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二次电池的工作模式与充电技术
    给蓄电池充电的最佳方法取决于电池的类型、特性以及使用环境。对充电系统的基本要求是充电要快速有效,设备尽可能简单且成本低廉,同时又不降低电池的循环寿命,更不能毁坏电池。最简单的充电方法是使用静态控制整流器和一些限流器进行恒压充电,限流器用来防止充电初期的过大电流和产生的焦耳热。最先进的充电方法则是IBM公司提出并开发的智能充电概念,即使用专用电脑芯片来进行电力分配、充电监控以及电池中各个单体电池充电优化。二次电池有三种基本的应用模式:循环应用、备用电源以及连续浮充或缓冲模式。
    一、循环使用
    此模式下,电池需经历一系列深度放电及最大容量充满电的过程,如用于负载水平、动力电源或用在电子设备中。可以使用几种不同的充电方法。
    1、恒流充电
    这种方法控制的设备简单、价格便宜,而且充电容量可以直接计算。但是,对于采用多孔电极结构的电池,使用大电流充电时,会遇到电流分布不均带来的问题,而且充电末期会产生大量气体。而当使用低电流充电时,总充电时间又太长久,难以令人接受。但是这种方法可以适用于镍镉电池,在C/10充电下可以较长时间过充,而性能无明显下降。最简单的恒流充电是将DC电源和电阻器与电池串联起来,用电阻器调节电流。目前,更常用的则是“快速充电”方法。这种方法要求电路控制电压,并在充电结束时切断电流,其有关技术将在下面的自动控制系统部分叙述。
    2、恒压充电
    采用恒压充电时,充电初期电流较大,随着充电的进行电流逐渐减小,因此充电末期电流可能很小。如果充电电压过高,充电初期将产生大量热量,这将导致电池性能迅速衰减。在某些情况下,密封二次电池恒压充电会导致“热失控”。这种现象发生在正常充电末期发生的过充反应占主导地位时,其中电流大部分能量转变成热能,其结果导致电池温度升高,总极化程度下降,这又导致充电电流提高,从而电池温度上升,这样周而复始直至最终会引起电池爆炸。
    3、自动控制系统
    现在有许多可控充电装置,采用多种充电技术,如分步降流充电、限流恒压充电、逐渐降压充电、恒流结合恒压充电以及渐减脉冲充电等。为减少充电时间,这些充电方法都开发成单体电池充电系统,同时防止充电末期发生过多副反应。这些方法中最简单的一种是渐减充电方法。这种充电器包含有稳定高压源,采用简单的串联电阻随着电池电压升高而逐渐减小充电电流。较先进的电子控制渐减充电器是用于铅酸电池的“Spegel”充电系统(ChlorideIndustrialBateries),该充电系统可按照单体电池电压的变化,反比例地调整充电电流的大小。同时在电流中断期间能每隔15min检测电池的开路电压,如果电压低于2.3V,则又继续正常充电;若电压高于2.3V,则停止充电直到电压降至2.3V以下再正常充电。如此反复进行,当系统检测到充电完全时,则采用瞬间电流脉冲使电池保持全充满状态。
    对密封镍镉电池和镍金属氢化物密封电池,目前充电通常使用快速充电控制电路。检测过充开始的方法有许多,例如:由于正极析氧而使电池温度升高,会引起电池电压降低,检测这种电压降即可引发停止充电。
    二、备用电源
    二次电池用做备用电源时,用户线路接在主干电网和电池供电变换器和变压器系统上。当主干网发生故障时,电池供电变换器和变压器系统通过一继电器提供电力。在电池的整个使用寿命期间,电池只有在应急时才被使用。因此,电池的充电只是满足补偿电池自放电要求,以保持电池处于满充状态。充电采用涓流充电方法,充电电流的大小以补偿自放电而不引起电池产生气体为宜。
    三、连续浮充或缓冲模式
    此模式下,负载线路同样是与电池和发电机并联,发电机可以是汽车发动机的交流或直流发电机、风力发电系统、太阳能电池等。若负载要求较小,或发电机本身正在提供较高功率的动力,那么发电机电压就升高并给电池充电。若负载要求很高或发电机提供的电力下降,则电池也提供电力以满足负载要求。电池则必须避免发电机电压突增带来的严重过充问题,所以需要用电压控制装置,此外还需要装有适当的二极管以防止电池通过发电机放电。只有正常运行过程中发电机能提供足够电力来给电池完全充电时,这种模式才能有效运转,此时负载电路的长时间电力需求和电池电力损耗之和必须低于同一过程期间发电机的电力输出。采用此模式时,选择正确的电池容量及适当的电池倍率特性非常重要。
    必须强调指出,最佳充电制度强烈依赖于所使用的电池体系,电池中有些可以承受较大的过充(如镍镉电池),而其他电池如锌氧化银电池和大部分锂二次电池若被过充则会造成电池的永久破坏。对于密封电池则要特别谨慎:浮充方式不宜采用,而且涓流充电速率应严格依照厂家的推荐值,否则会引起电池温度过高或导致热失控。
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