CN106842044A - 绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法 - Google Patents

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陈绍林
唐明跃
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Abstract

本发明公开了一种绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法，包括以下步骤：将灌酸后的蓄电池放入水浴槽中，使其温度维持在20℃至40℃之间；利用预设的限压脉冲对蓄电池进行充放电，直至蓄电池的充电量达到其额定电容量的6‑8倍，结束充放电；充放电结束后，根据每次充放电的时间和对应的蓄电池的电量绘制电量和时间关系曲线，即为蓄电池的最大充电能力曲线。本发明利用脉冲限压方式对蓄电池进行充放电，可以在毫秒级内切换电流方向，达到去极化的目的，并将电极极化控制在有效范围内，从而在快速充电和有效极化间找到平衡，得到蓄电池的最大充电能力曲线。

Description

绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法
技术领域
本发明涉及蓄电池技术领域，特别涉及一种绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法。
背景技术
由于设备、技术和工艺等多方面原因，铅酸蓄电池起初多采用外化成工艺，不仅可以降低技术门槛，规避充电技术积累不足的风险，实现产品尽早投产。然而随着环保要求的提高，国家对铅酸电池行业的整顿，淘汰落后产能和工艺技术、促进生产力加快转移和集中，实现行业整体升级，已是我国蓄电池行业的必然趋势。
根据工业和信息化部下达的《电池行业清洁生产实施方案》要求，大力实施清洁生产技术改造工程。针对电池生产过程中重金属污染物产生的关键工艺环节，结合清洁生产审核报告要求，采用一批先进成熟适用的技术，实施清洁生产技术改造工程。积极推广铅蓄电池内化成工艺、扣式碱锰电池无汞化技术与装备、电动工具等民用动力锂离子电池与氢镍电池技术，减少生产过程中污染物产生量，大幅提升电池行业的清洁生产技术水平。电池内化成是一种可以有效降低过程污染物产生，实现清洁生产的技术。但是中大型后备用铅蓄电池普通内化成工艺一般为3充2放和4充3放，化成时间在100小时左右，有的甚至达到100小时以上，是外化成工艺的2倍到3倍。工艺时间长、设备投入大(相同产能，需要更多的充放电设备)成为制约内化成工艺推广的瓶颈。
基于此，快速充电技术应运而生。所谓快速充电是指采用大电流，在短时间内把电池充好，而在这个过程中，既不产生大量气体，又不使电解液温度过高。快速充电技术能够有效提高内化成充电的效率，从而有效缩短化成时间。如何获得电池的最大充电能力曲线是快速充电应用首先需要解决的问题。
参见图1，1967年美国人J.A.MAS(马斯)以最低析气率为前提，提出了蓄电池能够接受的最大充电电流和可以接受的充电电流曲线图。如图1所示，其方程为：
i＝I0e-at
式中，i为任意时刻t时蓄电池可接受的充电电流，I0为最大初始可接受充电电流，a为电池充电电流的接受比。
从图可以看出，蓄电池可接受的初始充电电流很大，但是衰减很快，主要原因是充电过程中极板产生了极化现象。在蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正格板处(正极板产生氧气)，使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。J.A.MS指出，在充电过程中，超过这一充电接受曲线的任何充电电流，不仅不能提高充电速率，而且会增加析气量，小于此接受曲线的充电电流，便是蓄电池的存储充电电流，此时只产生微量析气，而不会对电池造成伤害。J.A.MAS同时指出，通过瞬时大电流放电，可以使蓄电池的可接受电流曲线不断右移，从而大大提高充电速度和效率，缩短充电时间，这就是快速充电的基本理论依据。
按照以上原理，恒流限压方式在低限压条件下，可以绘制出最大充电能力曲线，但是时间长，不符合快速充电的要求。在高限压条件下，时间可以缩短，但是充电电流主要用在副反应上，造成活性物质含量低、失水高，板栅不成形等问题，无法绘制出最大充电能力曲线。
所以，针对如何获得电池快速充电的最大充电能力曲线这一问题，目前还没有有效的解决办法。
发明内容
针对现有技术，本发明提供了一种绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法，包括以下步骤：
将灌酸后的蓄电池放入水浴槽中，使其温度维持在20℃至40℃之间；
利用预设的限压脉冲对所述蓄电池进行充放电，直至所述蓄电池的充电量达到其额定电容量的6-8倍，结束充放电；
充放电结束后，根据每次充放电的时间和对应的所述蓄电池的电量绘制电量和时间关系曲线，即为所述蓄电池的最大充电能力曲线。
本发明提供的绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法，在上述将灌酸后的蓄电池放入水浴槽中之前，还包括以下步骤：
利用灌酸机对所述蓄电池进行灌酸。
作为一种可实施方式，在充放电过程中，所述蓄电池的温度维持在30℃。
作为一种可实施方式，利用预设的限压脉冲对所述蓄电池进行充放电，直至所述蓄电池的充电量达到其额定电容量的6-8倍，结束充放电，包括以下步骤：
向所述蓄电池输入50A～150A的正脉冲电流，所述正脉冲电流持续时间3S～20S之后，输入20A～80A的负脉冲电流，所述负脉冲电流持续时间0.5S～5S之后再次输入所述正脉冲电流，依次循环，进行充放电，直至所述蓄电池的充电量达到其额定电容量的6-8倍，结束充放电；充放电过程中，将所述蓄电池的电压控制在2.4V～2.8V之间。
作为一种可实施方式，在充放电过程中，单次向所述蓄电池输入的所述正脉冲电流的大小为100A。
作为一种可实施方式，在充放电过程中，单次向所述蓄电池输入的所述正脉冲电流的持续时间为5S。
作为一种可实施方式，在充放电过程中，单次向所述蓄电池输入的所述负脉冲电流的大小为50A。
作为一种可实施方式，在充放电过程中，单次向所述蓄电池输入的所述负脉冲电流的持续时间为1s。
作为一种可实施方式，在充放电过程中，将所述蓄电池的电压控制在2.6V。
作为一种可实施方式，在充放电过程中，直至所述蓄电池的充电量达到其额定电容量的7倍时，结束充放电。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
本发明提供的绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法，基于快速充电原理，利用脉冲限压方式对蓄电池进行充放电，可以在毫秒级内切换电流方向，达到去极化的目的，并将电极极化控制在有效范围内，从而在快速充电和有效极化间找到平衡，最终根据每次充放电的时间和对应的电量绘制电量和时间关系曲线，得到蓄电池的最大充电能力曲线。
附图说明
图1为背景技术提供的蓄电池能够接受的最大充电电流和可以接受的充电电流曲线图；
图2为传统的恒流限压模式的恒流波形示意图；
图3为本发明实施例一提供的绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法的流程示意图；
图4为实施例一中的限压脉冲的波形示意图；
图5为根据本发明实施例二提供的绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法所得到的蓄电池的最大充电能力曲线的示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。
根据快速充电的基本理论可知，电池充电时存在极化现象以及极化偏离平衡的现象，没有极化无法将电充入电池，极化太严重容易引起副反应，损害电池本体。
而传统的恒流限压模式，如图2所示，因电流正向充电，无法频繁去极化，虽有限压，但是有效极化和快速充电是很难调和的两极。正极长期处于高的极化状态，副反应非常剧烈，造成失水严重、板栅腐蚀等问题，无法找到电池的最大充电能力曲线。
基于此，如图3所示，本发明实施例一提出了一种绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法，在脉冲限压条件下能够绘制出最大充电能力曲线，包括以下步骤：
S100、将灌酸后的蓄电池放入水浴槽中，使其温度维持在20℃至40℃之间；
S200、利用预设的限压脉冲对蓄电池进行充放电，直至蓄电池的充电量达到其额定电容量的6-8倍，结束充放电；
S300、充放电结束后，根据每次充放电的时间和对应的蓄电池的电量绘制电量和时间关系曲线，即为蓄电池的最大充电能力曲线。
将装配好的干电池与灌酸机连接好，通过真空泵将电池内的空气抽出，使其形成负压，打开酸阀，定量好的硫酸电解液被吸入电池，通过2至3次抽真空，电解液即可全部灌入电池，即完成灌酸。将灌酸后的蓄电池放入水浴槽中，水浴温度控制在20℃至40℃之间，对蓄电池进行充放电。
具体地充放电过程如下：向蓄电池输入50A～150A的正脉冲电流，正脉冲电流持续时间3S～20S之后，输入20A～80A的负脉冲电流，负脉冲电流持续时间0.5S～5S之后再次输入正脉冲电流，依次循环，进行充放电，直至蓄电池的充电量达到其额定电容量的6-8倍，结束充放电；充放电过程中，将蓄电池的电压控制在2.4V～2.8V之间。
上述利用脉冲限压方式对蓄电池进行充放电，如图4所示，可以在毫秒级内切换电流方向，达到去极化的目的，并将电极极化控制在有效范围内，从而在快速充电和有效极化间找到平衡。最后，根据每次充放电的时间和对应的电量绘制电量和时间关系曲线，得到蓄电池的最大充电能力曲线。
在上述充放电过程中，水浴温度控制在20℃至40℃之间，也可以保持在该温度范围内的某一个温度点上，例如20℃、25℃、30℃、32℃、40℃等。温度太低化学反应效率低，温度太高电池槽盖易变形，基于此，温度保持在30℃为宜。
单次向蓄电池输入的正脉冲电流的大小为50A～150A，可以是50A、60A、70A、100A、130A以及150A等。由于电流太小无法实现快速充电，电流过大设备投入成本高，所以输入的正脉冲电流的大小保持在50A～150A的范围内均可，以100A为宜。
单次向蓄电池输入的正脉冲电流的持续时间为3S～20S，可以是3S、5S、8S、10S、15S、20S等，时间过短无法实现快速充电，时间过长会造成副反应明显，所以正脉冲电流的持续时间保持在3S～20S的范围内均可，以5S为宜。
单次向蓄电池输入的负脉冲电流的大小为20A～80A，可以是20A、30A、40A、50A、60A以及80A等。由于电流太小无法实现快速充电，电流过大设备投入成本高，所以输入的负脉冲电流的大小保持在20A～80A的范围内均可，以50A为宜。
单次向蓄电池输入的负脉冲电流的持续时间为0.5S～5S，可以是0.5S、1S、2S、3S、4S、5S等，时间过短无法去极化，时间过长会造成过度放电，不利于快速充电，所以负脉冲电流的持续时间保持在0.5S～5S的范围内均可，以1S为宜。
充放电过程中，蓄电池的电压限定为2.4V～2.8V，限压过低电流较早被限制，电流小会延长充放电时间，不利快速充电，限压过高，副反应增加，不利于活性物质转化，2.6V为宜。
充放电过程中，直至蓄电池的充电量达到其额定电容量的6～8倍时，结束充放电。充电量如果太低，活性物质转化不够，充电量太高又会增加副反应，以7倍为宜。
上述充放电过程和曲线绘制过程可以通过人工手动实现，也可以利用计算机自动完成。
本发明实施例二提供的绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法，包括以下步骤：
第一步，电池灌酸完成后，立即放入水浴槽中，水浴温度控制在30℃，电池在2小时内开始充放电；
第二步，将编辑好的脉冲程序导入充放电机，开启对应回路，电池开始充放电，具体脉冲程序如下，参见表一：
表一
正脉冲电流100A，脉冲持续时间5S；
负脉冲电流50A，脉冲持续时间1S；
电池限压2.6V，电量控制为电池的额定容量的7倍。
脉冲程序执行后，按照正脉冲5S，负脉冲1S，一个循环，每个循环充入电量0.0875Ah，当充入总电量达到电池额定容量的7倍时程序自动结束，充放电机停止，完成充放电。
在上述充放电过程中，充放电机自动记录充电电量、电流、电压和时间，水浴设备监控水浴温度，目的是为了稳定充放电过程中电池温度，确保内部电化学反应效率。
第三步，根据充放电机记录的电量和时间，做出电量——时间曲线，如图5所示，即为电池的最大充放电能力曲线。
本发明的绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法，利用脉冲限压方式对蓄电池进行充放电，可以在毫秒级内切换电流方向，达到去极化的目的，并将电极极化控制在有效范围内，从而在快速充电和有效极化间找到平衡。最后，根据每次充放电的时间和对应的电量绘制电量和时间关系曲线，得到蓄电池的最大充电能力曲线，特别适用于中大型后备用铅酸蓄电池。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将灌酸后的蓄电池放入水浴槽中，使其温度维持在20℃至40℃之间；
利用预设的限压脉冲对所述蓄电池进行充放电，直至所述蓄电池的充电量达到其额定电容量的6-8倍，结束充放电；
充放电结束后，根据每次充放电的时间和对应的所述蓄电池的电量绘制电量和时间关系曲线，即为所述蓄电池的最大充电能力曲线。
2.根据权利要求1所述的绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
利用灌酸机对所述蓄电池进行灌酸。
3.根据权利要求1所述的绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法，其特征在于，
在充放电过程中，所述蓄电池的温度维持在30℃。
4.根据权利要求1所述的绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法，其特征在于，利用预设的限压脉冲对所述蓄电池进行充放电，直至所述蓄电池的充电量达到其额定电容量的6-8倍，结束充放电，包括以下步骤：
向所述蓄电池输入50A～150A的正脉冲电流，所述正脉冲电流持续时间3S～20S之后，输入20A～80A的负脉冲电流，所述负脉冲电流持续时间0.5S～5S之后再次输入所述正脉冲电流，依次循环，进行充放电，直至所述蓄电池的充电量达到其额定电容量的6-8倍，结束充放电；充放电过程中，将所述蓄电池的电压控制在2.4V～2.8V之间。
5.根据权利要求4所述的绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法，其特征在于，在充放电过程中，单次向所述蓄电池输入的所述正脉冲电流的大小为100A。
6.根据权利要求4或5所述的绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法，其特征在于，在充放电过程中，单次向所述蓄电池输入的所述正脉冲电流的持续时间为5S。
7.根据权利要求4所述的绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法，其特征在于，在充放电过程中，单次向所述蓄电池输入的所述负脉冲电流的大小为50A。
8.根据权利要求4或7所述的绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法，其特征在于，在充放电过程中，单次向所述蓄电池输入的所述负脉冲电流的持续时间为1s。
9.根据权利要求4所述的绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法，其特征在于，在充放电过程中，将所述蓄电池的电压控制在2.6V。
10.根据权利要求4所述的绘制蓄电池的最大充电能力曲线的方法，其特征在于，在充放电过程中，直至所述蓄电池的充电量达到其额定电容量的7倍时，结束充放电。
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