電池全新的充電模式--自然平衡充電法介紹
??? 引言
發(fā)展中的民用電動交通產(chǎn)品，是未來蓄電池的最大市場。該市場能否獲得快速平穩(wěn)的發(fā)展，關鍵取決于電動交通產(chǎn)品的運行成本。其中圍繞著蓄電池的幾項技術指標，如蓄電池的單位儲能指標，循環(huán)使用壽命，放電后的充電是否安全、方便，環(huán)境溫度變化的適應能力等，又是影響運行成本的核心。以上任一個技術指標的突破，都將會使蓄電池在電動交通產(chǎn)品上的應用，向前邁出堅實的一步。
1 蓄電池與充電技術
對于鉛酸、鎘鎳、鎳氫3類以水為溶劑的電解液蓄電池，為了使用上的安全、方便、長壽命和免維護，在全世界化學電源工作者數(shù)代人不懈的努力下，終于從大量的實驗中發(fā)現(xiàn)了"內(nèi)部氧循環(huán)"的理論機制，使得該3類蓄電池所有的充放電反應，能在一個設計完好的帶閥控的密封容器中反復安全進行。即蓄電池在充電和過充電期間，正電極析出的氧到達負電極后，能全部被負電極吸收還原，關系為i（O2析出）=i（O2還原），因而，蓄電池在長期的充放電過程中，不會造成電解液中水的損耗，以此來保證蓄電池的循環(huán)使用壽命與充電的安全。這一理論，在能夠精確控制充電電流和其他充電副反應，同時使環(huán)境因素影響較小的情況下，顯然是正確的。遺憾的是，這個正確的理論，只是來自化學電源的研究者，長期以來未被電路工作者真正理解和重視。由此造成蓄電池技術的發(fā)展領先于充電技術的發(fā)展，從而導致了今天我們在實際使用蓄電池時，經(jīng)常出現(xiàn)電池未達到設計的使用壽命，就出現(xiàn)了性能下降甚至報廢的現(xiàn)象，針對蓄電池使用中存在的問題，我們用了8年的時間，對傳統(tǒng)的蓄電池恒流、恒壓充電技術，以及由該技術發(fā)展延伸出來的分段恒流、限流恒壓等充電技術，進行了深入的分析與實驗，下面是我們對傳統(tǒng)充電技術的認識。
恒流充電方式，顧名思義是指蓄電池放完電后，在充電恢復容量過程中，要求充電器根據(jù)電池的不同A?h數(shù)，以某一確定的輸出電流對蓄電池進行充電，該電流從蓄電池的充電開始到充電結束，始終是恒定不變的。
恒壓充電方式，顧名思義是指蓄電池放完電后，在充電恢復容量的過程中，要求充電器按不同種類的蓄電池，以某一確定的輸出電壓對蓄電池進行的充電，該電壓從蓄電池的充電開始到充電結束，始終是恒定不變的。
以國內(nèi)外使用最多也最為普遍，研究分析也最為深刻的鉛酸蓄電池為例。請觀察一幅在研究閥控式鉛酸蓄電池技術方面，經(jīng)?？吹胶陀玫降膱D1。這里我們要說明的是，這幅圖是專家們拋開日常環(huán)境溫度變化對蓄電池充電過程的影響，用經(jīng)過改進的恒壓限流方法對蓄電池充電所獲得的。因是恒壓限流充電方式，所以代表電流變化的I線，起始段有一小段是限流值。代表電壓的V線起始段是一段很陡的上升線，更確切地講由于充電器的限流作用應是電壓的下跌線。
圖1中，左邊的縱軸線為蓄電池充電電壓，橫軸線為時間，I線代表蓄電池在充電過程中不同時刻受電能力的電流變化曲線，V線代表蓄電池充電過程中各時刻能接受的最高安全電壓，也是設計充電器的恒壓輸出線，C線代表蓄電池充電過程中容量隨時間的增加表現(xiàn)的恢復曲線。
從I曲線上可清楚看到，充電過程中蓄電池在不同時刻的電流接受能力。顯然，在時間軸上，蓄電池電流接受曲線I是一條變化很大的非線性曲線，各個時刻蓄電池的電流接受能力是完全不同的，那么該曲線上哪一時刻的電流用作蓄電池恒流充電，能使蓄電池既安全，又能在人們可接受的有限時間上將蓄電池充滿，包括恒流充電法改進后的有限次數(shù)的分段恒流法在內(nèi)，無論怎么看，我們都覺得是難以實現(xiàn)的，更加困難的是，電池每次使用的放電深度是不一樣的，環(huán)境溫度都不一樣，新舊程度也不一樣，如果每次充電都用同樣的電流和時間去充，造成的電池損害是不可逆轉的。
再看恒壓充電法，從V線上我們看到充電器的輸出電壓，始終是在充電器設計者認為蓄電池安全受電的最高允許電壓上，低于這個電壓，將無法使蓄電池充滿，這個電壓是否真的安全？有關資料明確告訴我們，充電過程中，單體蓄電池的充電電壓比電池自身實時的電壓高出100mV，通過蓄電池的充電電流比蓄電池的最大安全受電電流要增大10倍以上。而充電前蓄電池一般都是在放完電后，這時的蓄電池肯定是處在最低的電壓上。如單體鉛酸蓄電池，放電后一般為1.8～2.0V，而此時的充電電壓如果是恒定在2.25～2.4V，可見充電器輸出的電壓和蓄電池電壓的差已遠遠大于100mV。
這樣的恒壓充電，通過蓄電池的充電電流將是蓄電池最大安全電流的幾十倍，如果充電器的輸出功率與容量足夠大的話，必定會造成蓄電池的損壞，如果充電器的容量不夠，那就必定會造成充電器的過載燒毀。經(jīng)過改進后的恒壓限流充電方式，為了能保障蓄電池和充電器不致遭到損壞的厄運，卻降低了充電效率，增加了損耗，延長了充電時間，這是恒壓充電V線的起始時間段；到V線的最后階段，由于絕大多數(shù)的充電器沒有環(huán)境溫度變化的跟蹤補償能力，充電器此時還保存著最大的電流輸出能力。如不及時關斷充電電源，極易在環(huán)境溫度變化中造成蓄電池的損壞。至此，我們可以看出，造成閥控式蓄電池使用中出現(xiàn)早期性能下降和損失容量的重要原因，大多是傳統(tǒng)蓄電池充電技術落后與過程控制不力所致。
2 全新的充電模式
分析了傳統(tǒng)蓄電池充電技術存在的問題，經(jīng)過長時間的思考與實驗，我們提出了"蓄電池自然平衡充電法"的新模式，該充電法的充電過程如下。
圖2中有A、B二個電源EA及EB，當電源EA與電源EB處在同一環(huán)境溫度下，正極和正極相連，負極和負極相連，它們所形成的閉合回路中，存在如下的關系，EA電源如果高出電源EB，A電源將向B電源提供EA－EB=ΔE的電壓，將按ΔE的大小，提供一Δi電流，使電源EB上升到完全等于電源EA的電壓時，（在蓄電池中表現(xiàn)為，蓄電池端電壓的上升和電荷存儲量的增加）。電源EA將停止向電源EB提供電流，也就是EA=EB，ΔE=0，Δi=0。
在上面描述中，我們把電源EB換成被充電的蓄電池，尋找出在不同放電深度與環(huán)境溫度下，蓄電池對應的電壓。將A電源電壓EA，精心設計成在不同環(huán)境溫度下，能按蓄電池充電平衡需要，自動調(diào)節(jié)輸出電壓和電流的電源，與之對應連接，完全理想化的情況下，電源EA能根據(jù)蓄電池在任一環(huán)境溫度下，能夠接受的安全電流，對電池進行充電，電池充足電后，ΔE=0、Δi=0，A電源將不消耗功率，此后，A電源EA，只隨環(huán)境溫度的變化，對被充蓄電池提供跟蹤平衡補償，蓄電池充電的整個過程，完全是自動完成的，所以，我們稱之為自然平衡法。
此方法完全理想化的情況是，蓄電池充足電后，A電源EA無功率供給蓄電池EB。實際的情況經(jīng)實驗證實，與上面提出的理想情況稍有差別，即A電源在蓄電池充滿后，由于蓄電池存在著漏電，和內(nèi)部氧循環(huán)的需要，還維持著很小的但對蓄電池組的均衡很有用的電流，由于這一特性的存在，幾乎使這一充電技術更加接近完美。
為進一步說明，特提供一組用我們設計的充電器，對市場上某品牌鎳氫電池（Ni-HM）5號1300mA?h，8只串聯(lián)充放電結果的打印曲線（環(huán)境溫度為25℃）如圖3～圖6所示。從這一組電池的充電電流接受曲線、充電電壓上升曲線、電池溫度變化曲線、0.5C恒流放電曲線可以看到，整個充電過程，電池溫升很小，不超過3～4℃，充滿電的時間，從標準的14～15h，縮短為3～4.5h。由于整個充電過程電池溫升很小，所以，不需要進行任何的人為干預。
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另外，在延長蓄電池使用壽命方面，有一用了近20年的國產(chǎn)2號圓柱型1800mA?h鎘鎳電池（該電池是某廠為電視場強儀配套用的，場強儀早已報廢），用我們的充電器充滿后，電池至今還能以0.5C的恒流放出額定容量。
3 結語
上例充電器，在數(shù)碼相機、手持電腦、無線對講機、移動儀器、閉路監(jiān)控、礦山礦工井下照明、電動玩具等許多領域的配套上，有著廣闊的市場。