1 简介
该电池具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点，广泛应用于发电厂、变电站、通信系统、电动汽车、航空航天等部门。电池主要有三种类型：普通铅酸电池、碱性镍镉电池和阀控密封铅酸电池。普通铅酸电池因使用寿命短、效率低、维护复杂、有酸雾污染等问题，使用范围十分有限，目前已逐渐被阀控密封铅酸电池所取代。阀控密封铅酸电池采用整体密封结构，没有普通铅酸电池的气体膨胀和电解液泄漏，使用安全可靠，使用寿命长。正常运行时无须化验电解液和调酸加水，又称免维护电池。在邮电通讯、船舶运输、应急照明等许多领域得到了广泛的应用。 碱性镍镉电池的特点是体积小、放电率高、操作维护简单、寿命长，但由于其单格电压低、易漏液、成本高、易污染环境等原因，其使用受到限制，目前主要应用于电动工具及各类便携式电子设备中。
普通铅酸蓄电池主要由极板组、电解液和电池槽组成。正极板和负极板均由板栅和活性物质组成。正极板上的活性物质为褐色的二氧化铅（PbO2），负极板上的活性物质为深灰色海绵状的纯铅（Pb）。电解液由蒸馏水（H2O）和纯硫酸（H2SO4）按一定比例配制而成。在充电过程中，电解液与正、负极板上的活性物质发生化学反应，从而将电能转化为化学能储存起来；在放电过程中，电解液也与正、负极板上的活性物质发生化学反应，将电池储存的化学能转化为电能供给负载。为使化学反应正常进行，电解液必须具有一定的浓度。电池槽是极板组和电解液的容器，必须具有良好的耐酸性、绝缘性能和较高的机械强度。
当在电池的正、负极板之间接上负载时，电池的放电过程就开始了。此时正极板电位降低，负极板电位升高。正、负极板上的活性物质（PbO2和Pb）不断转化为硫酸铅（PbSO4），电解液中的硫酸逐渐变成水。电解液的比重逐渐减小，从而使电池的内阻增大，电动势减小。如果在电池的正、负极板之间接上输出电压高于电池端电压的直流电源，电池的充电过程就开始了。此时正极板电位由于正电荷的积累而升高，负极板电位由于负电荷的积累而降低。正极板上的PbSO4逐渐变成PbO2，负极板上的PbSO4逐渐变成海绵状的Pb。 与此同时，电解液中H2SO4的合成逐渐增多，水分子逐渐减少，电解液的比重逐渐增大，电池端电压也不断升高。
研究发现，电池充电过程对电池寿命的影响最大，而放电过程影响较小。换句话说，大多数电池不是因使用而损坏，而是因充电而损坏。由此可见，一个好的充电器对电池寿命起着至关重要的作用。
2 电池充电的理论基础
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，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聚集在正极板上，使电池内压升高，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：
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平衡状态，流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，必须将外加电压提高到一定值，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称为极化。
一般而言，造成两极分化现象的原因有三个。
a.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换成环境温度，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达到较高的温度。
b.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的速度，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的。这种现象就叫浓差极化。
c.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，靠近它的溶液带正电荷，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-e→Me+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-e→Me+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加而变得更加严重。
3.电池及充电器对应电流的选择
关于铅酸电池及免维护铅酸电池的充电电流（充电率），电流过大或过小充电都会影响电池的质量和寿命，一般充电率可在2HR~20HR之间选择。长期充电电流过小，电池内阻增大，容量逐渐降低直至失效。充电电流过大，会损坏或使电池极板发热，大大缩短使用寿命。
电池及充电器对应电流=AH÷HR=A
AH是电池的标称容量（安培小时）。
HR 是电池完全充电所需的时间（小时率）。
A是充电电流。
例如标称60AH/12V的电池，完全放电后，按照10小时率充电即可；60（AH）÷10（HR）=6（A）充电电流。
同理，如果使用20HR，那么充电电流就是3A。
12V免维护电池恒流恒压浮充最高充电电压为13.8V。铅酸电池恒压浮充最高终止电压可以稍高一些，但不能超过14.4V。终止电压过高会损坏电池，终止电压过低会造成电池欠充，长期处于欠充状态的电池容量会逐渐下降。
4 充电方式研究
4.1 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。
4.1.1 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。
4.1.2 分阶段充电方式
该方法包括两阶段充电方法和三阶段充电方法。
a.两阶段法：恒流与恒压相结合的快速充电方法，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。
b.三阶段充电法：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，由第二阶段转入第三阶段。此法可使气体逸出量降到最低，但作为快速充电方法，受到一定的限制。
4.1.3 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5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，而且容易使电池极板弯曲，导致电池报废。
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。
4.2 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。
4.2.1 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6所示。充电脉冲将电池充满电，间歇期间可使电池化学反应产生的氧气和氢气有时间重新结合并被吸收，使浓差极化和欧姆极化自然消除，从而降低电池内压，使下一轮恒流充电更加顺利地进行，使电池吸收更多的电量。间歇脉冲给予电池更充分的反应时间，减少气体产生量，提高电池的充电电流接受率。
4.2. 快速充电方法
该技术是美国专利技术，主要用于镍镉电池的充电，由于采用了全新的充电方式，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的不同，但可以相互借鉴。
如图7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]。
4.2.3 变电流间歇充电法
这种充电方式是以恒流充电和脉冲充电为基础的，如图8所示。它的特点是将恒流充电段改为限压变流间歇充电段。充电前期各段采用变流间歇充电方式，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段，获得过充电容量，使电池恢复到满充电状态。通过间歇性停止充电，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加平稳地进行，使电池吸收更多的电量。
4.2.4 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9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8与图9可以看出，图9与最佳充电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。
4.2.5可变电压电流波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：
a.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；
b.脉冲电流幅度固定，PWM信号频率可调。
c.图10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。
5. 国内电动汽车充电器现状
对于以电池为动力的电动车来说，电池的质量直接影响电动车最重要的性能指标和使用效果。过去电动车曾经历过三次兴衰，故障都是电池的问题。如今电池技术越来越成熟，电动车迎来了发展的新春天。目前，市场上流通的电动车各项性能指标越来越完善，作为社会商品的使用性也得到了很大的提升，这多半得益于电池技术的发展。因此，不难看出电池对于电动车的重要性，可以说是“电池成败在此一举”。
那么如何才能让电池这个“心脏”高效、长寿、安全地充分发挥作用呢？这需要一系列的辅助设备为其服务。其中，为二次电池补充能量的充电器起着不可或缺的作用。
电池能量必须由充电器来补充，在充电过程中，电池对于充电器来说其实是一个负载，这个负载不同于常见的电阻性负载、电容性负载和电感性负载，它是一个时变、非稳态、动态的负载，因此需要了解电池在充电过程中的电化学反应，分析其充放电特性，才能设计出符合电池充电要求的充电器。
以阀控铅酸蓄电池（以下简称VRLA）为例，该电池正极活性物质为二氧化铅，负极活性物质为深灰色海绵状金属铅，电池有效容量小，电池过早硫化、结晶，极化过电压是“罪魁祸首”，如果不采用有效的充电方式，将严重影响电池的直接使用价值。
常规充电方式采用小电流慢速充电，新的VRLA电池初次充电需70小时以上，正常充电需10小时以上。充电时间过长，不仅会延长充电监控时间，造成电能浪费；而且长期小电流充电，充电过程中容易引起“极化”，导致内部硫化物结晶，大大缩短电池的循环寿命。
目前采用的分段充电方式，即先恒压后恒流或先恒流后恒压，在充电过程前期，充电电流远小于电池可接受的充电电流，因此充电时间大大延长；在充电过程后期，充电电流大于电池可接受的电流，电池内部温度迅速升高，产生大量气泡，导致充电副反应加剧，严重时会导致电池“热失控”，对电池造成永久性损坏。恒流恒压充电方式要求充电器具有极高的电压、电流稳定特性和精确的充电时间控制功能，只有这样，才能减少充电过程中的副反应和“极化”现象。但目前市场上使用的所谓智能充电器并非严格意义上的分段式充电器，据有关部门统计，市场上85%以上的充电器存在严重的质量风险。 这些充电器往往存在充电电流太小、充电电压不稳定、充电时间太长等问题，导致电池内部发生极化、硫化物结晶等现象，从而造成充电容量达不到要求，大大降低了电池的正常使用寿命。不难理解“电池没坏就是电池坏”这句话的意思，可见常规充电技术和产品在消除充电“副反应”和“极化”现象方面的薄弱环节，已经远远不能满足现在电池充电的要求。
那么有没有一种理想的充电方法可以解决这个问题呢？答案是有的。根据充电过程中的反应，如果能在充电过程中减少或消除副反应，并消除极化内阻对充电电流的阻碍作用，那么由于副反应很少或几乎不存在，充电时间将大大缩短，有效充电容量将大大提高，电池循环寿命也将大大提高。科学家在这方面做了大量的研究，发现无论传统的恒压、恒流方法如何改进，都无法消除充电过程中副反应的存在；而极化电压的产生与充电电流的大小、输出方式有着密切的关系。在恒流、恒压充电方式中，充电电流是无间隔连续输出的，不可能消除“极化”现象。实验发现，当充电停止时，欧姆极化消失，浓度极化和电化学极化逐渐减弱，充电副反应也停止。 实验证明，在电池充电过程中，适时暂停充电并加入适当的放电脉冲（在成本允许的条件下），可以快速有效地消除各种极化电压，从而提高充电速度。电流以脉冲方式输出，也可以加快活性物质的反应速度，有效防止电解液硫化物结晶，有效打碎现有的晶体颗粒。脉冲电流充放电具有强化电池极板韧性的作用，可以大大提高电池的循环寿命；同时由于“极化”现象的消失，脉冲电流可以深度激活电池内部的活性物质，从而大大提高电池的有效充电能力。
现代脉冲智能充电器内嵌先进的智能控制数字电路，采用智能检测控制技术，调整充电器脉冲输出比例，实现可控去极化功能；采用自适应技术，在充电过程中实时检测蓄电池充电状态，自动调整充电方式，实现最佳模式控制；还具有完善的保护功能，最大限度保证设备运行的稳定性和可靠性；从充电效果上看，其大大缩短的充电时间，符合现代人快节奏的生活和工作。
6.智能充电器设计
通过与美国Auto Meter公司的合作，经过大量的实验研究，开发出具有完全知识产权的“自适应控制智能快速蓄电池充电器”。控制芯片采用美国公司的单片机，由该芯片构成的充电器具有以下特点：
a.自动调整充电波形；
b.实时追踪电池当前状态；
c.自动测量充电休止期间电池电压值及其变化；
d. 使用多种丰满度判定规则；
e.采用模糊数学原理判断充满电依据，提高芯片的可靠性和快速充电终止；
f.高效可靠的完全终止条件，保证电池在任何情况下都处于完全充电状态，有效避免过压/过充，从而延长电池寿命；
g.有效避免铅酸电池硫化问题
h.可靠的浮充方式，保证铅酸蓄电池等的浮充寿命。
图11为电动自行车电池充电器实际应用电路，电池额定电压为48V，容量为17Ah。为了提高产品的可靠性和EMC指标，电源部分没有采用开关电源，而是采用了稳定性、可靠性较高的线性电源。为了防止电池电流回流到充电器，在串联调整管与输出端之间串联了一个二极管。
当加入输入电压后，红、绿发光二极管同时亮起，此时V1不导通，电路首先在输出端检测信息。