第五节 蓄电池充电
    蓄电池是一种能量转换装置，将充电电源的电能转换为蓄电池化学能的过程称为充电。为使蓄电池保持一定容量和延长蓄电池的使用寿命，必须对蓄电池进行充电。
    一、充电方式
    为使充电电流Ic流过蓄电池，充电电源的电压Uc必须克服蓄电池的电动势E和内压降ICRi，即
Uc=E＋IcRi
式中Ic----充电电流，A；
      Uc----充电电源的电压，V；
      E----蓄电池电动势，V；
      Ri ----蓄电池内阻，Ω。
    蓄电池充电的方法有恒压充电、恒流充电和脉冲快速充电。其中，常用的充电方法是恒压充电和恒流充电。
   （一）恒压充电
    在充电过程中，充电电压恒定不变的充电称为恒压充电。蓄电池在汽车上由发电机对其充电就属于恒压充电，其充电电压由充电系统的电压调节器控制。
    在恒压充电过程中，蓄电池的电动势E和充电电流Ic的变化规律如图3-16所示。

    在充电初期，由于蓄电池的电动势较低，充电电压与电动势之差值较大，因此充电电流较大，电动势E上升也较快；随着充电时间的增长，充电电压与电动势之差值逐渐减小，充电电流随之减小；当电动势上升至充电电压时，充电电压与电动势之差为零，充电电流也减小到零，如图3-16（b）所示，充电将自动停止。

    充电电流曲线在充电初期具有上升趋势的原因是蓄电池内阻减小较快。蓄电池亏电越严重，电流上升越明显。
    采用恒压充电时，如果充电电压选择过低，则充电电压与电动势之差值减小，充电电流随之减小，只需经过较短时间充电，就可出现充电电流为零的现象。在此情况下，蓄电池不可能充足电，长此以往，势必导致长期亏电而产生硫化，使用寿命会大大缩短。如果充电电压过高，充电电流就会显著增大。这样，即使在蓄电池充足电后，也还有一定电流继续充电，其结果必然导致过量充电。汽车电压调节器控制的发电机的输出电压越高，过充电现象就越严重，电解液中水的消耗也就越快，蓄电池使用寿命就会缩短。为此在采用恒压充电时，单格电池的充电电压一般都按基本充足电的特征电压2.4V选定。例如，根据全车电气系统电压等级的不同，其电压调节器控制的发电机输出电压就分别选定为14V和28V左右。
    恒压充电的优点：在充电初期，充电电流较大，充电速度较快，充电4～5h，蓄电池的容量即可恢复80％以上，因此充电时间短。同时，充电电流能随电动势的上升而逐渐减小到零，使充电自动停止，这就不必由人工调节充电电流。
    恒压充电的缺点：充电电流大小不能调整，所以不能保证蓄电池彻底充足电；也不能用于蓄电池的初充电和去硫化充电。对于就车使用的蓄电池，为了防止其产生硫化故障，必须定期（每2个月）拆下用恒流充电方法充电一次。
   （二）恒流充电
    在充电过程中，充电电流恒定不变的充电称为恒流充电。恒流充电电路及其特性曲线如图3-17所示。

    在恒流充电过程中，随着蓄电池电动势E的上升，要想保持充电电流恒定，就必须调高充电电压。在充电第一阶段，用较大电流进行恒流充电，当单格电池电压充到2.4V左右、电解液中开始产生气泡时，将充电电流减小一半转入第二阶段恒流充电，直到蓄电池完全充足电为止，这种充电方法又称为改进恒流充电或两阶段恒流充电。由于第二阶段充电电流较小，既可减少活性物质脱落，又能保证蓄电池彻底充足。因此，被充电间广泛采用。
    恒流充电的优点：充电电流可以任意选择，有益于延长蓄电池的使用寿命。由于充电电流可以任选，因此既适用于蓄电池初充电，又适用于补充充电和去硫充电。其缺点：充电时间长，充电电流需要经常调节。
    在充电间充电时，为什么广泛采用改进恒流充电方法进行充电呢？这是因为当单格电池充电电压达到2.4V时，蓄电池已基本充足，活性物质二氧化铅和铅己基本还原，电解液中开始产生气泡说明部分充电电流已经开始电解水。此时若不减小充电电流，电解水的电流就会随着充电时间的延长而增大，这样不仅浪费电能，而且产生的大量气泡会将极板上的活性物质冲掉，使蓄电池容量降低，寿命缩短。所以在实际充电中广泛采用两阶段恒流充电方法进行充电。

   （三）快速充电
    蓄电池采用恒流充电方法进行充电时，完成一次初充电需要45～65h，完成一次补充充电需要13-16h。由于充电时间太长，因此给使用带来很大不便。要想缩短充电时间，就必须加大充电电流。但是，充电电流加大会使气泡增多，造成活性物质脱落而缩短蓄电池的使用寿命。因此，单纯加大充电电流不能解决快速充电问题，必须同时采取相应措施来消除或减少气泡的产生。20世纪50年代初，国外就已开始研究快速充电技术，探寻快速充电规律。国内从20世纪70年代开始研究快速充电技术以来，已研制生产出晶闸管快速充电机和智能快速充电机，使蓄电池的初充电时间缩短为5h，补充充电时间缩短为0.5～1.5h。
    1．快速充电基本理论
    蓄电池充电时产生气体的多少与充电电流大小有关。当充电电流低于某一数值时就没有气体产生，此时的充电电流全部用于还原活性物质；当充电电流达到某一数值时就有微量气体产生。使蓄电池只有微量气体产生的充电电流称为蓄电池的充电接受电流。
    理论和试验证明：在充电过程中，蓄电池的充电接受电流Ij是随时间t而衰减的指数曲线，如图3-18所示。充电接受电流的数学表达式为
    
式中Im----最大接受电流；
     α----充电接受比。

    充电接受比与蓄电池的结构和存电状况有关。一般情况下，α=Im/C，即充电接受比等于蓄电池初始接受电流（即最大接受电流）与所需补充电量C之比。

    在充电过程中，如果蓄电池的充电电流按指数规律衰减变化，那么蓄电池就将处于最佳充电状态。蓄电池的充电接受电流曲线就是蓄电池的最佳充电电流曲线。
    当充电电流高于最佳充电电流曲线时，并不能使充电时间缩短，反而会有电流电解水而产生气泡；当充电电流低于最佳充电电流曲线时，由于充电电流减小，因此充电时间延长。
  2.脉冲快速充电过程
    到目前为止，实现快速充电的方式有脉冲充电和智能充电两种。
    在研究快速充电初期，由于难以设计和生产控制充电电流按指数规律变化的充电机，因此人们就利用蓄电池在充电初期可以接受较大充电电流的特点，间断地以大电流充电，使蓄电池在较短时间内，可以恢复60％左右的容量。这种以脉冲大电流充电来实现快速充电的方式称为脉冲快速充电。脉冲快速充电电流的波形如图3-19所示。其充电过程如下：

   （1）大电流恒流充电。以20h率额定容量C20的0.8～1.0倍数值的电流恒流充电，当单格电池电压升到2.4V、开始电解水而冒气泡时，由控制电路控制进行脉冲充电。
   （2）先停止充电（称为前停充）15～25ms，停充的目的在于消除过电位。
   （3）反向脉冲充电（即放电）0.15～1.0ms，脉冲峰值为正向脉冲充电电流值的1.5～2.0倍。放电的目的在于消除极板上积累的电荷以及孔隙中形成的气体。
   （4）停止充电（称为后停充）25～40ms 。
   （5）循环上述充电过程，直到蓄电池充足为止。即充电过程一直为正向脉冲充电→前停充→反向脉冲放电→后停充→正向脉冲充电的循环过程。
    3．脉冲快速充电特点
    脉冲快速充电的优点：
   （1）充电时间大为缩短，一般初充电不超过5h，补充充电不超过1.5h。
   （2）可以增加蓄电池的容量。由于脉冲快速充电能够消除极化，因此充电时化学反应充分，加深了反应深度，使蓄电池容量有所增加，不仅节约了电能，而且使用方便。
   （3）具有显著的去硫化作用。由于脉冲快速充电具有上述优点，因此在电池集中、充电频繁或应急使用部门，其优点更突出。
    但脉冲充电机控制电路复杂，价格高于普通充电机，使用中还不够理想，有待进一步改进。随着电子技术的发展和进步，快速充电技术得到迅速提高。到20世纪80年代末，国内研制成功了以单片微型计算机（单片机）为核心的智能快速充电机，并已投入实际应用。单片机具有运算、判断和存储等智能功能，用于充电机可实现对充电电流的精确控制。这种利用单片机的智能功能，控制充电电流按最佳充电电流曲线变化而实现快速充电的方法称为智能快速充电。
智能快速充电把蓄电池的充电技术提高到了一个新的水平。此项技术正在推广应用。其主要优点是：充电速度快、空气污染轻、节省电能。对蓄电池集中使用、充电频繁的部门，特别是汽车尤为适用。但是，由于快速充电机控制电路复杂，技术含量较高，因此价格普遍高于普通充电机。
    二、充电工艺
    根据蓄电池技术状态不同，蓄电池充电工艺可分为初充电、补充充电和去硫充电三种。对新蓄电池或更换极板后的蓄电池进行的首次充电，称为初充电。蓄电池使用后的各次充电，称为补充充电。消除硫化的充电工艺称为去硫充电。
    目前，国内汽车已普遍采用干荷电和免维护蓄电池，由于这些蓄电池加注电解液后，等待30min即可装车使用，无需进行初充电。因此，下面主要介绍补充充电的充电工艺。
   （一）补充充电
    1．补充充电时机
    当蓄电池使用一定时间或在使用中出现下列容量不足迹象之一时，必须及时补充充电。
   （1）车上使用两个月时。由于汽车充电系统对蓄电池进行恒压充电的充电电压是按照基本充足电来选择的，为了防止极板硫化，需要定时补充充电。
   （2）加注电解液后存放备用一个月时。因为在存放过程中，蓄电池存在自放电现象。
   （3）发动机起动无力（并非机械故障所致）时。
   （4）前照灯灯光暗淡，表示电力不足时。
   （5）电解液相对密度降到1.15以下时。
   （6）冬季放电程度超过25%，夏季放电程度超过50％时。
    2．补充充电工艺
   （1）清洁蓄电池。检查电解液液面高度并将液面高度调整到高出隔板或护网15mm位置或与蓄电池壳体上的上液面线平齐。当液面过低时，一般只需补充蒸馏水。
   （2）连接蓄电池。在连接蓄电池之前，应先根据充电机的额定电压和额定电流计算出一台充电机一次充电所能连接的蓄电池总数。
    根据充电机的额定电流IR和第一阶段充电电流Ici，确定蓄电池并联充电支路数i，即
   
    根据充电机的额定电压UR和单格电池充足电时的电压（为了保证充电充足，单格电压按2.75V计算），确定每一条充电支路串联蓄电池只数m，即
    
式中n----蓄电池的单格电池数，目前n=6。

    由以上两式可知，一台充电机一次充电最多允许连接蓄电池总数N为
                                                N=mi
    当一条充电支路中串联蓄电池的只数大于m时，由于充电机电压不足，因此蓄电池不能彻底充足电。
    当有两条或两条以上并联支路同时充电时，各支路串联蓄电池的单格电池总数必须相等，否则就会导致串联单池总数少的蓄电池过量充电。
    连接蓄电池时，先连接串联支路，再将各支路并联连接，最后将蓄电池充电支路的正极与充电机正极相连，将充电支路的负极与充电机负极相接。
   （3）选择补充充电电流。补充充电电流的选择方法如下。
    第一阶段充电电流为

当单格电动势上升到2.4V，电解液中产生气泡，转入第二阶段充电（3～4h）。
第二阶段充电电流为

    当单格电动势上升到2.75V，电解液中产生大量气泡，相对密度上升至最大值，且在2-3h内不再增加，这时停止充电，蓄电池即可使用。
    蓄电池的容量不同，充电电流大小也不相同。当同一充电支路中各串联蓄电池的容量不同时，其充电电流应按容量最小者进行选择。当小容量蓄电池充足电后，应随即摘除，再继续给大容量蓄电池充电。这样既能保证各蓄电池都能充足电，又能避免小容量蓄电池过量充电。
   （4）在充电过程中，每隔2～3h测量一次充电电压和电解液密度。当单格电压达到2.4V时，应及时转入第二阶段充电，直到充足电为止。在充电过程中，还应经常测量电解液温度。当其升到40℃时，应将充电电流减半。当温度继续升高到45℃时，应暂停充电，待温度降到低于40℃后，方可继续充电。
   （5）调整电解液密度。充电结束30min后，测量电解液密度如不符合规定，应进行调整。密度偏低应补充适量密度为1.40的稀硫酸；反之，应补充蒸馏水进行调整。调整后的密度是否符合规定，要待充电2h后再复查一次。各单格电池之间密度之差不得超过0.01。密度调好后应作记录，以备使用参考。补充充电的全部充电时间为13～16h。
   （二）初充电
    湿荷电蓄电池和存储时间超过规定期限（一般为2年）的干荷电和免维护蓄电池，需要进行初充电，目的在于恢复存放期间极板上活性物质缓慢氧化或硫化而失去的电量。因此，初充电对蓄电池的使用性能影响极大。若初充电不彻底，则会导致蓄电池永久性的充电不足，致使容量不足、寿命缩短。
    初充电的特点是充电电流小、充电时间长（湿荷电蓄电池初充电时间为45～65h，干荷电与免维护蓄电池初充电时间与存储时间有关）。这是因为新极板总是难免受到潮气空气的氧化，其电阻相对增大，采用小电流充电则可防止温升过高而影响充电质量。初充电工艺与补充充电基本相同，其不同点如下。
   （1）选择电解液相对密度，加注电解液。
   （2）选择充电电流。充电电流根据蓄电池容量来选择。初充电电流大小按下列方法进行选择：
    第一阶段充电电流IC1为20h率额定容量C20数值的1/15A，即

    第二阶段充电电流IC2为第一阶段充电电流IC1的一半，即

   （三）去硫充电
    蓄电池产生硫化故障后，其内阻将显著增大，开始充电时充电电压较高（严重硫化时，实测充电电压高达30V以上），且温升较快。对于严重硫化的蓄电池，只能报废；对于硫化程度较轻的蓄电池，可以通过充电予以消除。去硫充电的程序如下：
   （1）倒出蓄电池内的电解液，然后用蒸馏水冲洗两次，再加入足够的蒸馏水。
   （2）接通充电电路，将电流调到第二阶段充电电流进行充电。
   （3）当密度升到1.15以上时，倒出电解液，换加蒸馏水再次充电，直到密度不再增加为止。
   （4）以20h率放电电流放电至单池电压降到1.75V时，再按上述方法进行充电，充电后又放电。如此充放电循环，直到输出容量达到额定容量值的80％以上后，即可投入使用。
    三、充电设备
   （一）充电设备使用注意事项
    蓄电池是直流电源，因此必须用直流电源对其进行充电。如果是交流电源，就必须用整流设备将其转换为直流电源才能进行充电。
    在对蓄电池进行充电时，充电电源正极必须连接蓄电池正极柱，充电电源负极必须连接蓄电池负极柱。如果充电时将蓄电池极性与充电机极性接错，则充电后的蓄电池极性恰好相反，即正极将变成负极，负极将变成正极。不仅蓄电池容量会显著减小，而且在使用中容易导致极性接错而损坏交流发电机以及其他电器设备。
   （二）晶闸管整流式充电机结构原理
充电设备是利用整流元件将三相或单相交流电源转变成直流电源的整流充电设备。常用的整流元件有二极管和晶闸管，其充电设备相应地称为二极管整流充电机和晶闸管整流充电机。汽车上采用的充电设备是由发动机驱动的交流发电机，其整流元件是三相桥式整流二极管。充电间采用的充电设备大多数都是二极管整流充电机和晶闸管整流充电机。
    图3-20所示为CDJ-6型晶闸管整流式充电机结构与电路图。

    1．技术参数
    CDJ-6型充电机的输入电源电压为单相交流220V5OHz，输出直流电压为0～72V连续可调，输出直流电流为0-15A连续可调，为自然冷却方式。
    2.结构组成
    CDJ-6型充电机主要由机座、机壳、控制面板、指示仪表、指示灯和操作旋钮、变压器、整流电路、晶闸管触发信号电路组成。
    充电机设有输入和输出熔断丝，机外与机内各一只，用以保护变压器和整流元件，更换保险时，应切断外电源，以确保人身安全。
    3．工作原理
    该型充电机的整流电路由二极管与晶闸管元件组成。变压器T1提供充电电源电压，变压器T2提供触发信号电路工作电压，变压器T3为隔离变压器，防止充电机输出整流电压串入触发信号电路而影响充电机正常工作。
    控制面板上还设有电压表、电流表、电源指示灯、电源开关和电流调节旋钮。其中，“电流调节”旋钮与可变电阻R1的滑动触点连接。触发信号电路的功能是产生晶闸管触发信号，调节电流调节旋钮时，即可调节触发信号的脉冲宽度，从而调节晶闸管的导通角。
    CDJ-6型充电机的工作原理比较简单，接通电源开关SW时，“电源指示灯”发亮，指示电源接通。变压器T1线圈电源接通时，通过整流器整流便可向负载输出电流，此时调节“电流调节”旋钮，即可调节触发信号的脉冲宽度，使晶闸管的导通角改变，晶闸管整流电路输出的平均电压就会随之改变，蓄电池的充电电流随之改变。蓄电池两端的充电电压由控制面板上的直流电压表指示，充电电流由直流电流表指示。
    4．操作方法
   （1）将控制面板上的“电流调节”旋钮沿逆时针方向旋转到不能转动时的位置，目的是使输出电流减小到零位（注意：此项操作必须在接通充电机电源之前进行，否则容易导致充电机损坏）。
   （2）接通控制面板上的“电源开关”，使变压器电源接通，此时控制面板上的“电源指示灯”将发亮指示。
   （3）沿顺时针方向缓慢转动“电流调节”旋钮，使输出电流达到选定的充电电流值。如果调整时无电流输出，应及时沿逆时针方向转回旋钮，查明原因后再开机充电。
   （4）停机时，必须先沿逆时针方向调节“电流调节”旋钮，使电流表指针调至零位后，再切断“电源开关”使充电机停止工作。

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