蓄电池的充电技术.doc

1、蓄电池充电技术研究 浙江大学电力电子技术国家专业实验室赵异波 何湘宁（杭州 310027） 株洲科信电力电子制造有限公司丁劲松（株洲 412000）1 引言 蓄电池具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点，它广泛地应用于发电厂、变电站、通信系统、电动汽车、航空航天等各个部门。蓄电池主要有普通铅酸蓄电池、碱性镉镍蓄电池以及阀控式密封铅酸蓄电池三类。普通铅酸蓄电池由于具有使用寿命短、效率低、维护复杂、所产生的酸雾污染环境等问题，其使用范围很有限，目前已逐渐被阀控式密封铅酸蓄电池所淘汰。阀控式密封铅酸蓄电池整体采用密封结构，不存在普通铅酸蓄电池的气涨、电解液渗漏等现象，使用安全可靠、寿命长，正常运行时

2、无须对电解液进行检测和调酸加水，又称为免维护蓄电池。它已被广泛地应用到邮电通信、船舶交通、应急照明等许多领域。碱性镉镍蓄电池的特点是体积小、放电倍率高、运行维护简单、寿命长，但由于它单体电压低、易漏电、造价高且容易对环境造成污染，因而其使用受到限制，目前主要应用在电动工具及各种便携式电子装置上。 普通铅酸蓄电池主要由极板组、电解液和电池槽等部分组成。正、负极板都由板栅和活性物质构成，其中正极板上的活性物质是棕色的二氧化铅（PbO2） ，负极板上的活性物质为深灰色的海绵状纯铅(Pb)。电解液是用蒸馏水（H2O）和纯硫酸（H2SO4 ）按一定的比例配成的。在充电过程中，电解液与正、负极板上的活性物

3、质发生化学反应，从而把电能变成化学能贮存起来；在放电过程中，电解液也与正、负极板上的活性物质发生化学反应，把贮存在蓄电池内的化学能转换成电能供给负载。为了使化学反应能正常进行，电解液必须具有一定的浓度。电池槽是极板组和电解液的容器，它必须具有较好的耐酸性能、绝缘性能和较高的机械强度。 在蓄电池正、负极板之间接入负载，便开始了蓄电池的放电过程。此时，正极板电位下降，负极板电位上升，正负极板上的活性物质(PbO2 和 Pb)都不断地转变为硫酸铅(PbSO4)，电解液中的硫酸逐渐转变为水，电解液比重逐渐下降，从而使蓄电池内阻增加、电动势降低。如果在蓄电池的正、负极板之间接入输出电压比蓄电池端电压高的

4、直流电源，蓄电池的充电过程便开始了。此时，正极板电位因正电荷聚集而上升，负极板电位因负电荷聚集而下降，正极板上的 PbSO4 逐渐变为 PbO2，负极板上的 PbSO4 逐渐变为海绵状 Pb。同时，电解液中 H2SO4 合成逐渐增多，水分子逐渐减少，电解液比重逐渐增加，蓄电池端电压也不断提高。 2 蓄电池快速充电技术 常规充电的方法采用小电流慢充方式，对新的铅酸蓄电池初充电需 70h 以上，进行普通充电也需 10h 以上。充电时间太长，不但会拉长充电监测的时间、造成电能的浪费，还限制了蓄电池的循环利用次数，并增加维护工作量。此外，对于像电动汽车等要求蓄电池连续供电的场合，使用起来很不方便。而采

5、用快速充电方法，可以缩短蓄电池的充电时间，提高充电效率，节约能源，并更好地满足工业应用的需要，具有重大的现实意义。 图 1 蓄电池可接受的充电电流曲线 图 2 脉冲快速充电曲线 图 3 高频开关充电电源方框图 20 世纪 60 年代中期，美国科学家马斯对蓄电池充电过程中的出气问题作了大量的试验研究工作，提出了以最低出气率为前提的蓄电池可接受的充电电流曲线，如图 1 所示1。从图中可以看出，在充电过程中，只要充电电流不超过蓄电池可接受的电流，蓄电池内部就不会产生大量的气泡。而常规充电一般采用先恒流、后恒压的两阶段充电法，在充电过程初期，充电电流远远小于蓄电池可接受的充电电流，因而充电时间大大延长

6、；充电过程后期，充电电流又大于蓄电池可接受电流，因而蓄电池内产生大量的气泡。但是，如果在整个充电过程中能使实际充电电流始终等于或接近于蓄电池可接受的充电电流，则充电速度就可大大加快，而且出气率也可控制在很低的范围内。这就是快速充电的基本理论依据。然而，在充电过程中，蓄电池中产生的极化电压会阻碍其本身的充电，并且使出气率和温升显著升高，因此，极化电压是影响充电速度的重要因素。由此可知，要想实现快速充电，必须设法消除极化电压对蓄电池充电的影响。从极化电压的形成机理可以推知，极化电压的大小是紧随充电电流的变化而改变的。当停止充电时，电阻极化消失，浓差极化和电化学极化亦逐渐减弱；而如果为蓄电池提供一条

7、放电通道让其反向放电，则浓差极化和电化学极化将迅速消失，同时蓄电池内温度也因放电而降低。因此，在蓄电池充电过程中，适时地暂停充电，并且适当地加入放电脉冲，就可迅速而有效地消除各种极化电压，从而提高充电速度。目前，大家比较认同的快速充电方法是脉冲充电、脉冲放电去极化方法。图 2 为脉冲充电、脉冲放电去极化快速充电的波形图。研究表明，利用如图 3 所示开关充电电源可有效地实现蓄电池脉冲快速充电。 3 充电控制方法 充电控制主要包括主充、均充、浮充三阶段的自动转换，从放电状态到充电状态的自动转换，充电程序判断及停充控制等方面。掌握正确的控制方法，有利于提高蓄电池充电效率和使用寿命。 3.1 主充、均

8、充、浮充各阶段的自动转换 目前，国内大部分充电电源仍采用主充、均充、浮充三阶段充电法实现对蓄电池的充电。充电各阶段的自动转换方法有： （1）时间控制，即预先设定各阶段充电时间，由时间继电器或 CPU 控制转换时刻； （2）设定转换点的充电电流或蓄电池端电压值，当实际电流或电压值达到设定值时，即自动转换； （3）采用积分电路在线监测蓄电池的容量，当容量达到一定值时，则发信号改变充电电流的大小。 上述方法中，时间控制比较简单，但这种方法缺乏来自蓄电池的实时信息，控制比较粗略；容量监控方法控制电路比较复杂，但控制精度较高。 3.2 充电程度判断 在对蓄电池进行充电时，必须随时判断蓄电池的充电程度，以

9、便控制充电电流的大小。判断充电程度的主要方法有： （1）观察蓄电池去极化后的端电压变化。一般来说，在充电初始阶段，电池端电压的变化率很小；在充电的中间阶段，电池端电压的变化率很大；在充电末期，端电压的变化率极小2。因此，通过观测单位时间内端电压的变化情况，就可判断蓄电池所处的充电阶段； （2）检测蓄电池的实际容量值，并与其额定容量值进行比较，即可判断其充电程度； （3）检测蓄电池端电压判断。当蓄电池端电压与其额定值相差较大时，说明处于充电初期；当两者差值很小时，说明已接近充满。 3.3 停充控制 当蓄电池充足电后，必须适时地切断充电电流，否则蓄电池将出现大量出气、失水和温升等过充反应，直接危及

10、蓄电池的使用寿命。因此，必须随时监测蓄电池的充电状况，保证电池充足电而又不过充电。主要的停充控制方法有： （1）定时控制采用恒流充电法时，电池所需充电时间可根据电池容量和充电电流的大小很容易地确定，因此只要预先设定好充电时间，一旦时间一到，定时器即可发出信号停充或降为涓流充电。定时器可由时间继电器充当，或者由单片机承担其功能。这种方法简单，但充电时间不能根据电池充电前状态而自动调整，因此实际充电时，可能会出现有时欠充、有时过充的现象； （2）电池温度控制对 CdNi 电池而言，正常充电时，蓄电池的温度变化并不明显，但是，当电池过充时，其内部气体压力将迅速增大，负极板上氧化反应使内部发热，温度迅

11、速上升（每分钟可升高几个摄氏度） 。因此，观察电池温度的变化，即可判断电池是否已经充满。通常采用两只热敏电阻分别检测电池温度和环境温度，当两者温差达到一定值时，即发出停充信号。由于热敏电阻动态响应速度较慢，故不能及时准确地检测到电池的满充状态； （3）电池端电压负增量控制一般而言，当电池充足电后，其端电压将呈现下降趋势，据此可将电池电压出现负增长的时刻作为停充时刻。与温度控制法相比，这种方法响应速度快，此外，电压的负增量与电压的绝对值无关，因此这种停充控制方法可适应具有不同单格电池数的蓄电池组充电。此方法的缺点是一般的检测器灵敏度和可靠性不高，同时，当环境温度较高时，电池充足电后电压的减小并不

12、明显，因而难以控制； （4）利用极化电压控制通常情况下，蓄电池的极化电压出现在电池刚好充满后，一般在 50mV100mV 数量级，采用有关专利技术3来测量每个单格电池的极化电压，这样就使每个电池都可充电到它本身所要求的程度。研究表明，由于每个电池在几何结构、化学性质及电学特性等方面至少存在一些轻微的差别，那么根据每个单格电池的特性来确定它所要求的充电水平会比把蓄电池组作为一个整体来控制的方法更加合适一些。这种方法的优点表现在： 不需温度补偿； 电池不需连续浮充电，电池间连线腐蚀减少； 不同型号和使用情况的电池可构成一组使用； 可以随意添加电池以便扩容； 每个电池都可用到不能再用，而其寿命不会缩

13、短。 4 结论 蓄电池充电技术的改进，有利于缩短充电时间、提高利用效率、延长使用寿命、降低能耗、减少环境污染，具有良好的经济效益和社会效益。根据蓄电池可接受充电电流曲线，只要采用适当方法对电池实行去极化，实现蓄电池的快速充电是可能的。研究表明，脉冲充电、脉冲放电去极化充电法是一种较好的快速充电方法，而实现这一方法的最佳装置是高频开关充电电源。蓄电池的充电控制包括各个充电阶段的自动转换、充电程度判断以及停充控制等三个方面。蓄电池充放电的时间、速度、程度等都会对蓄电池的充电效率和使用寿命产生严重影响，因此在对蓄电池进行充放电时，必须把握以下原则： （1）避免蓄电池充电过量或充电不足过充会使 蓄电池

14、内部温升过大、出气率上升，导致正极板损坏，从而影响电池的稳定性乃至寿命；欠充电会使负极板硫化，蓄电池内阻增大，容量降低。因此一定要掌握好蓄电池的充电程度； （2）控制放电电流值即放电速度蓄电池放电电 流越大，再充电时可接受的初始充电电流值也越大，有助于提高再充电的速度。但是，蓄电池放电电流流经内阻时产生的热量会引起温度上升，因而放电电流不宜过大； （3）避免深度放电根据蓄电池充电电流接受比 第一定律1，对于任意给定的放电电流来说，蓄电池充电电流接受比与它已放出的电荷量的平方根成反比，因此放电深度越大，蓄电池放出的电量越多，蓄电池可接受的充电电流就越小，这将减慢蓄电池的充电速度； （4）注意环境

15、温度的影响蓄电池的放电电量随 环境温度的降低而减小，因此在不同的环境温度下，应该掌握不同的放电速度和放电程度。带定时三段式铅酸电池充电器的特点是什么?（电动车用）2006 年 10 月 30 日 星期一 20:11普通三段式充电（以 36V10Ah 蓄电池为例），开始以 1.8A 左右的电流恒流充电至 43.2V（每个电池 14.4/只），进入恒压充电，电流逐步减小，电压逐渐上升到 44.144.5V，当电流降至 0.350.40A 时转换到浮充充电，电压 41.442V 恒压充电直到取下充电器（或切断充电供电电源），充电时间多数在 812 小时。充电容量为上次放电容量的 104110%，实验

16、表明 12V铅酸蓄电池电压从 14.0V 左右开始有微量气体析出，至 14.4V 气体析出速度加快，至 14.8V有较多的气体析出，主要析出气体是在 14.8V 以后（14.4V 充电上升到 14.8V 时间约在 30mm左右），有效控制好高电压区的时间即可以有效控制气体的析出从而减少失水量，减少发热、变形等故障。 由于蓄电池在充放电过程中，蓄电池内的电解液逐渐减少，氧循环复合电流加大，以及正极部分元素沉淀到负极降低了气体析出过电位，并且会受到蓄电池温度增高的影响，使充电的末期电流逐渐加大，有部分蓄电池可能出现充电末期电流以超过 0.350.4A（转换电流），使充电不转换到浮充阶段（不转绿灯）

17、，一直以高电压进行充电，造成大量过充电，析出大量气体，加大失水量，使蓄电池发生“热失控”，变形等故障，高温时尤其严重。充电不转换到浮充阶段（不转绿灯），是普通三段式充电器的最大缺陷，因此提出用高电压限时充电来克服上述问题。高电压限时充电，开始以 1.8A 左右的电流恒流充电至 43.8V（每个电池 14.4V 左右），进入恒压充电，电流逐步减小，电压逐渐上升至 44.144.5V，当电流减小到 1.2A 时，开始计时，限制充电时间 t(一般为 3h 左右)。到达设定时间 t 后强行转换到浮充充电，同时当电流降至0.35A0.40A 时转换到浮充充电，浮充电电压 41.442V 恒压充电直到取下

18、充电器（或切断充电供电电源）。高电压限时充电限制时间 t 的确定方法：首先通过试验，取容量略大的蓄电池，将蓄电池放电到 10.5V/只，再用恒压 14.714.8V/只，限流 1.8A 的方法进行充电，记录充电电压电流变化，测算出电流从 1.2A 降低到转换电流（0.350.40A）的时间 t1（一般在 2.52.75 小时），为保证充足电，所确定的时间 t 应大于 t1（取 3 小时为佳）。在正常情况下限时是不起作用的，只有当蓄电池处于以下不良充电状态下才起作用：A、高温条件下，充电电流无法降低到转换电流（0.350.40A）时，限时到限制时间 t 时，强行转换。B、蓄电池失水较多，蓄电池内

19、部氧复合电流过大，使充电电流无法降低到转换电流（0.350.40A）时，限时到限制时间 t 时，强行转换。C、由于充电器支行过程中数据发生了变化，充电电压增高，使充电电流无法降低到转换电流（0.350.40A）时，限时到限制时间 t 时，强行转换。D、蓄电池内部出现微短路等情况，使充电电流无法降低到转换电流（0.350.40A）时，限时到限制时间 t 时，强行转换。因此，该高电压限时充电实际是在原有充电器的基础上增加一道“保险”，会大大降低蓄电池异常失水和发热变形，不会影响充电饱和程度。可充电电池和充电器基础知识 2006 年 10 月 30 日 星期一 20:09日益发达的便携式电子产品对可

20、充电电池的容量和循环寿命等性能要求越来越高. 目前常用的有四大类, 镍镉电池和铅酸免维护电池这两类在上世纪六十年代已经普遍推广, 镍氢电池和锂离子电池(含锂聚合物电池)这两大类是近十年才大量商业化使用. 这四大类电池各有所长, 下表给出了一个基本参考, 不同电池生产厂家的具体数值可能有较大差别, 使用时咨询生产厂家, 表中的数据仅供比较参考使用. 比较项目 铅酸免维护电池(SLA) 镍镉电池(NICD) 镍氢电池(NIMH) 锂离子电池(LI-ION) 能量密度(Wh/kg) 30 40 60 100 循环寿命(次) 300 800 500 800 工作温度 (C) 035 045 040 0

21、50 最大充电电流(A) 0.25C 2C 1C 1C 充电方式 恒流后恒压 恒流 恒流 恒流后恒压 充电时间 (小时) C/A + 2 hours C/A + 20% C/A + 20% C/A 2 表中 C 为电池的标称容量, 单位为 AH(安时), A 表示充电恒流电流人们当然希望充电器能在短时间内充电完成, 但是由于电流大且控制难, 这在成本和技术方面都有一定程度的代价付出. 如果使用条件允许, 选用 1014 个小时左右充电结束的夜晚慢充型充电器会有价格低,体积小巧等优点.对于在线并连使用的 SLA 电池, 充电方式建议选用 2.27V/单元(对应 12V 电池为 13.7V)恒压充

22、电, 这种方案既不会过充电池, 也有利于稳定设备电压. 对于要经常离线充放电使用 SLA电池的场合, 应该使用先 0.2C 恒流, 再 2.45V/单元恒压, 电池充好后即时进入 2.27V/单元恒压的“三段式“充电方法. 整个充电时间约为 810 小时.NICD 电池允许有一定电流的过充, 因此选用 0.1C 电流的简单恒流源充电器可谓经济实惠.NIMH 电池对过充电较为敏感, 即使用 0.1C 的电流, 如果充电超过 14 个小时或对已充好的电池再继续充几个小时, 对电池的寿命都有较大损害. 电池充好时应及时关断电流或将充电电流降低到 0.02C 以下是非常重要的, 即使对 0.1C 的夜

23、间慢充型 NIMH 充电器也是如此.最大充电电流达到 2C 左右的智能型快速充电器已经有很多成功案例. 这类充电器一般都必须在充电进程的各阶段随时监测电池电压、温度等参数，当电池快要充满电时自动降低充电电流倍率，这样可以将电池过充电引起的过温过压风险降到最低。NICD 和 NIMH 两类电池的充电特性非常相似，只是 NIMH 电池在充电过程中发热更多一些、峰值电压更不明显一些。这两类电池在快速充电时都采用下面几种条件之一来作为快充电终止的条件：包括电压上升斜率（dV/dt)、电压负增长（-dV)和电池温度上升斜率（dT/dt)。还有三个条件是设置为异常保护条件下进行动作的：最高电池温度、最高电

24、池电压和充电器内置定时器。要实现这些监测和智能切换动作，肯定要带来充电器成本上升，但是如果没有这些措施，电池将面临着容量下降、循环寿命降低甚至漏液爆炸等安全隐患。LI-ION 和 SLA 电池的充电方式较为相似，都要求先恒流再恒压，区别是锂离子电池对充电恒压阶段的电压精度要求较高（1%)。由于锂电池的安全性是一个致命的隐患，因此要求在充电结束控制和保护方面要特别小心。对于不同的应用场合，锂离子电池包都会内置有相应的充放电保护电路, 以便更安全的保护电池不发生以外. 铅酸蓄电池用三段式充电模式的缺陷摘 要：分析了铅酸蓄电池用三段式充电模式及其充电器忽略了电池的负温度特性的缺陷，从充电器充电的波形

25、和频率出发，提出应采用兼有常规性充电功能和修补性充电功能的多功能充电器，并给出了常规性充电阶段和补充性充电阶段的技术参数。电动自行车（以下简称“EB”）产业的兴起，对充电器提出了高要求。目前 EB 所配置充电器，多属于传统的三段式充电器，三段式充电器的充电模式是将充电过程分为恒流、恒压、浮充三个充电阶段，以我国 EB 采用较多的 36V12Ah 铅酸蓄电池组为例，第一阶段以 1.8A 的恒定电流将电池充到约 44.4V；第二阶段将充电电流减小至约 0.3A，再次将电池电压充到44.4V；第三阶段将电压降至约 41.4V，电流减至约 50MA 对电池进行浮充。 从几年来的使用情况看，三段式充电器

26、暴露一些问题。以下仍以 36V12Ah 铅酸蓄电池组为例，谈谈三段式充电器的缺陷和解决方案。 1、三段式充电器忽略了电池的负温度特性 三段式充电器充电参数的设定除受所配电池单体极板面积大小、电极特性、电解液密度等因素影响外,，还受蓄电池的环境温度的影响，以 36V 蓄电池组为例，具体充电电压与温度的关系见表 1 温度/( ) 恒压充电电压 N 浮充充电电压 N 0 46.20 42.48 10 45.36 41.58 20 44.40 40.86 25 44.25 40.50 30 43.74 40.14 35 43.20 39.78 虽然一直以来，人们都明白电化学的温度效应是不能回避的，但却

27、在充电器问题上忽略了。原因可以有很多，但特别应在此指出的是：过去人们对蓄电池容量、寿命与温度之间关系的感触和认识从来没有象今天这样直接和具体，须知，这是千万个EB 用户参与了“实验 ”的结果。 在我国几乎所有的地区，使用无温度补偿的充电器，都会对电池造成损害。夏季过充，冬季欠充，过充和欠充容易造成电池失水和硫酸盐化，电池失水后，硫酸浓度提高，加剧了板极腐蚀，就更容易产生硫酸盐化，硫酸盐化的电池表现为更容易失水。这是一种连锁反应。铅酸电池硫酸盐化是影响 EB 续驶里程和电池寿命的重要因素。 无温度补尝的充电器究竟对电池的损害有多大，目前还缺少实验数据，对蓄电池进行定量分析要比定性分析复杂困难得多

28、，但以下的数据可以参考：EB 标准规定，铅酸蓄电池的循环次数不得不少于 350 次，但实际上有相当多的电池使用时间不到8 个月，即循还次数不足 240 次。 充电器增加温度补偿功能并不困难，如只要将原基准电压改为具有负温度系数特性的基准电压，一般就可以了。 2、三段式充电模式缺少修补性充电环节 三段式充电模式的恒流恒压浮充三个充电阶段，都是围绕怎样充满电池来设计的，因此，这三个充电阶段占用了全部充电时间，如 36V12Ah 电池组的充电电流通常被设定为 1.8A，有公式：12(安时）1.2（效率）8（小时）=1.8A。恰好能在标准规定的 8h 内将电池充满，设计时就没打算留出修补电池的时间，更

29、何况三段式充电器一般也不具备修补电池的功能。 产业界向来有人认为：我国的 EB 以采用铅酸蓄电池为主，并且采取的是全动力模式，如电池长期不能达标，我国的 EB 产业将可能有再次夭折的危险。但技术界对此问题的认识是：要想铅酸蓄电池达标，除有待于电池本身的技术进步外，采用充电与修补功能兼备的多功能充电器是解决问题的有效途径。因此，我们建议立即从以下两方面入手对 EB 充电器进行技术改造。一是将 36V12Ah 电池组的充电电流从 1.8A 提高到 3A 以上，用约 4h 的时间对电池进行常规性充电，留出 4h 以上时间对电池进行修补性充电；二是给充电器增加对电池进行修补性充电的功能。 3、关于充电

30、的波形和频率 充电器赖以对电池产生影响的是充电电压、电流及其波形和频率，其中，充电电压主要与电池充得满不满有关，充电电流主要与充电充得快不快有关，而充电的波形和频率则主要与充电充得好好不好有关，这里的“好不好”指得是电池的容量和寿命。实践证明，以上三者虽各有侧重，但其关系是相辅相成、不可忽略的。 充电器属于电源技术领域，在充电过程中强调波形和频率的作用是开关电源出现以后的事，而三段式充电模式出现在线性电源时期，因此，三段式充电模式偏重于充电电压和电流，缺少充电波形和频率方面的内容是情有可原的。现在，EB 配置的充电器全都是用开关电源技术设计的，但却仍采用三段式充电模式，这显然是不相宜的，据我们

31、调查和检测，目前的 EB 充电器还不同程度地存在以下问题： （1）输出纹波太小。有的竟只有 50mV，显然这是将充电器当成稳压电源来做了，也许这种纹波可以用来给锂离子电池充电，但对于 36V 铅酸蓄电池来说，充电脉冲的幅值应以 1-2V 为好。 （2）输出连续三角波。这通常是正激式开关电源充电器才有的波形，由于极化现象的存在，蓄电池忌讳用直流充电，包括连续三角波。常规性充电的最好波形是单端反激式开关电源通常所输出的下降型脉冲，尤其是紧接脉冲之后存在的一段休止时间，还可以消除铅酸蓄电池因充电而产生的电化学极化；比较而言，正激式开关电源充电器的温升虽然可以做得低一些，但其输出波形不如反激式电源，不

32、过这可以通过调整其输出三角波的占空比来加以弥补。 （3）在充电器与电池之间串联有一二极管。其目的可能是为了防止电池通过充电器放电，但这样做是错误的。充电就是需要又充电又放，边充边放，充多放少，哪怕放电只有充电的百分之一，也将会对抑制电池气化和抬高气化电压等产生不可替代的作用。应该认识到，如能在每一常规性充电周期留出几微秒和在修补性充电周期留出几秒钟用来放电，对消除铅酸蓄电池在充电时产生的电化学极化和浓差极化，从而增加和延长电池的容量和寿命将会有决定性意义。 （4）充电频率单调。一个优秀的充电器必须具有多种充电模式：脉冲充电、负脉冲激活、变频充电等模式，只有具备这些技术的充电器才能有效地去除电解

33、液浓度极差、板栅硫酸盐化和极化现象。脉冲充电、高频充电以及变频充电等充电技术，正在被越来越多地应用在充电器上，可以预期，一种兼有常规性充电功能和修补性充电功能的多功能充电器必将替代功能单一的三段式充电器而成为 EB 的主流。 4、一种实用的 EB 多功能充电器的充电模式和参数 如将凡包含常规性充电功能和修补性充电功能的充电器统称为多功能充电器，那么根据以两种充电功能结合方式的不同，可以设计出多种模式的多功能充电器，但从 EB 的适用角度考虑，还是将以上两种充电功能分开来设计好，即将有限的充电时间划分为两个充电时间段，前段时间用来完成常规性充电，后段时间用来进行修补性充电。以下仍以 36V 12

34、Ah 铅酸蓄电池组为例，介绍一种实用的多功能充电器的充电模式和参数。 4、1 常规性充电阶段 （1）电源类型：单端反激式开关电源； （2）满输出充电频率：25kHz，即充电电源 3A 时的电源工作频率； （3）充电波形：下降型三角脉冲； （4）脉冲幅度：约 1.6V； （5）脉冲最大宽度：约 25s； （6）充电休止时间：约 15s； （7）放电电流：约 50mA； （8）充电平均电流：3A； （9）充电峰值电流：约 10A； （10）充电时间：约 4h，即充电 4h 后，电池电压应上升到 43.2V（常温） ，容量已达 75%以上； （11）减流转折电压：常温下 43.2V，该电压为“气化点

35、电压” ，即在用直流充电的情况下，此时铅酸电池的电解液已开始大量气化。以下转入修补性充电阶段。 4.2 修补性充电阶段 （1）线性减流及范围：电池电压上升到 43.2V（常温）时，充电电流开始减小，减小的速率呈线性，平均充电电流从 3A 最终减为不小于 0.3A，或峰值充电电流从约 10A 减为 1A； （2）充电频率变化范围：线性减流时，随着充电电流的减小，充电频率开始上升，其变化范围为 25-100kHz； （3）充电终止电压：参见表 1 列出的“恒压充电电压” ，该电压相当于“气化点电压” 加约 1.2V，当电池电压上升至该电压时，充电器终止充电； （4）重起动电压：参见表 1 列出的“

36、浮充充电电压” ，终止充电后，电池电压下降，当降至重起动电压时，充电器将再次起动将电池充到充电终止电压，而后充电终止，电池电压再次下降，充电将循环反重地进行下去； （5）充电终止时间：终止充电后，电池电压下降的时间起先较快，约几秒钟，随着时间推移，终止充电的时间会越来越长，可达几分钟以上； （6）修补性充电的延续时间：4h 以上不限。铅酸蓄电池用三段式充电模式的缺陷摘 要：分析了铅酸蓄电池用三段式充电模式及其充电器忽略了电池的负温度特性的缺陷，从充电器充电的波形和频率出发，提出应采用兼有常规性充电功能和修补性充电功能的多功能充电器，并给出了常规性充电阶段和补充性充电阶段的技术参数。 电动自行车

37、（以下简称“EB”）产业的兴起，对充电器提出了高要求。目前 EB 所配置充电器，多属于传统的三段式充电器，三段式充电器的充电模式是将充电过程分为恒流、恒压、浮充三个充电阶段，以我国EB 采用较多的 36V12Ah 铅酸蓄电池组为例，第一阶段以 1.8A 的恒定电流将电池充到约 44.4V；第二阶段将充电电流减小至约 0.3A，再次将电池电压充到 44.4V；第三阶段将电压降至约 41.4V，电流减至约50MA 对电池进行浮充。 从几年来的使用情况看，三段式充电器暴露一些问题。以下仍以 36V12Ah 铅酸蓄电池组为例，谈谈三段式充电器的缺陷和解决方案。 1、三段式充电器忽略了电池的负温度特性

38、三段式充电器充电参数的设定除受所配电池单体极板面积大小、电极特性、电解液密度等因素影响外,，还受蓄电池的环境温度的影响，以 36V 蓄电池组为例，具体充电电压与温度的关系见表 1 温度/() 恒压充电电压 N 浮充充电电压 N 0 46.20 42.48 10 45.36 41.58 20 44.40 40.86 25 44.25 40.50 30 43.74 40.14 35 43.20 39.78 虽然一直以来，人们都明白电化学的温度效应是不能回避的，但却在充电器问题上忽略了。原因可以有很多，但特别应在此指出的是：过去人们对蓄电池容量、寿命与温度之间关系的感触和认识从来没有象今天这样直接和

39、具体，须知，这是千万个 EB 用户参与了“ 实验”的结果。 在我国几乎所有的地区，使用无温度补偿的充电器，都会对电池造成损害。夏季过充，冬季欠充，过充和欠充容易造成电池失水和硫酸盐化，电池失水后，硫酸浓度提高，加剧了板极腐蚀，就更容易产生硫酸盐化，硫酸盐化的电池表现为更容易失水。这是一种连锁反应。铅酸电池硫酸盐化是影响 EB 续驶里程和电池寿命的重要因素。 无温度补尝的充电器究竟对电池的损害有多大，目前还缺少实验数据，对蓄电池进行定量分析要比定性分析复杂困难得多，但以下的数据可以参考：EB 标准规定，铅酸蓄电池的循环次数不得不少于 350 次，但实际上有相当多的电池使用时间不到 8 个月，即循

40、还次数不足 240 次。 充电器增加温度补偿功能并不困难，如只要将原基准电压改为具有负温度系数特性的基准电压，一般就可以了。 2、三段式充电模式缺少修补性充电环节 三段式充电模式的恒流恒压浮充三个充电阶段，都是围绕怎样充满电池来设计的，因此，这三个充电阶段占用了全部充电时间，如 36V12Ah 电池组的充电电流通常被设定为 1.8A，有公式：12(安时）1.2（效率）8（小时）=1.8A。恰好能在标准规定的 8h 内将电池充满，设计时就没打算留出修补电池的时间，更何况三段式充电器一般也不具备修补电池的功能。 产业界向来有人认为：我国的 EB 以采用铅酸蓄电池为主，并且采取的是全动力模式，如电池

41、长期不能达标，我国的 EB 产业将可能有再次夭折的危险。但技术界对此问题的认识是：要想铅酸蓄电池达标，除有待于电池本身的技术进步外，采用充电与修补功能兼备的多功能充电器是解决问题的有效途径。因此，我们建议立即从以下两方面入手对 EB 充电器进行技术改造。一是将 36V12Ah 电池组的充电电流从 1.8A 提高到 3A 以上，用约 4h 的时间对电池进行常规性充电，留出 4h 以上时间对电池进行修补性充电；二是给充电器增加对电池进行修补性充电的功能。 3、关于充电的波形和频率 充电器赖以对电池产生影响的是充电电压、电流及其波形和频率，其中，充电电压主要与电池充得满不满有关，充电电流主要与充电充

42、得快不快有关，而充电的波形和频率则主要与充电充得好好不好有关，这里的“好不好”指得是电池的容量和寿命。实践证明，以上三者虽各有侧重，但其关系是相辅相成、不可忽略的。 充电器属于电源技术领域，在充电过程中强调波形和频率的作用是开关电源出现以后的事，而三段式充电模式出现在线性电源时期，因此，三段式充电模式偏重于充电电压和电流，缺少充电波形和频率方面的内容是情有可原的。现在，EB 配置的充电器全都是用开关电源技术设计的，但却仍采用三段式充电模式，这显然是不相宜的，据我们调查和检测，目前的 EB 充电器还不同程度地存在以下问题： （1）输出纹波太小。有的竟只有 50mV，显然这是将充电器当成稳压电源来

43、做了，也许这种纹波可以用来给锂离子电池充电，但对于 36V 铅酸蓄电池来说，充电脉冲的幅值应以 1-2V 为好。 （2）输出连续三角波。这通常是正激式开关电源充电器才有的波形，由于极化现象的存在，蓄电池忌讳用直流充电，包括连续三角波。常规性充电的最好波形是单端反激式开关电源通常所输出的下降型脉冲，尤其是紧接脉冲之后存在的一段休止时间，还可以消除铅酸蓄电池因充电而产生的电化学极化；比较而言，正激式开关电源充电器的温升虽然可以做得低一些，但其输出波形不如反激式电源，不过这可以通过调整其输出三角波的占空比来加以弥补。 （3）在充电器与电池之间串联有一二极管。其目的可能是为了防止电池通过充电器放电，但

44、这样做是错误的。充电就是需要又充电又放，边充边放，充多放少，哪怕放电只有充电的百分之一，也将会对抑制电池气化和抬高气化电压等产生不可替代的作用。应该认识到，如能在每一常规性充电周期留出几微秒和在修补性充电周期留出几秒钟用来放电，对消除铅酸蓄电池在充电时产生的电化学极化和浓差极化，从而增加和延长电池的容量和寿命将会有决定性意义。 （4）充电频率单调。一个优秀的充电器必须具有多种充电模式：脉冲充电、负脉冲激活、变频充电等模式，只有具备这些技术的充电器才能有效地去除电解液浓度极差、板栅硫酸盐化和极化现象。脉冲充电、高频充电以及变频充电等充电技术，正在被越来越多地应用在充电器上，可以预期，一种兼有常规

45、性充电功能和修补性充电功能的多功能充电器必将替代功能单一的三段式充电器而成为 EB 的主流。 4、一种实用的 EB 多功能充电器的充电模式和参数 如将凡包含常规性充电功能和修补性充电功能的充电器统称为多功能充电器，那么根据以两种充电功能结合方式的不同，可以设计出多种模式的多功能充电器，但从 EB 的适用角度考虑，还是将以上两种充电功能分开来设计好，即将有限的充电时间划分为两个充电时间段，前段时间用来完成常规性充电，后段时间用来进行修补性充电。以下仍以 36V 12Ah 铅酸蓄电池组为例，介绍一种实用的多功能充电器的充电模式和参数。 4、1 常规性充电阶段 （1）电源类型：单端反激式开关电源；

46、（2）满输出充电频率：25kHz，即充电电源 3A 时的电源工作频率； （3）充电波形：下降型三角脉冲； （4）脉冲幅度：约 1.6V； （5）脉冲最大宽度：约 25s； （6）充电休止时间：约 15s； （7）放电电流：约 50mA； （8）充电平均电流：3A； （9）充电峰值电流：约 10A； （10）充电时间：约 4h，即充电 4h 后，电池电压应上升到 43.2V（常温） ，容量已达 75%以上； （11）减流转折电压：常温下 43.2V，该电压为“气化点电压 ”，即在用直流充电的情况下，此时铅酸电池的电解液已开始大量气化。以下转入修补性充电阶段。 4.2 修补性充电阶段 （1）线性减

47、流及范围：电池电压上升到 43.2V（常温）时，充电电流开始减小，减小的速率呈线性，平均充电电流从 3A 最终减为不小于 0.3A，或峰值充电电流从约 10A 减为 1A； （2）充电频率变化范围：线性减流时，随着充电电流的减小，充电频率开始上升，其变化范围为 25-100kHz； （3）充电终止电压：参见表 1 列出的“恒压充电电压”，该电压相当于“气化点电压”加约 1.2V，当电池电压上升至该电压时，充电器终止充电； （4）重起动电压：参见表 1 列出的“浮充充电电压”，终止充电后，电池电压下降，当降至重起动电压时，充电器将再次起动将电池充到充电终止电压，而后充电终止，电池电压再次下降，充电将循环反重地进行下去； （5）充电终止时间：终止充电后，电池电压下降的时间起先较快，约几秒钟，随着时间推移，终止充电的时间会越来越长，可达几分钟以上； （6）修补性充电的延续时间：4h 以上不限。