專利名稱：恒壓脈沖快速充電法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種蓄電池充電方法，尤其是一種恒壓脈沖快速充電法。
技術背景隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，通訊、交通等領域?qū)π铍姵氐氖褂迷絹碓蕉啵?研究與蓄電池有關的技術，提高蓄電池的充電和儲能效率，節(jié)約有限的能源， 提高蓄電地W吏用壽命，成為該領域的重要課題。目前，國內(nèi)外現(xiàn)行的充電技術一般規(guī)定充電電流不得大于O. 1 c (c是蓄電 池額定容量)，即10小時率充電，充電時間長達14小時以上。4艮顯然，這樣的 充電方式充電時間^^艮長，不論是對于經(jīng)常停電的地區(qū)，還是應急充電來說，均 不能滿足要求。因此，需要采用快充方法。目前在業(yè)界普遍采用的蓄電池快速充電方法主要有以下幾種1. 脈沖式充電法，這種充電法不4義遵循蓄電池固有的充電接受率，而且能 夠提高蓄電池充電接受率，從而打破了蓄電池指數(shù)充電接受曲線的限制，這也 是蓄電池充電理論的新發(fā)展。脈沖充電方式首先是用脈沖電流對電池充電，然 后讓電池停充一段時間，如此循環(huán)，如圖1所示。充電脈沖使蓄電池充滿電量， 而間歇期使蓄電池經(jīng)化學反應產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉， 使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下 一輪的恒流充電能夠更加順利地進行，使蓄電池可以吸收更多的電量。間歇脈 沖使蓄電池有較充分的反應時間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電電流接 受率。2. 變電流間歇充電法，這種充電方法建立在恒流充電和脈沖充電的基礎上， 如圖2所示。其特點是將恒流充電段改為限壓變電流間歇充電段。充電前期的 各段采用變電流間歇充電的方法，保證加大充電電流，獲得絕大部分充電量。充電后期釆用定電壓充電段，獲得過充電量，將電池恢復至完全充電態(tài)。通過 間歇停充，使蓄電池經(jīng)化學反應產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉， 削弱或使電化學極化、濃差極化和歐姆極化自然而然的得到消除，從而減輕蓄 電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進^f亍，^吏蓄電池可以吸收更 多的電量。3. 變電壓間歇充電法，如圖3所示。與變電流間歇充電方法不同之處在于 第一階段的不是間歇恒流，而是間歇恒壓。該方法更加符合最佳充電曲線。在 每個恒電壓充電階段，充電電流自然按照指數(shù)規(guī)律下降，符合電池電流可接受 率隨著充電的進行逐漸下降的特點。4. 變電壓變電流波浪式間歇正負零脈沖快速充電法，如圖4所示，脈沖電 流幅值和PWM信號的頻率均固定，PWM占空比可調(diào)，在此基礎上加入間歇停充階 段，能夠在較短的時間內(nèi)充進更多的電量，提高蓄電池的充電接受能力。現(xiàn)行快速充電方法的缺點是所提供的充電電流與電池的接受能力不相匹 配，充電時間較長，又不能準確判斷何時電已充足而中斷終止充電，因而不能 避免過充，導致較高的溫升，及大量析氣，以致?lián)p害電極極板活性物質(zhì)，電流 效率充電效率降低，電池容量下降，影響電池壽命，乃至快充過程中發(fā)生爆炸。 傳統(tǒng)的充電理論認為，充電速率越大，析氣及溫升越大.要對蓄電池實現(xiàn)快充， 涉及的中心問題是析氣、溫升及電池壽命三大問題。因此，減少及降低充電過 程中析氣及溫升，不危及或者提高電池壽命，是研制蓄電池快速充電方法的技 術關鍵。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明需要解決的技術問題是提供一種恒壓脈沖快速充電法，該方法充電 速度快、充電效率高、溫升小、析氣少、對電池損害小、才喿作簡單。為解決上述問題，本發(fā)明所采取的技術方案是 一種恒壓脈沖快速充電法， 保持恒定的充電電壓，以恒定周期的充電脈沖對蓄電池充電，其每個充電周期 的充電電流曲線包括正脈沖充電、零脈沖停充、負脈沖放電、零脈沖停放四個階段，其中正脈沖充電電流幅度初始值為1C并隨充電時間呈指數(shù)變化，負脈沖 放電電流幅度始終為2C。所述充電周期為120-240s。所述每個充電周期中零脈沖停充、負脈沖放電、零脈沖停放脈沖寬度分別為 119 - 239s、 500_700ms、 50-150ms、 200-400ms。所述最佳充電周期為180s,每個充電周期中正脈沖、零脈沖、負脈沖、零 脈沖寬度分別為179s、 600ms、 100ms、 300ms。充電過程中通過檢測電池端電壓和充電電流的大小，與電池充滿狀態(tài)的設 定值進行比較，來控制充電終止。采用上述技術方案所產(chǎn)生的有益效果在于本發(fā)明集恒壓充電法與脈沖充 電法的優(yōu)點于一體，以恒壓的大電流進行充電，并采取瞬間放電和停充等去極 化措施，形成周期性充電脈沖，使蓄電池接近初始充電狀態(tài)；該方法具有充電 時間短、充電效率高、溫升小、析氣少，4喿作筒單等特點，可適用于各種類型 的鉛酸蓄電池充電。


圖l是脈沖式充電曲線；圖2是變電流間歇充電曲線；圖3是變電壓間歇充電曲線；圖4是波浪式間歇正負零脈沖快速充電；圖5是蓄電池最佳充電曲線；圖6是采用本發(fā)明方法的充電曲線。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述如圖5所示，蓄電池的最佳充電電流曲線呈指數(shù)形式，該曲線表明了蓄電 池充電時的接受能力。因此，要想實現(xiàn)快速充電時，不損害蓄電池電池性能， 不大量析氣，不產(chǎn)生較高的溫升，不損害電極活性物質(zhì)，必須使充電電流曲線盡量接近甚至等同于最佳充電曲線，而恒壓充電的充電曲線是最接近最佳充電 曲線的，因此，本發(fā)明人采用恒壓充電方式為基礎對蓄電池進行充電，即以蓄 電池"電流接受能力"對蓄電池進行充電，同時，為了解決在恒壓充電方式下， 蓄電池容易產(chǎn)生極化的現(xiàn)象，加入負脈沖方式消除極化，使蓄電池始終處于最 佳的電流接受狀態(tài)，提高蓄電池的充電電流接受能力，構成本發(fā)明的恒壓脈沖快速充電法。其工作原理是在恒壓充電狀態(tài)下，蓄電池充電電流很大，蓄電 池接受能力較強，隨著充電時間的延長，電流呈指數(shù)規(guī)律變化，由此產(chǎn)生的歐 姆極化、濃差極化、電化學極化阻礙了蓄電池的接受能力，使電流曲線偏離最 佳曲線，同時，產(chǎn)生熱量，析出氬氣和氧氣，吸附在極板表面，進一步阻礙充 電的進行，而負脈沖放電正好能夠消除這些極化現(xiàn)象，使產(chǎn)生的氧氣和氬氣重 新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了 蓄電池的內(nèi)壓，使下一周期的恒壓充電能夠更加順利地進行，使蓄電池可以吸 收更多的電量。恒壓充電的主要優(yōu)點是充電電流隨蓄電池端電壓的升高而逐漸減小，其充 電特性接近蓄電池充電接受特性；同時，恒壓充電過程初期由于蓄電池端電壓 較低，充電電流較大，因而充電速度較快。脈沖充電法的主要優(yōu)點是采取瞬間 放電和(或)停充等去極化措施，以比常規(guī)充電大得多的電流進行充電，大大 縮短了充電時間。本發(fā)明將恒壓充電法與脈沖充電法進行結合，集其優(yōu)點于一 體，首先以恒壓的大電流進行充電，在充電過程中，雖然充電電流呈指數(shù)規(guī)律 逐漸減小，但仍會產(chǎn)生極化，當極化嚴重到使充電電流顯著減小時，采取瞬間 放電和停充的去極化措施，消除極化，使蓄電池在每個充電周期的開始始終盡 量接近初始充電狀態(tài)，再以恒壓的大電流進行充電，如此往復，形成周期性的 脈沖充電方式，其每個周期的波形依次為正脈沖充電、零脈沖停充、負脈沖放 電、零脈沖停放(參考圖6)。由于充電電流的大小直接影響充電時間，并且每個充電周期的充電時間、 停充時間、放電時間均影響極化的產(chǎn)生和消除，相應的影響充電時間。為了使充電電流曲線無限接近最佳充電曲線，需要對各個充電參數(shù)進行理論計算和試 驗測定，以確定最佳充電電流曲線。下面通過具體實施例對本發(fā)明的方法進一步說明基于傳統(tǒng)充電理論，發(fā)明人經(jīng)過一系列的試驗得出，待充蓄電池恒壓下的 初始充電電流為1C時，即能很快充滿，又不會產(chǎn)生較大的溫升，析氣也較少。 基于現(xiàn)有技術理論，負脈沖充電可以消除極化現(xiàn)象，并且當負脈沖幅度為2C時， 可以較快較好的消除極化。實施例1定義初始充電電流1C，負脈沖放電電流2C，脈沖周期120S，其中正脈沖充 電時間為119s,零脈沖停充500ms，負脈沖放電50ms、零脈沖停放450ms，在 標準實驗室環(huán)境下進行充電試驗，充滿總充電時間(檢測停充)3h,實測蓄電 池電解液比重，已經(jīng)充滿，充電過程中蓄電池溫升4艮小，析氣;f艮少。實施例2調(diào)整零脈沖停充為70Oms,負脈沖放電5 Oms 、零脈沖停放25Oms,其它條件 與實施例1相同，充滿總充電時間(檢測停充)3h,實測蓄電池電解液比重， 已經(jīng)充滿，充電過程中蓄電池溫升很小，析氣很少。實施例3調(diào)整零脈沖停充為600ms,負脈沖放電100ms、零脈沖停放300ms,其它條 件與實施例l相同，充滿總充電時間U全測停充)3h，實測蓄電池電解液比重， 已經(jīng)充滿，充電過程中蓄電池溫升很小，析氣很少。實施例4調(diào)整零脈沖停充為600ms，負脈沖放電150ms、零脈沖?！氛?50ms，其它條 件與實施例1相同，充滿總充電時間(檢測停充)3. lh,實測蓄電池電解液比 重，已經(jīng)充滿，充電過程中蓄電池溫升很小，析氣#>少。實施例5調(diào)整脈沖周期為240s,并將正脈沖沖電時間調(diào)整為239s，其它條件與實施例1相同，充滿總充電時間(檢測停充)0. 4h，實測蓄電池電解液比重，蓄電 池并未充滿，充電過程中蓄電池溫升較高，析氣較多。 實施例6調(diào)整脈沖周期為180s，并將正脈沖沖電時間調(diào)整為179s，其它條件與實施 例1相同，充滿總充電時間(檢測停充)1. 2h,實測蓄電池電解液比重，已經(jīng) 充滿，充電過程中蓄電池溫升很小，析氣很少。實施例7調(diào)整脈沖周期為180s，并將正脈沖沖電時間調(diào)整為179s,調(diào)整零脈沖停充 為700ms，負脈沖放電50ms、零脈沖停放250ms，其它條件與實施例l相同，充 滿總充電時間(檢測停充)1.2h,實測蓄電池電解液比重，已經(jīng)充滿，充電過 程中蓄電池溫升很小，析氣很少。實施例8調(diào)整脈沖周期為180s,并將正脈沖沖電時間調(diào)整為179s,調(diào)整零脈沖停充 為600ms，負脈沖放電100ms、零脈沖停放300ms，其它條件與實施例l相同， 充滿總充電時間(檢測停充)l. lh，實測蓄電池電解液比重，已經(jīng)充滿，充電 過程中蓄電池溫升很小，析氣很少。實施例9調(diào)整脈沖周期為180s，并將正脈沖沖電時間調(diào)整為179s，調(diào)整零脈沖停充 為6OOms ，負脈沖放電15Oms 、零脈沖停放25Oms ，其它條件與實施例1相同， 充滿總充電時間(檢測停充)1, lh,實測蓄電池電解液比重，已經(jīng)充滿，充電 過程中蓄電池溫升很小，析氣很少。通過上述實施例可以看出，采用本發(fā)明方法對蓄電池充電，在初始充電電 流和負脈沖放電電流已經(jīng)確定的情況下，其充電時間主要取決于每個周期中正 脈沖充電時間的長短，經(jīng)試驗測定，在周期為180s,正脈沖充電時間為179s時， 充電時間較短，且對蓄電池性能無影響，蓄電池在充放電過程中始終存在電化 學極化、濃差極化及主要由前兩種極化引起的歐姆極化，停充脈沖一方面給極板表面近區(qū)利于充電的電化學反應提供時間，另一方面給充電脈沖在極板表面 近區(qū)形成的高濃度石危酸向極板表面遠區(qū)的擴散提供時間。因此停充脈沖利于消 除充電脈沖形成的三種極化，而放電脈沖則以逆變形式消除充電脈沖形成的三 種極化， 一方面在極板表面近區(qū)放電的電化學反應，利于下一周期的充電過程， 另 一方面在極板表面近區(qū)消耗一部分充電脈沖形成的高濃度硫酸，試圖使極板 表面近區(qū)和遠區(qū)的硫酸濃度趨同。停放脈沖一方面試圖消除放電脈沖在極板表 面極近的區(qū)域可能形成的輕微放電極化，另一方面繼續(xù)發(fā)揮停充脈沖的作用。 因此，本發(fā)明設計停充脈沖、放電脈沖及停放脈沖是合理的。由于充電脈沖形成的極化是主要的，故在時間安排上停充脈沖最長，停放 脈沖次之，放電脈沖最短。在同等條件下，負脈沖放電時間影響充電效果和時間，但影響不大。這也通過實施例8及實施例9得到了驗證。經(jīng)試驗測定，在 周期為180s，正脈沖充電時間為179s時，充電時間4史短，且對蓄電池性能無影 響，通過進一步試驗測定，在同等條件下，負脈沖放電時間影響充電效果和時 間，但影響不大。通過上述實施例，可以得出本發(fā)明的最佳實施方案為，保持恒定的電壓， 以周期為180s的充電脈沖對蓄電池充電，其每個充電周期中正脈沖充電時間為 179s、零脈沖停充600ms、負脈沖放電100ms、零脈沖停放300ms,其中正脈沖 充電電流幅度初始值為1C并隨充電時間呈指數(shù)變化，負脈沖放電電流幅度始終 為2C。本發(fā)明還對充電完成時停充的檢測方法做了改進，本發(fā)明將傳統(tǒng)的端電壓 檢測和充電電流檢測兩種檢測方式結合起來判斷電池狀態(tài)，消除了單純端電壓 檢測和單純充電電流檢測的弊端，不存在誤檢測，保證電池能夠充滿。
權利要求
1、一種恒壓脈沖快速充電法，其特征在于保持恒定的充電電壓，以恒定周期的充電脈沖對蓄電池充電，其每個充電周期的充電電流曲線包括正脈沖充電、零脈沖停充、負脈沖放電、零脈沖停放四個階段，其中正脈沖充電電流幅度初始值為1C并隨充電時間呈指數(shù)變化，負脈沖放電電流幅度始終為2C。
2、 根據(jù)權利要求l所述的恒壓脈沖快速充電法，其特征在于所述充電周期 為120-240s。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的恒壓脈沖快速充電法，其特征在于所述每個 充電周期中零脈沖停充、負脈沖放電、零脈沖停放脈沖寬度分別為119 - 239s、 500-700ms、 50-150ms、 200-400ms。
4、 根據(jù)權利要求l所述的恒壓脈沖快速充電法，其特征在于所述最佳充電 周期為180s，每個充電周期中正脈沖、零脈沖、負脈沖、零脈沖寬度分別為 179s、 600ms、 100ms、 300ms。
5、 根據(jù)權利要求l所述的恒壓脈沖快速充電法，其特征在于充電過程中通 過檢測電池端電壓和充電電流的大小，與電池充滿狀態(tài)的設定值進行比較，來 控制充電終止。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種恒壓脈沖快速充電法，該方法以恒定的充電電壓，以恒定周期的充電脈沖對蓄電池充電，其每個充電周期的充電電流曲線包括正脈沖充電、零脈沖停充、負脈沖放電、零脈沖停放四個階段，其中正脈沖充電電流幅度初始值為1C并隨充電時間呈指數(shù)變化，負脈沖放電電流幅度始終為2C。本發(fā)明集恒壓充電法與脈沖充電法的優(yōu)點于一體，以恒壓的大電流進行充電，并采取瞬間放電和停充等去極化措施，形成周期性充電脈沖，使蓄電池接近初始充電狀態(tài)；該方法具有充電時間短、充電效率高、溫升小、析氣少，操作簡單等特點，可適用于各種類型的鉛酸蓄電池充電。
文檔編號H01M10/44GK101404346SQ20081007978
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月19日 優(yōu)先權日2008年11月19日
發(fā)明者傅孝忠, 安振濤, 宣兆龍, 戴祥軍, 武洪文, 平 王, 王長龍, 賈英江 申請人:中國人民解放軍軍械工程學院