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电池的充电过程通常可分为预充电、快速充电、补足充电、涓流充电四个阶段。 

 

对长期不用的或新电池充电时,一开始就采用快速充电,会影响电池的寿命。因此,这种电池应先用小电流充电,使其满足一定的充电条件,这个阶段称为预充电。 

 

快速充电就是用大电流充电,迅速恢复电池电能。快速充电速率一般在1C以上,快速充时间由电池容量和充电速率决定。 

 

为了避免过充电,一些充电器采用小电流充电。镍镉电池正常充电时,可以接受C/10或更低的充电速率,这样充电时间要10h以上。采用小电流充电,电池内不会产生过多的气体,电池温度也不会过高。只要电池接到充电器上,低速率恒流充电器就能对电池提供很小的涓流充电电流。电池采用小电流充电时,电池内产生的热量可以自然散去。 

 

涓流充电器的主要问题是充电速度太慢,例如,容量为1Ah的电池,采用C/10充电速率时,充电时间要10h以上。此外,电池采用低充电速率反复充电时,还会产生枝晶。大部分涓流充电器中,都没有任何电压或温度反馈控制,因而不能保证电池充足电后,立即关断充电器。 

 

快速充电分恒流充电和脉冲充电两种,恒流充电就是以恒定电流对电流充电,脉冲充电则是首先用脉冲电流对电池充电。然后让电池放电,如此循环。电池脉冲的幅值很大、宽度很窄。通常放电脉冲的幅值为充电脉冲的3倍左右。虽然放电脉冲的幅值与电池容量有关,但是,与充电电流幅值的比值保持不变,脉冲充电时,充电电流波形如图1-4所示。 

 

 

 

充电过程中,镍镉电池中的氢氧化镍还原为氢氧化亚镍,氢氧化镉还原为镉。在这个过程中产生的气泡,聚集在极板两边,这样就会减小极板的有效面积,使极板的内阻增大。由于极板的有效面积变小,充入全部电量所需的时间增加。 

 

加入放电脉冲后,气泡离开极板并与负极板上的氧复合。这个去极化过程减小了电池的内部压力、温度和内阻。同时,充入电池的大部分电荷都转换为化学能,而不会转变为气体和热量。 

 

充放电脉冲宽度的选择应能保证极板恢复原来的晶体结构,从而消除记忆效应。采用放电去极化措施后,可以提高充电效率并且允许大电流快速充电。 

 

采用某些快速充电止法时,快速充电终止后,电池并未充足电。为了保证充入100%的电量,还应加入补足充电过程。补足充电速率一般不超过0.3C。在补足充电过程中,温度会继续上升,当温度超过规定的极限时,充电器转入涓流充电状态。 

 

存放时,镍镉电池的电量将按C/30到C/50的放电速率减小,为了补偿电池因自放电而损失的电量,补足充电结束后,充电器应自动转入涓流电过程。涓流充电也称为维护充电。根据电池的自放电特性,涓流充电速率一般都很低。只要电池接在充电器上并且充电器接通电源,在维护充电状态下,充电器将以某一充电速率给电池补充电荷,这样可使电池总处于充足电状态。

 

快速充电终止控制方法 

 

采用快速充电法时,充电电流为常规充电电流的几十倍。充足电后,如果不及时停止快速充电,电池的温度和内部压力将迅速上升。内部压力过大时,密封电池将打开放气孔,从而使电解液逸散,造成电解液的粘稠性增大,电池的内阻增大,容量下降。 

 

从镍镉电池快速充电特性可以看出,充足电后,电池电压开始下降,电池的温度和内部压力迅速上升,为了保证电池充足电又不过充电,可以采用定时控制、电压控制和温度控制待多种方法。 

 

(1)定时控制 

 

采用1.25C充电速率时,电池1h可充足;采用2.5C充电速率时,30min可充足。因此,根据电池的容量和充电电流,很容易确定所需的充电时间。这种控制方法最简单,但是由于电池的起始充电状态不完全相同,有的电池充不足,有的电池过充电,因此,只有充电速率小于0.3C时,才允许采用这种方法。 

 

(2)电压控制 

 

在电压控制法中,最容易检测的是电池的最高电压。常用的电压控制法有: 

 

最高电压(Vmax) 从充电特性曲线可以看出,电池电压达到最大值时,电池即充足电。充电过程中,当电池电压达到规定值后,应立即停止快速充电。这种控制方法的缺点是:电池充足电的最高电压随环境温度、充电速率而变,而且电池组中各单体电池的最高充电压也有差别,因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池已足充电。 

电压负增量(-ΔV) 由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关,而且不受环境温度和充电速率等因素影响,因此可以比较准确地判断电池已充足电。这种控制方法的缺点是:电池电压出现负增量后,电池已经过充电,因此电池的温度较高。此外镍氢电池充足电后,电池电压要经过较长时间,才出现负增量,过充电较严重。因此,这种控制方法主要适用于镍镉电池。 

 

电压零增量(0ΔV) 镍氢电池充电器中,为了避免等待出现电压负增量的时间过久而损坏电池,通常采用0ΔV控制法。这种方法的缺点是:充足电以前,电池电压在某一段时间内可能变化很小,从而造成过早地停止快速充电。为此,目前大多数镍氢电池快速充电器都采用高灵敏-0ΔV检测,当电池电压略有降低时,立即停止快速充电。 

 

(3)温度控制 

 

为了避免损坏电池,电池温度过低时不能开始快速充电,电池温度上升到规定数值后,必须立即停止快速充电。常用的温度控制方法有: 

 

最高温度(Tmax) 充电过程中,通常当电池温度达到45℃时,应立即停止快速充电。电池的温度可通过与电池装在一起的热敏电阻来检测。这种方法的缺点是热敏电阻的响应时间较长,温度检测有一定滞后,同时,电池的最高工作温度与环境温度有关。当环境温度过低时,充足电后,电池的温度也达不到45℃。 

 

温升(ΔT) 为了消除环境影响,可采用温升控制法。当电池的温升达到规定值后,立即停止快速充电。为了实现温升控制,必须用两只热敏电阻,分别检测电池温度和环境温度。 

 

温度变化率(ΔT/Δt) 镍氢和镍镉电池充足电后,电池温度迅速上升,而且上升速率ΔT/Δt基本相同,当电池温度每分钟上升1℃时,应当立即终止快速充电,这种充电控制方法,近年来被普遍采用。应当说明,由于热敏电阻的阻值与温度关系是非线性的,因此,为了提高检测精度应设法减小热敏电阻非线性的影响。 

 

最低温度(Tmin) 当电池温度低于10℃时,采用大电流快速充电,会影响电池的寿命。在这种情况下,充电器应自动转入涓流充电,待电池的温度上升到10℃后,再转入快速充电。 

 

(4)综合控制 

 

上述各种控制方法各有优缺点。为了保证在任何情况下,均能准确可靠地控制电池的充电状态,目前快速充电器中通常采用包括定时控制、电压控制和温度控制的综合控制法。

 
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