蓄電池的種類與充電方法

肖 莉 陳雪鋒

(江西省化學(xué)工業(yè)學(xué)校，江西 南昌 330012)

1 蓄電池種類

常用的化學(xué)蓄電池種類繁多，包括有鉛酸電池、鎘鎳電池、鎳氫電池以及鋰離子電池等等。隨著電動汽車的發(fā)展，對作為主電源或能量儲存系統(tǒng)的蓄電池的要求也越來越高，對于電池的選擇和使用也相應(yīng)的變化。

鉛酸電池由于它良好的過充能力、相對簡單的運(yùn)行維護(hù)管理以及其低廉的價格到目前為止仍然占據(jù)著重大的市場份額，特別是要求低成本的場合應(yīng)用最廣。鎘鎳電池雖然有著有良好的過充過放能力，但由于其重金屬鎘的嚴(yán)重污染問題已逐漸退出市場。鎳氫電池單體電壓最低，但它具有良好的充放電能力，能提供比鉛酸電池更大的瞬時電流，在眾多領(lǐng)域包括電力系統(tǒng)在內(nèi)均有廣泛的應(yīng)用，尤其是在電動汽車上有眾多應(yīng)用。

鋰離子電池在眾多常用的蓄電池中單體電壓最高，有比其它電池更高的能量體積比，體積小重量輕也逐漸地占有越來越大的市場份額，但由于其較高的價格限制了它的應(yīng)用。鋰離子電池的類型比較多，有傳統(tǒng)的鋰離子電池之外還有相對更安全的硼酸鐵鋰電池，但后者的單體電壓稍低。鋰離子電池在移動終端設(shè)備已占據(jù)統(tǒng)治地位，而在電動汽車上也有越來越廣泛地應(yīng)用。

有學(xué)者[1]對各種電池進(jìn)行研究，認(rèn)為鋰離子電池表現(xiàn)出高能量密度和功率密度，因此適合作為能量存儲系統(tǒng)。研究人員[2]-[5]認(rèn)為鋰離子電池綜合評價最優(yōu)，是電動汽車動力電池的發(fā)展方向。以磷酸鐵鋰以例，其單節(jié)電池充電終止電壓上限為3.65V，放電終止電壓下限值為2.0V，標(biāo)稱電壓為3.2V，單位質(zhì)量能量比高達(dá)60-75Wh/kg，單位體積能量比高達(dá)220-240Wh/L，循環(huán)壽命可達(dá)1000次以上，可以2C 大電流快速充放電，使用安全，耐高溫，磷酸鐵鋰電池電熱峰值可達(dá)350-500℃，相比同等容量規(guī)格的磷酸鐵鋰電池的體積只有鉛酸電池的 2/3，重量只有鉛酸電池的1/3 。而表1對鎳氫電池與鋰離子電池的性能進(jìn)行了比較。

表1 鎳氫電池與鋰離子電池性能比較

綜合比較各種化學(xué)電池，鋰離子電池卓越的性能將會有更大的競爭優(yōu)勢并有更多的應(yīng)用特別是在電動汽車領(lǐng)域。

2 充電方法

根據(jù)對蓄電池充電時的能量裝換的方式不同，可以分為接觸式和非接觸式。非接觸式目前應(yīng)用主要是利用高頻交流磁場的變壓器原理，將電能從原方感應(yīng)到副方，以達(dá)到給蓄電池充電的目的，由于充電器與電動車之間并無直接的電氣接點(diǎn)接觸，它最大的優(yōu)點(diǎn)是安全，在煤礦等要求安全性能較高的場合有一定的應(yīng)用，同時在醫(yī)療上也有一定的應(yīng)用。目前而言，接觸式充電是電池的主要充電方式。

由于電池化學(xué)特性與結(jié)構(gòu)不同，往往需要各種不同的充電方法進(jìn)行充電及電池管理。與此同時，蓄電池充電器也各具特色的不同性能與充電管理方式。化學(xué)蓄電池充電的方式有很多，按照充電方式的不同可以進(jìn)行不同的分類。其中最常見也是目前應(yīng)用最多的是三段式充電方式(即將充電過程分為恒流充電、恒壓充電和浮充充電)及其相關(guān)方法包括恒壓限流與恒流限壓法等。

圖1 傳統(tǒng)三段式充電方式

恒流充電階段，充電電流保持恒定，隨著充入電量增加，電池電壓也持續(xù)上升；恒壓充電階段，充電電壓保持恒定，充入電量仍然繼續(xù)增加，但充電電流不斷下降；最后浮充階段，蓄電池已充滿，充電電流下降，蓄電流的極化過電勢逐漸消失，充電器充電電壓降低，浮充充電階段，充電器充電電壓保持為浮充電壓。目前此方式或其派生的方式占據(jù)了主要的市場份額，也是使用最多的充電方式。

傳統(tǒng)的充電方式技術(shù)成熟，但它的充電時間比較長，對于要求有時間要求的場合就有弊端。根據(jù)馬斯三定律，近年來也有相對較新的脈沖式快速充電方法不斷涌現(xiàn)[6]-[10]。

脈沖式快速充電方法如圖2所示。脈沖充電法提供一個休息時間提供電池內(nèi)部電解液平衡恢復(fù)時間，減少極化現(xiàn)象，達(dá)到降低極板溫度與提升充放電效率。由于插入了充電休息時間，使得可以提供更大充電電流脈沖以縮短充電時間從而達(dá)到快速充電目的。

圖2 脈沖充電方式

ReflexTM充電法是脈沖充電法中改良方式中極具代表的一種，如圖3所示。此方法就是在充電過程中于每一充電脈沖后產(chǎn)生一個放電脈沖，并形成正負(fù)脈沖之充電電流，利用負(fù)脈沖所提供所謂的電池“打嗝”時間，用以消除電極氣泡，可以降低充電過程中電極溫度與極化阻抗，使得充電能量可以更多地轉(zhuǎn)移為蓄電池化學(xué)能，降低蓄電池的溫度或壓力，并延長電池壽命。

圖3 ReflexTM充電方式

3 結(jié)論

各種化學(xué)電池各具特色在各自的領(lǐng)域中均有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用，鋰離子電池因其高能量體積比、高能量重量比而擁有極大的競爭優(yōu)勢，如能進(jìn)一步降低成本與價格，它的應(yīng)用場合將更為廣泛，包括在電動汽車領(lǐng)域等要求較高場合。

脈沖式快速充電方式與傳統(tǒng)的三段式充電方式有著各自的優(yōu)勢并形成技術(shù)競爭局面，脈沖式快速充電方式已有相當(dāng)?shù)难芯炕A(chǔ)并有一定范圍的應(yīng)用，可以提高蓄電池的充電效率，大幅減少充電時間，因此脈沖式快速充電技術(shù)將大有可為。

[1]陳清泉, 孫立清.動力電池的現(xiàn)狀與趨勢研究[J].科技導(dǎo)報(bào),2005,23(4):119-123.

[2]張賓,林成濤.陳全世電動汽車用LiFePO4_C鋰離子蓄電池性能[J].電源技術(shù)，2008.2 Vol.32 No.2,pp:95-98.

[3]林成濤，張賓，陳全世，謝永才.典型動力電池特性與性能的對比研究[J].電源技術(shù)，vol.32, 2008.11,pp:738.

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[7]Liang-Rui Chen, Cheng-Chou Huang, Shing-Lih Wu. A Design of A Li-ion Battery Duty-Varied Pulse Charger[C]. IEEE Industrial Electronics Society (IECON) Nov. 5-8, 2007, Taipei, Taiwan.

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[10]馬云波.一種新型脈沖式快速充電裝置[J].機(jī)電設(shè)備.2002, (4)：15-18.