制前兩段的充電電壓均在 2.4 V 以下，即第一段充至 13.5 V/只（2.25 V/單格），第二段充至14.1 V/只（2.35 V/單格），此時已經(jīng)充進去了 80 % 以上的電量，實現(xiàn)了前述的鉛酸蓄電池發(fā)生大量析氣反應(yīng)之前，對鉛酸蓄電池進行快速充電。受到總極化（電化學(xué)極化、濃差極化和歐姆極化）的影響，同時為了保證充足電，適當(dāng)調(diào)高了第三段的充電電壓，使最高充電電壓在 14.7 V/只（2.45 V/單格）左右。不過此時的充電電流已經(jīng)很小，根據(jù)馬斯定律中充電接受能力與時間的關(guān)系，后期蓄電池充電的可接受電流下僅有微量的氣體出現(xiàn)，不會產(chǎn)生較多氣體。

電池溫升較高，電池失水較多，這些都會提前導(dǎo)致電池中電解液干涸，板柵與活性物質(zhì)結(jié)合變差等后果，從而使電池的壽命變短。因此，從以上結(jié)果分析可以看出三種充電制度對電池壽命影響的差異。

3 結(jié)論

通過三種充電制度的對比分析，可以看出多段式快充的優(yōu)勢在于：①充電快，充電效率較高，對電池的溫升影響較?。虎谖鰵饬可?，對電池的失水影響較小。因此，該充電制度能較好地適用于電動車蓄電池，尤其適用于對充電時間要求短，對壽命要求高的物流快遞、送餐等行業(yè)用電動車蓄電池。