請問鉛酸蓄電池怎麼充電,原理是什麼?

天龍長笑


鉛酸電池對充電條件要求不是很高,也不是很精確。充電可以採用恆流限壓、恆壓限流、脈衝等充電方式。蓄電池的單體電壓為2V,常見的12V電池,內部就是有6個單體電池串聯而來的。充電時最高電壓不要超過15V,維持在14.5V左右即可。



恆流充電不容易掌控,因為恆流充電時為了保證充電電流的恆定,電池兩端的電壓是在不斷變化的。初期電池兩端電壓比較低,隨著充電時間延長,電池兩端電壓會逐步上升。如果不及時斷電或限制電壓上升那麼電池兩端電壓就會超過15V,電解液會沸騰。電池會失水,極板活性物質會脫落,影響電池壽命。所以恆流充電必須帶有限壓電路。電壓最高控制在14-15V左右。

恆壓充電電池兩端電壓是恆定不變的,例如固定到14.4V。而充電電流是不能控制的。例如汽車發電機,就是恆壓充電方式,調節器控制發電機輸出電壓不會超過15V。當然轉速低電壓也會低。目前大多數簡易的充電器都是採用的恆壓方式,缺點是初期充電電流過大,對電瓶壽命有影響。早期的鐵芯充電器都帶有電流調節檔位,其實就是調節電壓的,粗調電壓來控制電流。初期電壓調低一點,避免充電電流過大,電池電壓回升電流減小後可以繼續調整充電檔位,逐步提高電壓,保證電瓶充滿電。


目前市售的電子式充電器多數是以恆壓限流的方式充電。電壓恆定在14.4V,電流限制在10安以下。型號不同,電流也不同。充電速度也不一樣。鉛酸蓄電池最理想的充電電流就是0.1C,也就是電瓶容量的1/10,例如100AH的電瓶充電電流取10A。但實際使用中充電電流稍高一點也是沒有問題的。


水墨丹青一世情


法國人普蘭特於1859年發明鉛酸蓄電池,已經歷了近150年的發展歷程,鉛酸蓄電池在理論研究方面,在產品種類及品種、產品電氣性能等方面都得到了長足的進步,不論是在交通、通信、電力、軍事還是在航海、航空各個經濟領域,鉛酸蓄電池都起到了不可缺少的重要作用。根據鉛酸蓄電池結構與用途區別,粗略將電池分為四大類:1、啟動用鉛酸蓄電池;2、動力用鉛酸蓄電池;3、固定型閥控密封式鉛酸蓄電池;4、其它類,包括小型閥控密封式鉛酸蓄電池,礦燈用鉛酸蓄電池等。 鉛酸電池構造 一個單格鉛酸電池的標稱電壓是2.0V,能放電到1.5V,能充電到2.4V。在應用中,經常用6個單格鉛酸電池串聯起來組成標稱是12V的鉛酸電池。還有24V、36V、48V等。




充電原理

鉛蓄電池內的陽極(PbO2)及陰極(Pb)浸到電解液(稀硫酸)中,兩極間會產生2V的電力,這是根據鉛蓄電池原理,經由充放電,則陰陽極及電解液即會發生如下的變化: (陽極) (電解液) (陰極)  PbO2 + 2H2SO4 + Pb = PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (放電反應)  (二氧化鉛) (硫酸) (海綿狀鉛)  PbO2 中Pb的化合價降低,被還原,負電荷流動;海綿狀鉛中Pb的化合價升高,正電荷流動。(陽極) (電解液) (陰極)  PbSO4 + 2H2O + PbSO4=PbO2 + 2H2SO4 + Pb (充電反應) (必須在通電條件下) (硫酸鉛) (水) (硫酸鉛)  第一個硫酸鉛中鉛的化合價升高,被氧化,正電荷流入正極;第二個硫酸鉛中鉛的化合價降低,被還原,負電荷流入負極。1、放電中的化學變化 :蓄電池連接外部電路放電時,稀硫酸即會與陰、陽極板上的活性物質產生反應,生成新化合物硫酸鉛。經由放電硫酸成份從電解液中釋出,放電愈久,硫酸濃度愈稀薄。所消耗之成份與放電量成比例,只要測得電解液中的硫酸濃度,亦即測其比重,即可得知放電量或殘餘電量。2、充電中的化學變化:由於放電時在陽極板,陰極板上所產生的硫酸鉛,會在充電時被分解還原成硫酸,鉛及二氧化鉛,因此電池內電解液的濃度逐漸增加, 亦即電解液之比重上升,並逐漸回覆到放電前的濃度,這種變化顯示出蓄電池中的活性物質已轉換到可以再度供電的狀態,當兩極的硫酸鉛被轉變成原來的活性物質時,即等於充電結束,而陰極板就產生氫,陽極板則產生氧,充電到最後階段時,電流幾乎都用在水的電解,因而電解液會減少,此時應以純水補充之。

充電方法

1)恆定電流充電法

在充電過程中充電電流始終保持不變,叫做恆定電流充電法,簡稱恆流充電法或等流充電法。在充電過程中由於蓄電池電壓逐漸升高,充電電流逐漸下降,為保持充電電流不致因蓄電池端電壓升高而減小,充電過程必須逐漸升高電源電壓,以維持充電電流始終不變,這對於充電設備的自動化程度要求較高,一般簡陋的充電設備是不能滿足恆流充電要求的。恆流充電法,在蓄電池最大允許的充電電流情況下,充電電流越大,充電時間就可以縮短。若從時間上考慮,採用此法有利的。但在充電後期若充電電流仍不變,這時由於大部分電流用於電解水上,電解液出氣泡過多而顯沸騰狀,這不僅消耗電能,而且容易使極板上活性物質大量脫落,溫升過高,造成極板彎曲,容量迅速下降而提前報廢。所以,這種充電方法很少採用。

2)恆定電壓充電法

在充電過程中,充電電壓始終保持不變,叫做恆定電壓充電法,簡稱恆壓充電法或等壓充電法。由於恆壓充電開始至後期,電源電壓始終保持一定,所以在充電開始時充電電流相當大,大大超過正常充電電流值。但隨著充電的進行,蓄電池端電壓逐漸升高,充電電流逐漸減小。當蓄電池端電壓和充電電壓相等時,充電電流減至最小甚至為零。由此可見,採用恆壓充電法的優點在於,可以避免充電後期充電電流過大而造成極板活性物質脫落和電能的損失。但其缺點是,在剛開始充電時,充電電流過大,電極活性物質體積變化收縮太快,影響活性物質的機械強度,致使其脫落。而在充電後期充電電流又過小,使極板深處的活性物質得不到充電反應,形成長期充電不足,影響蓄電池的使用壽命。所以這種充電方法一般只適用於無配電設備或充電設備較簡陋的特殊場合,如汽車上蓄電池的充電,1號至5號乾電池式的小蓄電池的充電均採用等壓充電法。採用等壓充電法給蓄電池充電時,所需電源電壓:酸性蓄電池每個單體電池為2.4~2.8V左右,鹼性蓄電池每個單體電池為1.6~2.0V左右。

3)有固定電阻的恆定電壓充電

為補救恆定電壓充電的缺點而採用的一種方法。即在充電電源與電池之間串聯一電阻,這樣充電初期的電流可以調整。但有時最大充電電流受到限制,因此隨充電過程的進行,蓄電池電壓逐漸上升,電流卻幾乎成為直線衰減。有時使用兩個電阻值,約在2.4V時,從低電阻轉換到高電阻,以減少出氣。

4)階段等流充電法

綜合恆流和恆壓充電法的特點,蓄電池在充電初期用較大的電流,經過一段時間改用較小的電流,至充電後期改用更小的電流,即不同階段內以不同的電流進行恆流充電的方法,叫做階段恆流充電法。階段恆流充電法,一般可分為兩個階段進行,也可分為多個階段進行。

階段等流充電法所需充電時間短,充電效果也好。由於充電後期改用較小電流充電,這樣減少了氣泡對極板活性物質的沖刷,減少了活性物質的脫落。這種充電法能延長蓄電池使用壽命,並節省電能,充電又徹底,所以是當前常用的一種充電方法。一般蓄電池第一階段以10h率電流進行充電,第二階段以20h率電流進行充電。各階段充電時間的長短,各種蓄電池的具體要求和標準不一樣。

5)浮充電法

間歇使用的蓄電池或僅在交流電停電時才使用的蓄電池,其充電方式為浮充電式。一些特殊場合使用的固定型蓄電池一般均採用浮充電方法對蓄電池進行充電。浮充電法的優點主要在於能減少蓄電池的析氣率,並可防止過充電,同時由於蓄電池同直流電源並聯供電,用電設備大電流用電時,蓄電池瞬時輸出大電流,這有助於鎮定電源系統的電壓,使用電設備用電正常。浮充電法的缺點是個別蓄電池充電不均衡和充不足電,所以需要進行定期的均衡充電。

快速充電

1)定電流定週期快速充電法

這種方法的特點是,以電流幅度恆定和週期恆定的脈衝充電電流對蓄電池充電,兩個充電脈衝之間有一放電脈衝進行去極化,以提高蓄電池的充電接受能力。在充電過程中,充電電流及其脈寬不受蓄電池充電狀態的影響。因此,它是一種開環式脈衝充電。這種充電方法易使蓄電池充滿容量,但如果不增加防止過充電的保護裝置,容易造成強烈的過充電,影響蓄電池的使用壽命。在這種充電方法中,雖然整個充電過程均加有去極化措施,但是這種固定的去極化措施,難於適合充電全過程的要求。

2)定電流定出氣率脈衝充電放電去極化快速充電法

這種充電方法的特點是:在整個充電過程中,充電電流脈衝的幅值和蓄電池的出氣率始終保持不變。充電過程初期,充電電流略低於蓄電池的初始接受電流。在充電過程中,由於蓄電池可接受的電流逐漸減小,所以經過一段時間後,充電電流將超過蓄電池的可接受電流,因而蓄電池內將產生較多的氣體,出氣率顯著增加。此時,氣體檢測元件能夠及時發出控制信號,迫使蓄電池停止充電,進行短時放電。這樣蓄電池內部的極化作用很快消失,因而出氣率可以始終保持在較低的預定值內。國外有這樣的方案。國內因缺少氣體敏感元件, 對這種方法很少研究。

3)定電流定電壓脈衝充電放電去極化快速充電法

這種充電方法的特點是,以恆定大電流充電,待充到一定電壓(相當於蓄電池出氣點的電壓)時,停止充電並進行大電流(或小電流)放電去極化,然後再以恆定大電流充電,依此,充放電過程交替地進行。放電脈衝的頻率隨充人電量的增加而增加,充電脈衝的寬度隨充人電量的增加而減少。當充電量和放電量基本相等時,表示蓄電池已充滿電,立即結束充電。

根據這種方法,國內外都有多種方案來實現蓄電池快速充電。這種方法,充電初期無去極化措施。在加有去極化措施後充電脈衝寬度不斷減小,使得充電電流平均值下降較快,延長了充電時間。

4)定電流提升電壓脈衝充電放電去極化快速充電法

這種方法是定電流定電壓脈衝充電放電去極化快速充電方法的改進。它是以恆定電流(如IC)充電,當蓄電池電壓達到充電出氣點電壓後(單格電池電壓2. 35~2.5V)時,停止充電並進行放電(如放電電流2~3C,脈衝寬度為1ms),然後再充電。從加有放電去極化脈衝以後,用積分器件階梯形跟蹤調高充電控制電壓(提升出氣點電壓),以加快充電速度和提高充滿程度。其它和定電流定電壓法相同。

5)定電壓定頻率脈衝充電放電去極化快速充電法

這種方法的特點是,充電脈衝的電壓幅值保持恆定,隨著充電過程的進行,蓄電池電動勢逐漸上升,充電電流幅值逐漸減小,充電脈衝電流的頻率恆定,在兩個充電脈衝之間加有放電去極化脈衝。

6)端電壓和充放電頻率選擇脈衝充電放電去極化快速充電法

這種方法的特點是,根據蓄電池充電過程中的極化情況選擇充放電脈衝的頻率,並在充電後期將蓄電池端電壓限定在預選的數值,使出氣率限制在一定的容許值。

7)適應全過程去極化脈衝充電放電去極化快速充電法

這種方法的特點是,在充電全過程都適時加有去極化的放電脈衝,在放電脈衝後充電電流恢復之前,均進行去極化效果檢測,達到一定去極化效果再轉回充電,否則再次進行去極化放電,直至達到去極化要求的效果才轉回充電,這樣,可使去極措施適應全過程。這種方案能有效地將氣體析出量抑制在很小的數值內。

理想充電

我國常規充電制度,是在缺乏對於充電規律認識的情況下,被迫採用的不合理的充電方法。常規充電方法的缺點就是充電時間長、效率低、出氣量大、蓄電池的利用週轉率低、充電管理制度繁雜等。這種充電制度的落後性與蓄電池應用的廣泛性是存在著一定的矛盾的。為此,在充電領域內,必須加強對充電規律的認識和研究,逐步探討一套既快又好的充電制度,以使蓄電池適應於各部門經濟發展的需要和國防建設的需要。

1)三階段充電法

航空蓄電池均採用階段恆流充電法進行充電。一般酸性航空蓄電池採用恆流兩階段充電法。鹼性航空蓄電池採用恆流兩階段充電法或恆流一階段充電法。但這種充電法在充電中間階段遠離了充電電流接受率曲線,所以三階段充電法更好一點。

鉛酸電池

三階段充電法是兩階段等流充電法和恆定等壓充電法相結合的方式。充電開始和結束時採用恆定電流,中間階段為恆定電壓充電。蓄電池在充電初期用較大的電流,經過一段時間改為恆定電壓充電,當電流衰減到預定值時,由第二階段轉到第三階段。採用三階段充電法的優點是:避免了恆定電壓充電法開始充電電流過大,而後期電流又過小的情況,比二階段等流充電在中間階段更接近充電電流接受率曲線。這種充電法減少了充電出氣量,充電又徹底,延長了蓄電池使用壽命。三階段充電法充電電流和充電電壓變化曲線如圖1所示。


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