CN101404346A - 恒压脉冲快速充电法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒压脉冲快速充电法，该方法以恒定的充电电压，以恒定周期的充电脉冲对蓄电池充电，其每个充电周期的充电电流曲线包括正脉冲充电、零脉冲停充、负脉冲放电、零脉冲停放四个阶段，其中正脉冲充电电流幅度初始值为1C并随充电时间呈指数变化，负脉冲放电电流幅度始终为2C。本发明集恒压充电法与脉冲充电法的优点于一体，以恒压的大电流进行充电，并采取瞬间放电和停充等去极化措施，形成周期性充电脉冲，使蓄电池接近初始充电状态；该方法具有充电时间短、充电效率高、温升小、析气少，操作简单等特点，可适用于各种类型的铅酸蓄电池充电。

Description

恒压脉冲快速充电法

技术领域

本发明涉及一种蓄电池充电方法，尤其是一种恒压脉冲快速充电法。

背景技术

随着现代科学技术的发展，通讯、交通等领域对蓄电池的使用越来越多，研究与蓄电池有关的技术，提高蓄电池的充电和储能效率，节约有限的能源，提高蓄电池使用寿命，成为该领域的重要课题。

目前，国内外现行的充电技术一般规定充电电流不得大于0.1C(C是蓄电池额定容量)，即10小时率充电，充电时间长达14小时以上。很显然，这样的充电方式充电时间很长，不论是对于经常停电的地区，还是应急充电来说，均不能满足要求。因此，需要采用快充方法。

目前在业界普遍采用的蓄电池快速充电方法主要有以下几种：

1.脉冲式充电法，这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新发展。脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环，如图1所示。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。

2.变电流间歇充电法，这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，如图2所示。其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，削弱或使电化学极化、浓差极化和欧姆极化自然而然的得到消除，从而减轻蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。

3.变电压间歇充电法，如图3所示。与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。该方法更加符合最佳充电曲线。在每个恒电压充电阶段，充电电流自然按照指数规律下降，符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。

4.变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法，如图4所示，脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定，PWM占空比可调，在此基础上加入间歇停充阶段，能够在较短的时间内充进更多的电量，提高蓄电池的充电接受能力。

现行快速充电方法的缺点是所提供的充电电流与电池的接受能力不相匹配，充电时间较长，又不能准确判断何时电已充足而中断终止充电，因而不能避免过充，导致较高的温升，及大量析气，以致损害电极极板活性物质，电流效率充电效率降低，电池容量下降，影响电池寿命，乃至快充过程中发生爆炸。传统的充电理论认为，充电速率越大，析气及温升越大.要对蓄电池实现快充，涉及的中心问题是析气、温升及电池寿命三大问题。因此，减少及降低充电过程中析气及温升，不危及或者提高电池寿命，是研制蓄电池快速充电方法的技术关键。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种恒压脉冲快速充电法，该方法充电速度快、充电效率高、温升小、析气少、对电池损害小、操作简单。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：一种恒压脉冲快速充电法，保持恒定的充电电压，以恒定周期的充电脉冲对蓄电池充电，其每个充电周期的充电电流曲线包括正脉冲充电、零脉冲停充、负脉冲放电、零脉冲停放四个阶段，其中正脉冲充电电流幅度初始值为1C并随充电时间呈指数变化，负脉冲放电电流幅度始终为2C。

所述充电周期为120-240s。

所述每个充电周期中零脉冲停充、负脉冲放电、零脉冲停放脉冲宽度分别为：119-239s、500-700ms、50-150ms、200-400ms。

所述最佳充电周期为180s，每个充电周期中正脉冲、零脉冲、负脉冲、零脉冲宽度分别为：179s、600ms、100ms、300ms。

充电过程中通过检测电池端电压和充电电流的大小，与电池充满状态的设定值进行比较，来控制充电终止。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明集恒压充电法与脉冲充电法的优点于一体，以恒压的大电流进行充电，并采取瞬间放电和停充等去极化措施，形成周期性充电脉冲，使蓄电池接近初始充电状态；该方法具有充电时间短、充电效率高、温升小、析气少，操作简单等特点，可适用于各种类型的铅酸蓄电池充电。

附图说明

图1是脉冲式充电曲线；

图2是变电流间歇充电曲线；

图3是变电压间歇充电曲线；

图4是波浪式间歇正负零脉冲快速充电；

图5是蓄电池最佳充电曲线；

图6是采用本发明方法的充电曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图5所示，蓄电池的最佳充电电流曲线呈指数形式，该曲线表明了蓄电池充电时的接受能力。因此，要想实现快速充电时，不损害蓄电池电池性能，不大量析气，不产生较高的温升，不损害电极活性物质，必须使充电电流曲线尽量接近甚至等同于最佳充电曲线，而恒压充电的充电曲线是最接近最佳充电曲线的，因此，本发明人采用恒压充电方式为基础对蓄电池进行充电，即以蓄电池“电流接受能力″对蓄电池进行充电，同时，为了解决在恒压充电方式下，蓄电池容易产生极化的现象，加入负脉冲方式消除极化，使蓄电池始终处于最佳的电流接受状态，提高蓄电池的充电电流接受能力，构成本发明的恒压脉冲快速充电法。其工作原理是：在恒压充电状态下，蓄电池充电电流很大，蓄电池接受能力较强，随着充电时间的延长，电流呈指数规律变化，由此产生的欧姆极化、浓差极化、电化学极化阻碍了蓄电池的接受能力，使电流曲线偏离最佳曲线，同时，产生热量，析出氢气和氧气，吸附在极板表面，进一步阻碍充电的进行，而负脉冲放电正好能够消除这些极化现象，使产生的氧气和氢气重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一周期的恒压充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。

恒压充电的主要优点是充电电流随蓄电池端电压的升高而逐渐减小，其充电特性接近蓄电池充电接受特性；同时，恒压充电过程初期由于蓄电池端电压较低，充电电流较大，因而充电速度较快。脉冲充电法的主要优点是采取瞬间放电和(或)停充等去极化措施，以比常规充电大得多的电流进行充电，大大缩短了充电时间。本发明将恒压充电法与脉冲充电法进行结合，集其优点于一体，首先以恒压的大电流进行充电，在充电过程中，虽然充电电流呈指数规律逐渐减小，但仍会产生极化，当极化严重到使充电电流显著减小时，采取瞬间放电和停充的去极化措施，消除极化，使蓄电池在每个充电周期的开始始终尽量接近初始充电状态，再以恒压的大电流进行充电，如此往复，形成周期性的脉冲充电方式，其每个周期的波形依次为正脉冲充电、零脉冲停充、负脉冲放电、零脉冲停放(参考图6)。

由于充电电流的大小直接影响充电时间，并且每个充电周期的充电时间、停充时间、放电时间均影响极化的产生和消除，相应的影响充电时间。为了使充电电流曲线无限接近最佳充电曲线，需要对各个充电参数进行理论计算和试验测定，以确定最佳充电电流曲线。

下面通过具体实施例对本发明的方法进一步说明：

基于传统充电理论，发明人经过一系列的试验得出，待充蓄电池恒压下的初始充电电流为1C时，即能很快充满，又不会产生较大的温升，析气也较少。基于现有技术理论，负脉冲充电可以消除极化现象，并且当负脉冲幅度为2C时，可以较快较好的消除极化。

实施例1

定义初始充电电流1C，负脉冲放电电流2C，脉冲周期120S，其中正脉冲充电时间为119s，零脉冲停充500ms，负脉冲放电50ms、零脉冲停放450ms，在标准实验室环境下进行充电试验，充满总充电时间(检测停充)3h，实测蓄电池电解液比重，已经充满，充电过程中蓄电池温升很小，析气很少。

实施例2

调整零脉冲停充为700ms，负脉冲放电50ms、零脉冲停放250ms，其它条件与实施例1相同，充满总充电时间(检测停充)3h，实测蓄电池电解液比重，已经充满，充电过程中蓄电池温升很小，析气很少。

实施例3

调整零脉冲停充为600ms，负脉冲放电100ms、零脉冲停放300ms，其它条件与实施例1相同，充满总充电时间(检测停充)3h，实测蓄电池电解液比重，已经充满，充电过程中蓄电池温升很小，析气很少。

实施例4

调整零脉冲停充为600ms，负脉冲放电150ms、零脉冲停放250ms，其它条件与实施例1相同，充满总充电时间(检测停充)3.1h，实测蓄电池电解液比重，已经充满，充电过程中蓄电池温升很小，析气很少。

实施例5

调整脉冲周期为240s，并将正脉冲冲电时间调整为239s，其它条件与实施例1相同，充满总充电时间(检测停充)0.4h，实测蓄电池电解液比重，蓄电池并未充满，充电过程中蓄电池温升较高，析气较多。

实施例6

调整脉冲周期为180s，并将正脉冲冲电时间调整为179s，其它条件与实施例1相同，充满总充电时间(检测停充)1.2h，实测蓄电池电解液比重，已经充满，充电过程中蓄电池温升很小，析气很少。

实施例7

调整脉冲周期为180s，并将正脉冲冲电时间调整为179s，调整零脉冲停充为700ms，负脉冲放电50ms、零脉冲停放250ms，其它条件与实施例1相同，充满总充电时间(检测停充)1.2h，实测蓄电池电解液比重，已经充满，充电过程中蓄电池温升很小，析气很少。

实施例8

调整脉冲周期为180s，并将正脉冲冲电时间调整为179s，调整零脉冲停充为600ms，负脉冲放电100ms、零脉冲停放300ms，其它条件与实施例1相同，充满总充电时间(检测停充)1.1h，实测蓄电池电解液比重，已经充满，充电过程中蓄电池温升很小，析气很少。

实施例9

调整脉冲周期为180s，并将正脉冲冲电时间调整为179s，调整零脉冲停充为600ms，负脉冲放电150ms、零脉冲停放250ms，其它条件与实施例1相同，充满总充电时间(检测停充)1.1h，实测蓄电池电解液比重，已经充满，充电过程中蓄电池温升很小，析气很少。

通过上述实施例可以看出，采用本发明方法对蓄电池充电，在初始充电电流和负脉冲放电电流已经确定的情况下，其充电时间主要取决于每个周期中正脉冲充电时间的长短，经试验测定，在周期为180s，正脉冲充电时间为179s时，充电时间较短，且对蓄电池性能无影响，蓄电池在充放电过程中始终存在电化学极化、浓差极化及主要由前两种极化引起的欧姆极化，停充脉冲一方面给极板表面近区利于充电的电化学反应提供时间，另一方面给充电脉冲在极板表面近区形成的高浓度硫酸向极板表面远区的扩散提供时间。因此停充脉冲利于消除充电脉冲形成的三种极化，而放电脉冲则以逆变形式消除充电脉冲形成的三种极化，一方面在极板表面近区放电的电化学反应，利于下一周期的充电过程，另一方面在极板表面近区消耗一部分充电脉冲形成的高浓度硫酸，试图使极板表面近区和远区的硫酸浓度趋同。停放脉冲一方面试图消除放电脉冲在极板表面极近的区域可能形成的轻微放电极化，另一方面继续发挥停充脉冲的作用。因此，本发明设计停充脉冲、放电脉冲及停放脉冲是合理的。

由于充电脉冲形成的极化是主要的，故在时间安排上停充脉冲最长，停放脉冲次之，放电脉冲最短。在同等条件下，负脉冲放电时间影响充电效果和时间，但影响不大。这也通过实施例8及实施例9得到了验证。经试验测定，在周期为180s，正脉冲充电时间为179s时，充电时间较短，且对蓄电池性能无影响，通过进一步试验测定，在同等条件下，负脉冲放电时间影响充电效果和时间，但影响不大。

通过上述实施例，可以得出本发明的最佳实施方案为，保持恒定的电压，以周期为180s的充电脉冲对蓄电池充电，其每个充电周期中正脉冲充电时间为179s、零脉冲停充600ms、负脉冲放电100ms、零脉冲停放300ms，其中正脉冲充电电流幅度初始值为1C并随充电时间呈指数变化，负脉冲放电电流幅度始终为2C。

本发明还对充电完成时停充的检测方法做了改进，本发明将传统的端电压检测和充电电流检测两种检测方式结合起来判断电池状态，消除了单纯端电压检测和单纯充电电流检测的弊端，不存在误检测，保证电池能够充满。

Claims (5)

1、一种恒压脉冲快速充电法，其特征在于：保持恒定的充电电压，以恒定周期的充电脉冲对蓄电池充电，其每个充电周期的充电电流曲线包括正脉冲充电、零脉冲停充、负脉冲放电、零脉冲停放四个阶段，其中正脉冲充电电流幅度初始值为1C并随充电时间呈指数变化，负脉冲放电电流幅度始终为2C。

2、根据权利要求1所述的恒压脉冲快速充电法，其特征在于所述充电周期为120-240s。

3、根据权利要求1或2所述的恒压脉冲快速充电法，其特征在于所述每个充电周期中零脉冲停充、负脉冲放电、零脉冲停放脉冲宽度分别为：119-239s、500-700ms、50-150ms、200-400ms。

4、根据权利要求1所述的恒压脉冲快速充电法，其特征在于所述最佳充电周期为180s，每个充电周期中正脉冲、零脉冲、负脉冲、零脉冲宽度分别为：179s、600ms、100ms、300ms。

5、根据权利要求1所述的恒压脉冲快速充电法，其特征在于充电过程中通过检测电池端电压和充电电流的大小，与电池充满状态的设定值进行比较，来控制充电终止。

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