蓄电池几种常用充电模式的比较

文/赵宗哲

蓄电池几种常用充电模式的比较

文/赵宗哲

随着科技发展和社会进步，越来越多的蓄电池种类进入人们视线，像铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子电池等，蓄电池作为一种能量转换器使用，充电时将电能转换成化学能贮存起来，而充电过程中的充电质量和充电速度越来越受到制造厂商和用户的高度重视。本文选取现今市面上最为常见的铅酸蓄电池和锂电池作为研究对象，并用现在最为常用的几种充电模式对蓄电池的充电质量和充电速度方面进行研究。

铅酸蓄电池 锂电池 恒流充电 恒压充电 恒流--恒压--浮充充电 脉冲充电多阶段恒流充电

当今市场上充电器常用的充电方法都有：恒流充电、恒压充电、恒流--恒压--浮充充电、脉冲充电等集中常见的充电模式。每种充电方法都有其独到的设计之处。现针对这几种常见的充电方法单独进行研究，并配合充电曲线图对充电质量和充电速度进行阐述。同样当今市场的蓄电池种类也繁杂多样，本文选取市面常见的铅酸蓄电池和锂电池作为研究样本，以上述四种充电方法作为测试手段，研究每种充电方法对样本在充电质量和充电速度上的优劣。

1 恒流充电

恒流充电顾名思义，指按照一定倍率的恒定充电电流对蓄电池进行充电，通过对充电电压和充电时间的判断作为充电结束标志。铅酸蓄电池一般选取1/20C20的充电电流，直至电压达到2.35V～2.45V之间的某个值，并继续充电2～3小时后结束充电。锂电池一般选取0.5C～1C的充电电流直至电压达到充电截止电压（不同材料的锂电池充电截止电压不同，但蓄电池厂家会做出明确指导）。

蓄电池的容量用“安·时”表示，单位是Ah，意义是1Ah电量就是1A的充电电流在1h时间内充入的容量，即1Ah=1A×1h。由此可以得出充电时间的表达式：

C表示蓄电池额定容量，单位为Ah；I表示充放电电流，单位为A；t表示充放电时间，单位为h。

代入（1）式可得：

图1

此计算中忽略了电池能量转化效率的问题，一般铅酸蓄电池的能量转换效率为1.3:1左右，锂电池的能量转化效率在1.1～1.2:1之间。也就是说，铅酸蓄电池要想充入1Ah的电量就需要充进去约1.3Ah左右的电量，其中0.3Ah的电量在过程中以热量和负反应进行了消耗。不管何种充电方法蓄电池的能量转化率基本不变，是成比例地存在，因此在本文中这几种充电方法的充电速度研究中进行了忽略，方便计算以及向读者阐述。

2 恒压充电

恒压充电是指充电过程中充电器输出的充电电压保持恒定，而充电电流随着蓄电池电压的上升而导致充电压差降低，以及电阻逐渐减小的综合因素作用以指数规律衰减。当下将到某一值时（一般为0），再持续充电2～3小时即可。

由于蓄电池的充放电过程是一个复杂多变的电化学反应过程，并且即使同一块蓄电池的每一次充放电曲线也不尽相同，因此，作者利用大量的试验数据统计到的在恒压充电中铅酸蓄电池和锂电池的充电时间为：

3 恒流--恒压--浮充充电

此种充电方法结合了前面两种充电方法，前期选择恒流充电，当电压达到某一特定值后转入恒压充电，此时充电电流开始下降，当下降到某一设定值后，转入浮充充电阶段，并此后一直维持浮充电压进行充电。同样，作者利用大量的试验数据统计到的在恒流--恒压--浮充充电中铅酸蓄电池和锂电池的充电时间为：

4 脉冲充电

脉冲充电是市场上新兴的一种充电方法，它是指充电电流按照一定的频率变化进行充电，后期进行限压/稳压处理，并持续2～3小时结束充电。同样根据大量试验测得铅酸蓄电池和锂电池的充电时间为：

至此，读者可以直观地看出每种充电方法的充电时间的量化值，但读者会问到为什么会出现这种情况。甚至提出既然蓄电池的容量是充电电流和时间的乘积，为什么不加大充电电流来提高充电速度？后面三种充电时间为什么用试验测试而不是计算得出？

现在作者就针对上述问题进行阐述：1、加大充电电流从理论上可以提高充电速度，当然，充电速度的提升只能依靠提高蓄电池的可承受的充电电流，但你不能无限制加大充电电流，过大的充电电流会对蓄电池带来一系列负反应，首先，过大充电电流会使充电电压急剧上升，电压超过额定值限制后就会发生电解水现象，蓄电池就会失水，同样蓄电池发热现象就会严重，造成蓄电池内部气压和温度上升，有鼓包和爆裂的危险；其次，过大的充电电流冲击蓄电池板栅，会造成上面的活性物质脱落，一旦活性物质确实，将会造成蓄电池容量下降。最后，经常性的失水会造成蓄电池产生硫化现象，并且内阻增大，蓄电池电气性能下降。因此，充电电流不可以不加限制地增大，只有在蓄电池可接受范围内才能增大充电电流，因此，按照蓄电池生产厂家的的指导意见充电是很有必要的。不同蓄电池厂家的配方不同、工艺不同所制作的蓄电池性能也不同，其充放电指导也就不同。针对读者的第2个疑问，在前面恒压充电中简单进行了解释，蓄电池的电化学反应过程受温度、电流、电压、蓄电池荷电状态、蓄电池能量转化率等多方面的因素制约，其每一次的充电曲线也不近相同，现在科技发展到今天的地步，还没有哪个理论或机构能够百分百通过充电判断蓄电池内部到底是存储了多少电量，蓄电池的存电量只能通过放电来加以判断，因此，作者通过大量的充放电试验，将放电量不能达到蓄电池额定容量的实现数据剔除（没充满，因此充电时间无意义），通过试验统计到的充电时间。

虽然充电曲线只是一个具有指导意义的图示，但其中包含的信息量很大，下面选取一个覆盖面更广的充电曲线图来进行信息解读，恒流--恒压--浮充基本覆盖了不同充电方法的充电曲线，如图1所示。

由图1可知：

（1）充电电流和充电电压的变化关系，恒流充电可参考恒流阶段曲线，恒压充电可参考恒压阶段曲线，脉冲充电基本与此图的“恒流--恒压--浮充”一致；

（2）电流曲线在横轴（t轴）上的阴影部分就是充电量，阴影部分的横向长度就是充电时间。将不同的充电曲线整合到同一比例的坐标上就可以判断出那种充电方法充电速度快，充电量足。如上图举例的恒流充电和恒压充电的曲线图所示，明显可以看出恒流充电的充电速度快但充电量小，因为恒流充电选取的是1/20C20的充电电流且持续不变，而恒压充电中，前期的充电电流较大，而最终的结束电流为0左右小于恒流充电的充电电流值，恒压充电是前期充电量较大，而后慢慢衰减，持续时间长，造成的结果就是充电足，但是充电时间长。通过曲线的解释就可以判断出来不同的充电方法的充电质量和充电速度。

在此，作者想引申一下目前市场上最常用的多阶段恒流充电，其主要原理就是前期大电流，到截止电压后，调为下一阶段的小电流充电，再到截止电压后，在调小电流以此类推，有几个阶段就推导几次。拿这种充电方法和恒流--恒压--浮充充电方法进行充电曲线比较，按照上述的充电曲线中阴影关系以及横轴长短的解读方法我们可以看出它的充电时间缩短了，但是充电量也相应地减小了。

5 综述

（1）脉冲充电速度最快，其次为恒流--恒压--浮充充电、多阶段恒流充电、恒流充电、恒压充电；

（2）不管何种充电方法都可以以恒流--恒压--浮充充电曲线图作为参考，将坐标比例调为一致可以判断充电速度和充电量的大小；

（3）不管何种充电方法，都是以蓄电池的额定截止电压为限制，原因是保护蓄电池的寿命和性能；

（4）脉冲充电其实目的是解决铅酸蓄电池充电过程中极化现象的问题，消除极化现象就可以适当调高充电电流值，在不损伤蓄电池的前提下可以提高充电速度。

（5）虽然不同充电方法的充电量有大有小，但是基本都符合蓄电池的使用要求，每种充电方法都是在蓄电池的充电量、充电速度和对蓄电池寿命之间做的平衡处理，而这些充电方法的使用基本都是与场合有关的，例如：UPS电源采用恒流--恒压--浮充模式、车辆发电机采用恒压模式、计量场所采用恒流模式等等。

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作者单位 宇能电气有限公司 河北省保定市 071051