2.5　快速充電

為了縮短充電時(shí)間，減少充電對(duì)電池的熱損傷，提高充電的電能利用率，曾經(jīng)提出過三級(jí)充電方法。

所謂三級(jí)充電，就是將充電過程分為三個(gè)級(jí)別，作為三個(gè)階段。第一階段用大電流恒流充電，將電池充到總?cè)萘康?0%～60%，當(dāng)電池端電壓達(dá)到氣化點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)入第二階段。第二階段則為恒壓充電，當(dāng)恒壓充電的電流降到一定值時(shí)，再轉(zhuǎn)入第三階段。第三階段用小電流恒流充電，直至完全充足，其過程如圖2-7所示。這種方法與單純的恒壓充電和恒流充電相比，是先進(jìn)的。

三級(jí)充電給人們一個(gè)重要的提示：只要蓄電池的充電電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的反應(yīng)能夠進(jìn)行，用大電流將蓄電池充足電是有可能的。

首先分析一下充電時(shí)的電化反應(yīng)過程。在普通充電過程中，流過電池的充電電流將陽極板上的PbSO₄→PbO₂，陰極板上的PbSO₄→Pb。只要這種有效轉(zhuǎn)化能夠進(jìn)行，用多大的充電電流對(duì)電池都沒有傷害。但是，這種轉(zhuǎn)化受到許多固有因素的限制，在充電過程中轉(zhuǎn)換率越來越低。在外觀上表現(xiàn)為電池溫度升高，出氣量增大，電解液甚至呈現(xiàn)激烈的沸騰狀態(tài)。為了保護(hù)電池，最根本的措施就是減小充電電流，這樣充電時(shí)間也就延長了。

由此可見，要縮短充電時(shí)間，必須減少充電過程中的水分解。

先分析水的汽化過程。充電時(shí)，電解液中的H⁺向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，OH^-向正極運(yùn)動(dòng)。在充電初期，由于電解液中的硫酸濃度低，新生態(tài)酸的擴(kuò)散速度率高，兩種因素綜合的結(jié)果，使極板表面的酸濃度并不高。酸濃度決定著電極的電動(dòng)勢，電極上的電壓也就達(dá)不到氣化電壓，這時(shí)水不發(fā)生分解，充電效率很高。隨著充電的進(jìn)行，電液中酸的含量越來越多，極板表面的酸濃度升高。當(dāng)濃度上升到一定值時(shí)，充電電壓達(dá)到了氣化電壓值，水就開始分解了。

控制極板表面酸濃度的升高是快速充電的技術(shù)關(guān)鍵?？刂频耐緩绞菧p少產(chǎn)生酸的速率和加速酸的擴(kuò)散速率。前者只能用減少充電電流來達(dá)到，后者通過瞬間大電流放電來達(dá)到?，F(xiàn)對(duì)后者的作用過程加以分析。

如圖2-8所示，在充電過程中，極板表面酸的濃度逐步升高，當(dāng)達(dá)到氣化電壓時(shí)，極板表面酸的關(guān)系用三個(gè)連在一起的新生態(tài)硫酸“A”“B”“C”來表示。這時(shí)，充電電路根據(jù)電壓值監(jiān)測到這一情況，停止充電。停止充電后三個(gè)酸分子向低濃度的溶液中擴(kuò)散。當(dāng)“B”“C”運(yùn)動(dòng)到圖示位置時(shí)，電池進(jìn)行大電流瞬間放電：“A”被極板放電消耗，“C”由于運(yùn)動(dòng)慣性依然沿原方向運(yùn)動(dòng)，在“B”向回運(yùn)動(dòng)到初始位置之前，在極板表面造成了低濃度區(qū)。于是再次充電時(shí)，極板出現(xiàn)了電流接收率較大的特性。從以上分析可知：快速充電的電流一定是脈動(dòng)的；在兩個(gè)充電波之間夾有一個(gè)放電波。如圖2-9所示為某快速充電機(jī)的工作波形。

隨著充電過程的進(jìn)行，快速充電的充放電周期時(shí)間越來越短，逐步呈現(xiàn)充入量和放出量相差無幾。這時(shí)，延長充電時(shí)間已無益處。設(shè)備中的監(jiān)測電路根據(jù)充放電頻率達(dá)到一定值時(shí)，自動(dòng)切斷電源，充電過程結(jié)束?？焖俪潆姍C(jī)的優(yōu)劣判斷只有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)；在電池溫升不超過40℃的前提下，1～4h內(nèi)能將電池容量從0充至100%。由于快速充電機(jī)的充電電流和脈充頻率是根據(jù)電池端電壓的變化來決定的，當(dāng)對(duì)多節(jié)電池串聯(lián)充電時(shí)，作為控制信號(hào)的電壓值就是電池組的總電壓值或某個(gè)領(lǐng)示電池的電壓。如果電池組中各單節(jié)之間的均衡性差，必然會(huì)發(fā)生某些電池被過充或充不足的現(xiàn)象。領(lǐng)示電池選擇了高容量單節(jié)，低容量單節(jié)會(huì)被過充；領(lǐng)示電池選取了低容量單節(jié)，高容量電池會(huì)欠充。建議在一組電池中容量相差超過10%時(shí)，不要用快速充電。其容量差別用電池容量表可測得。有的單位使用的快速充電機(jī)，由于工作波形紊亂，工作人員無法調(diào)整，充電時(shí)電池溫升高達(dá)70℃，大量氣體從注液口冒出，電解液呈激烈沸騰狀。這樣的快速充電機(jī)實(shí)際上是快速“破壞機(jī)”。

放電脈沖的寬度、峰值和相位，是決定快速充電機(jī)性能的關(guān)鍵所在。如果沒有放電脈沖，充電波就成了脈動(dòng)直流。

如果控制不當(dāng)，使用脈動(dòng)直流對(duì)電池進(jìn)行浮充電是有害的。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)充電電流中含有5%～6%的脈動(dòng)值時(shí)，就足以對(duì)極柵產(chǎn)生過電壓充電腐蝕。在充電作業(yè)中，作業(yè)者是根據(jù)電流表的顯示值調(diào)定充電電流的，在脈動(dòng)波的某一范圍里，實(shí)際的瞬間充電電流值會(huì)超過電表顯示的電流，如圖2-10所示。當(dāng)按工藝標(biāo)準(zhǔn)調(diào)定電流時(shí)，實(shí)際電流值也就超過了電池的充電接受阻力，超過部分即造成了水的分解。于是電池溫升增高，板柵被腐蝕，加劇了活性物質(zhì)的脫落。

在圖2-10中，A₁為電池充電反應(yīng)可接受的電流強(qiáng)度。在A₁時(shí)，充電電流完全轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)于電池之中。當(dāng)根據(jù)儀表調(diào)定電流為A₁時(shí)，由于儀表只能顯示平均值，最大充電電流卻在A₂。A₂-A₁的陰影部分電流即造成了電池的損傷。

在現(xiàn)有的充電機(jī)中，小型機(jī)有單相半波整流的，其電流脈動(dòng)系數(shù)為1.57，單相全波整流的脈動(dòng)系數(shù)是0.667。大功率的充電機(jī)，都是三相全波橋式整流，其電流脈動(dòng)系數(shù)是0.14，都遠(yuǎn)大于0.05。所以使用無濾波裝置的整流器，要注意對(duì)實(shí)際充電電壓的控制。

市場上還有無變壓器的可控硅充電器，其輸出波形的交流成分很高，尤其在導(dǎo)通角小的情況下（表顯示小電流狀態(tài)），電流的尖峰波較高，電流的熱效應(yīng)與電流值的平方成正比，所以電池和導(dǎo)線發(fā)熱加劇，對(duì)電池?fù)p傷很大，這種充電機(jī)不宜長期使用。

在選用快速充電機(jī)時(shí)，有一個(gè)特殊問題應(yīng)予以注意。由于快速充電機(jī)是以大電流脈沖方式工作的，若充電電池的容量較大，充電機(jī)工作時(shí)的脈動(dòng)電流值會(huì)影響電網(wǎng)，使周圍市電的正弦波發(fā)生畸變。附近如有對(duì)供電質(zhì)量要求較高的用電器，則不宜采用快速充電機(jī)。可控硅充電機(jī)都有類似的技術(shù)問題。