蓄电池充电方法
1电池充电理论
20世纪60年代中期，美国科学家马斯对开放式电池的充电过程进行了大量的实验研究，并提出了一条以气体逸出率最低为前提的电池可接受的充电曲线，如图1所示。实验表明，如果充电电流按照此曲线变化，可以大大缩短充电时间，而电池容量和寿命不会受到影响。原则上，此曲线被称为最佳充电曲线，从而为快速充电方法的研究方向奠定了基础[1, 2]。
从图1可以看出：充电初期电流很大，但衰减很快。主要原因是充电过程中的极化现象。密封电池在充电过程中，内部会产生氧气和氢气，氧气不能及时被吸收就会在正极板上累积（正极板产生氧气），使电池内压增大，电池温度升高，同时正极板面积减小，表现为内阻增大，即所谓的极化现象。
该电池是可逆的。其放电和充电的化学反应式如下：
PbO2＋Pb＋→PbSO4＋2H2O（1）
显然，充电过程与放电过程是逆反应，可逆过程即热力学平衡过程。为保证电池能始终保持充电的平衡状态，通过电池的电流必须尽可能小，最理想的情况是外加电压等于电池本身的电动势。但实践表明，对电池充电时，外加电压必须提高到一定值，而这个值由于电极材料、溶液浓度等各种因素的差异，都会不同程度地超过电池的平衡电动势值。在化学反应中，电动势超过热力学平衡值的现象就是极化现象。
一般而言，造成两极分化现象的原因有三个。
1）欧姆极化充电过程中，正负离子向两极迁移，在离子迁移过程中，不可避免地会遇到一定的阻力，这个阻力被称为欧姆内阻。为了克服这个内阻，必须施加一个额外的电压来克服这个阻力，促使离子迁移。这个电压以热量的形式转化到环境中，就产生了所谓的欧姆极化。随着充电电流的急剧增加，欧姆极化会导致电池在充电过程中温度较高。
2）浓差极化当电流流过电池时，为了维持正常的反应，理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离开。而实际上生成物和反应物的扩散速度远小于化学反应速度，这就造成了极板附近电解液溶液浓度的变化。也就是说，从电极表面到中间溶液，电解液浓度是不均匀分布的。这种现象就叫浓差极化。
3）电化学极化这种极化是由于电极上电化学反应的速度落后于电极上电子运动的速度而引起的。例如：电池负极放电前，电极表面带负电荷，其附近的溶液带正电荷，二者处于平衡状态。放电时，电子立即释放到外电路，电极表面负电荷减少，金属溶解氧化反应Me-eMe+进行缓慢，不能及时补充电极表面电子的还原，电极表面电荷状态发生变化。这种表面负电荷减少的状态促使金属中的电子离开电极，金属离子Me+转入溶液中，加速了Me-eMe+反应。总有那么一瞬间达到新的动态平衡。但与放电前相比，电极表面负电荷数有所减少，相应的电极电位已变为正值。 即电化学极化电压变高，严重阻碍了充电电流的正常通过。同样，当电池正极放电时，电极表面正电荷数量减少，电极电位变负。
这三种极化现象均随着充电电流的增大而变得更加严重。
2 收费方式研究
2.1 常规充电方式
传统的充电系统是根据 1940 年之前国际公认的经验法则设计的。其中最著名的是“安培小时规则”：以安培为单位的充电电流不应超过要充电的电池的安培小时数。事实上，传统充电的速度受到充电过程中电池温度升高和气体产生的限制。这一现象对于电池充电所需的最短时间具有重要意义。
一般来说，常规的充电方式有三种。
2.1.1 恒流充电法
恒流充电法是通过调节充电装置的输出电压或改变与电池串联的电阻来保持充电电流强度恒定的充电方法，如图2所示。该控制方法简单，但由于电池可接受的电流能力随着充电过程的进行而逐渐减小，在充电后期，充电电流大多用于电解水产生气体，造成气体过多排出。因此，常采用分段充电法。
2.1.2阶段充电法
该方法包括两阶段充电方法和三阶段充电方法。
1）两阶段法采用恒流与恒压相结合的快速充电方式，如图3所示。首先以恒定电流充电至预定的电压值，然后切换到恒定电压完成剩余的充电。通常，两个阶段之间的转换电压为第二阶段的恒定电压。
2）三阶段充电法，在充电开始和结束时采用恒流充电。
中间采用恒压充电，当电流衰减到预定值时，由第二阶段切换到第三阶段，这种方式可以最大限度减少气体输出量，但作为快速充电方式，受到一定的限制。
2.1.3 恒压充电法
在整个充电时间内，充电电源的电压保持恒定。随着电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减小。与恒流充电方式相比，它的充电过程更接近最佳充电曲线。恒压快速充电如图4所示。由于充电开始时电池电动势较低，因此充电电流很大。随着充电的进行，电流会逐渐减小。因此，只需要简单的控制系统。
这种充电方式电解的水很少，可以防止电池过充，但充电初期电流过大，对电池寿命影响很大，容易使电池极板弯曲，造成电池报废。
鉴于此缺点，恒压充电很少采用，只在充电电源电压较低、电流较大的情况下采用，例如汽车在运行过程中，就采用恒压充电方式对蓄电池进行充电。
2.2 快速充电技术
为了最大程度提高电池化学反应的速度，缩短电池达到完全充电状态所需的时间，同时保证电池正负极板极化尽可能的小或轻，从而提高电池的效率，快速充电技术近年来得到了迅速发展。
下面介绍几种比较流行的快速充电方法，这些方法都是围绕最佳充电曲线而设计的，目的是让它们的充电曲线尽可能的接近最佳充电曲线。
2.2.1 脉冲充电法
这种充电方式不仅遵循了电池固有的充电接受率，而且可以提高电池的充电接受率，从而突破了电池指数充电接受曲线的限制，这也是电池充电理论的一个新的发展。
脉冲充电方式先以脉冲电流对电池进行充电，然后停止对电池充电一段时间，重复此循环，如图5所示。充电脉冲将电池充满电，而间歇期则使电池化学反应产生的氧气和氢气重新结合并被吸收，使浓差极化和欧姆极化自然消除，从而降低电池内压，使下一轮恒流充电能够更加顺利地进行，使电池能够吸收更多的电量。间歇脉冲给予电池更充分的反应时间，减少气体析出量，提高电池的充电电流接受率[5]。
2.2. 快速充电方法
该技术是美国专利技术，主要用于镍镉电池充电，由于采用新型充电方式解决了镍镉电池的记忆效应，大大缩短了电池快速充电的时间。铅酸电池的充电方式、充电状态检测方式与镍镉电池有很大不同，但可以相互借鉴[3]。
如图6所示，该充电方法的一个工作周期包括三个阶段：正向充电脉冲、反向瞬时放电脉冲、充电停止[3]。
2.2.3 变电流间歇充电法
这种充电方式是基于恒流充电和脉冲充电的，如图7所示。它的特点是把恒流充电阶段改为
间歇充电阶段为限压变电流阶段，充电过程前期各阶段采用变电流间歇充电方式，保证充电电流增大，获得大部分充电容量。充电后期采用恒压充电阶段，获得过充电容量，使电池恢复到满充电状态。通过间歇停止充电，使电池化学反应产生的氧气和氢气有时间重新结合被吸收，使浓差极化和欧姆极化自然消除，从而降低电池内压，使下一轮恒流充电能够更平稳地进行，使电池吸收更多的电量[4]。
2.2.4 可变电压间歇充电法
在变电流间歇充电法的基础上，提出了变电压间歇充电法，如图8所示，与变电流间歇充电法的区别在于第一阶段不是间歇恒流，而是间歇恒压。
对比图7与图8可知，图8与最佳充电时的充电曲线更加吻合，在每一个恒压充电阶段，由于恒压充电，充电电流自然按照指数规律减小，这与随着充电的进行，电池电流接受率逐渐减小的特性相一致[4]。
2.2.5 可变电压电流波型间歇正负零脉冲快速充电法
综合脉冲充电法、快速充电法、变电流间歇充电法和变电压间歇充电法的优点，变电压变电流波正负零脉冲间歇快速充电法已得到发展和应用。脉冲充电电路的控制一般有两种类型：
1）脉冲电流的幅度是可变的，而PWM（驱动充放电开关管）信号的频率是固定的；
2）脉冲电流幅度固定，PWM信号频率可调。
图9采用了不同于另外两种的控制方式，脉冲电流幅值和PWM信号频率固定，PWM占空比可调，在此基础上增加了间歇性充电停止阶段，可以在更短的时间内充入更多的电量，提高电池的充电接受能力。
3 结论
铅酸蓄电池是当今世界广泛应用的一种化学电源，具有可逆性好、电压特性稳定、使用寿命长、应用范围广、原材料丰富等特点。
具有资源丰富（且可再生）、成本低廉等优点，主要用于交通、通讯、电力、铁路、矿山、港口等国民经济各部门，是社会生产经营活动中不可缺少的产品，具有广阔的发展前景。