蓄电池全新的充电模式

摘要：从阀控蓄电池内部氧循环的设计理念出发，分析了现有各种充电方法存在的问题，提出了蓄电池全新的充电模式——自然平衡充电法，并对此方法的原理进行了浅述，使用根据这一原理设计的充电装置，才会使蓄电池的循环使用寿命有真正意义上的保障和提高。

　
0 引言
发展中的民用电动交通产品，是未来蓄电池的市场。该市场能否获得快速平稳的发展，关键取决于电动交通产品的运行成本。其中围绕着蓄电池的几项技术指标，如蓄电池的单位储能指标，循环使用寿命，放电后的充电是否安全、方便，环境温度变化的适应能力等，又是影响运行成本的。以上任一个技术指标的突破，都将会使蓄电池在电动交通产品上的应用，向前迈出坚实的一步。
1 蓄电池与充电技术
对于铅酸、镉镍、镍氢3类以水为溶剂的电解液蓄电池，为了使用上的安全、方便、长寿命和免维护，在全世界化学电源工作者数代人不懈的努力下，终于从大量的实验中发现了“内部氧循环”的理论机制，使得该3类蓄电池所有的充放电反应，能在一个设计完好的带阀控的密封容器中反复安全进行。即蓄电池在充电和过充电期间，正电极析出的氧到达负电极后，能全部被负电极吸收还原，关系为i（O2析出）=i（O2还原），因而，蓄电池在长期的充放电过程中，不会造成电解液中水的损耗，以此来保证蓄电池的循环使用寿命与充电的安全。这一理论，在能够控制充电电流和其他充电副反应，同时使环境因素影响较小的情况下，显然是正确的。遗憾的是，这个正确的理论，只是来自化学电源的研究者，长期以来未被电路工作者真正理解和重视。由此造成蓄电池技术的发展于充电技术的发展，从而导致了今天我们在实际使用蓄电池时，经常出现电池未达到设计的使用寿命，就出现了性能下降甚至报废的现象，针对蓄电池使用中存在的问题，我们用了8年的时间，对传统的蓄电池恒流、恒压充电技术，以及由该技术发展延伸出来的分段恒流、限流恒压等充电技术，进行了深入的分析与实验，下面是我们对传统充电技术的认识。
恒流充电方式，顾名思义是指蓄电池放完电后，在充电恢复容量过程中，要求充电器根据电池的不同A·h数，以某一确定的输出电流对蓄电池进行充电，该电流从蓄电池的充电开始到充电结束，始终是恒定不变的。
恒压充电方式，顾名思义是指蓄电池放完电后，在充电恢复容量的过程中，要求充电器按不同种类的蓄电池，以某一确定的输出电压对蓄电池进行的充电，该电压从蓄电池的充电开始到充电结束，始终是恒定不变的。
以国内外使用多也为普遍，研究分析也为深刻的铅酸蓄电池为例。请观察一幅在研究阀控式铅酸蓄电池技术方面，经常看到和用到。这里我们要说明的是，这幅图是们抛开日常环境温度变化对蓄电池充电过程的影响，用经过改进的恒压限流方法对蓄电池充电所获得的。因是恒压限流充电方式，所以代表电流变化的I线，起始段有一小段是限流值。代表电压的V线起始段是一段很陡的上升线，更确切地讲由于充电器的限流作用应是电压的下跌线。

左边的纵轴线为蓄电池充电电压，横轴线为时间，I线代表蓄电池在充电过程中不同时刻受电能力的电流变化曲线，V线代表蓄电池充电过程中各时刻能接受的安全电压，也是设计充电器的恒压输出线，C线代表蓄电池充电过程中容量随时间的增加表现的恢复曲线。
从I曲线上可清楚看到，充电过程中蓄电池在不同时刻的电流接受能力。显然，在时间轴上，蓄电池电流接受曲线I是一条变化很大的非线性曲线，各个时刻蓄电池的电流接受能力是完全不同的，那么该曲线上哪一时刻的电流用作蓄电池恒流充电，能使蓄电池既安全，又能在人们可接受的有间上将蓄电池充满，包括恒流充电法改进后的有限次数的分段恒流法在内，无论怎么看，我们都觉得是难以实现的，更加困难的是，电池每次使用的放电深度是不一样的，环境温度都不一样，新旧程度也不一样，如果每次充电都用同样的电流和时间去充，造成的电池损害是不可逆转的。
再看恒压充电法，从V线上我们看到充电器的输出电压，始终是在充电器设计者认为蓄电池安全受电的允许电压上，低于这个电压，将无法使蓄电池充满，这个电压是否真的安全？有关资料明确告诉我们，充电过程中，单体蓄电池的充电电压比电池自身实时的电压高出100mV，通过蓄电池的充电电流比蓄电池的安全受电电流要增大10倍以上。而充电前蓄电池一般都是在放完电后，这时的蓄电池肯定是处在的电压上。如单体铅酸蓄电池，放电后一般为1.8～2.0V，而此时的充电电压如果是恒定在2.25～2.4V，可见充电器输出的电压和蓄电池电压的差已远远大于100mV。
这样的恒压充电，通过蓄电池的充电电流将是蓄电池安全电流的几十倍，如果充电器的输出功率与容量足够大的话，必定会造成蓄电池的损坏，如果充电器的容量不够，那就必定会造成充电器的过载烧毁。经过改进后的恒压限流充电方式，为了能保障蓄电池和充电器不致遭到损坏的厄运，却降低了充电效率，增加了损耗，延长了充电时间，这是恒压充电V线的起始时间段；到V线的阶段，由于绝大多数的充电器没有环境温度变化的跟踪补偿能力，充电器此时还保存着的电流输出能力。如不及时关断充电电源，极易在环境温度变化中造成蓄电池的损坏。至此，我们可以看出，造成阀控式蓄电池使用中出现早期性能下降和损失容量的重要原因，大多是传统蓄电池充电技术落后与过程控制不力所致。
2 全新的充电模式
分析了传统蓄电池充电技术存在的问题，经过长时间的思考与实验，我们提出了“蓄电池自然平衡充电法”的新模式，该充电法的充电过程如下。
有A、B二个电源EA及EB，当电源EA与电源EB处在同一环境温度下，正极和正极相连，负极和负极相连，它们所形成的闭合回路中，存在如下的关系，EA电源如果高出电源EB，A电源将向B电源提供EA－EB=ΔE的电压，将按ΔE的大小，提供一Δi电流，使电源EB上升到完全等于电源EA的电压时，（在蓄电池中表现为，蓄电池端电压的上升和电荷存储量的增加）。电源EA将停止向电源EB提供电流，也就是EA=EB，ΔE=0，Δi=0。

在上面描述中，我们把电源EB换成被充电的蓄电池，寻找出在不同放电深度与环境温度下，蓄电池对应的电压。将A电源电压EA，精心设计成在不同环境温度下，能按蓄电池充电平衡需要，自动调节输出电压和电流的电源，与之对应连接，完全理想化的情况下，电源EA能根据蓄电池在任一环境温度下，能够接受的安全电流，对电池进行充电，电池充足电后，ΔE=0、Δi=0，A电源将不消耗功率，此后，A电源EA，只随环境温度的变化，对被充蓄电池提供跟踪平衡补偿，蓄电池充电的整个过程，完全是自动完成的，所以，我们称之为自然平衡法。
此方法完全理想化的情况是，蓄电池充足电后，A电源EA无功率供给蓄电池EB。实际的情况经实验证实，与上面提出的理想情况稍有差别，即A电源在蓄电池充满后，由于蓄电池存在着漏电，和内部氧循环的需要，还维持着很小的但对蓄电池组的均衡很有用的电流，由于这一特性的存在，几乎使这一充电技术更加接近完美。
为进一步说明，特提供一组用我们设计的充电器，对市场上某品牌镍氢电池（Ni—HM）5号1300mA·h，8只串联充放电结果的打印曲线（环境温度为25℃）。从这一组电池的充电电流接受曲线、充电电压上升曲线、电池温度变化曲线、0.5C恒流放电曲线可以看到，整个充电过程，电池温升很小，不超过3～4℃，充满电的时间，从标准的14～15h，缩短为3～4.5h。由于整个充电过程电池温升很小，所以，不需要进行任何的人为干预。

另外，在延长蓄电池使用寿命方面，有一用了近20年的国产2号圆柱型1800mA·h镉镍电池（该电池是某厂为电视场强仪配套用的，场强仪早已报废），用我们的充电器充满后，电池至今还能以0.5C的恒流放出额定容量。
3 结语
上例充电器，在数码相机、手持电脑、无线对讲机、移动仪器、闭路监控、矿山矿工井下照明、电动玩具等许多领域的配套上，有着广阔的市场。