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蓄电池初始充电电流与充电同意率的研究[优质文档] 蓄电池初始充电电流与充电接受率的研究 来源:机房360 作者:小柯 整理 更新时间:2010/4/19 20:33:33 摘要:充电接受率是蓄电池不可忽视的重要性能,充电接受率的提高是快速充电的关键。本文研究了蓄电池在恒流-恒压充电模式中,不同充电接受率下电流衰减指数的变化,以及初始电流和初始电解液密度对电流衰减指数的影响,推论出在此充电模式下,电流衰减指数的大小表征了充电接受能力的高低,电流衰减指数大表明充电接受率高;电流衰减指数小表明充电接受率低。当初始充电电流与初始电解液密度之间保持“最佳配 比关系”时,可获得最大电流衰减指数,即达到单体电池最大充电接受率。 1 前言 充电是可充电电池补充能量的唯一手段,同样的电池在不同的充电条件下会表现出很大的性能差异。不恰当的充电方式很容易造成电池性能大幅下降[1],例如,在充电过程中产生的析气、发热都会导致活性物质脱落,使电池容量下降、寿命缩短。在电池的充电过程中,电流可分为两部分,一部分是有效部分,另一部分是无效部分。在无效部分为极小值时,即达到马斯理论的理想状态,由此得到的电流曲线即为马斯理想充电曲线,此时电流满足以下: -at i(t)=Ie (1) o 公式中:I为最大初始电流; o α为电流衰减指数,又称为充电接受率[2]。 充电接受率是蓄电池的关键性能,对快速充电起着决定性的作用。若按马斯理想充电曲线进行充电,则充电时间t与α成反比,即α越大,充电时间越短;反之,α越小,充电时间越长[3]。因此充电接受率的研究对提高电池寿命、改善电池性能、解决电池容量逐次减少等问题起着重要作用。 目前,国内外电池制造厂商对充电接受率已进行了大量的研究,普遍的研究着重于蓄电池制造工艺的改进[4-5],但在改善电池管理手段、提高成品电池充电接受率方面的研究不多,而单体电池的充电接受率将影响整体电池组的工作特性和效率,因此对单体电池充电接受率的研究有十分重要的意义。 本文以单体蓄电池为研究对象,采用“恒流—恒压”充电和恒流放电模式对成品电池充电接受率与电流衰减指数进行深入研究,并探讨电流衰减指数对充电接受率的表征作用,以及 初始充电电流和初始电解液密度对电流衰减指数的影响,从而获得最大电流衰减指数,提高充电接受能力。 2 工作模式 本文以BX7B-3A7Ah/12V电池为研究对象,采用两阶段(恒流一恒压)充电模式(图1)。当电池电压达到电源电压的限值(设置为2.5V)后,即转化为恒压充电。从恒压充电开始电源的输出电压保持恒定,而充电电流开始衰减。充电初始电流限制在0.2C10—0.4C10区间,恒流时间To在10min~120min左右。电流衰减到0.05C10(一般的浮充电流)的时间tmid在150min~220min范围内。在充电过程中析气量很小,温度为25??2?。这种充电模式十分接近“分段恒流充电”[6]。在实验中电源型号为GCA6-36V/30A,且放电电流为恒流放电(0.257C10),放电的终止电压为1.75V。所有短时充电试验都间隔3次满充电,以保证电池性能不受前次不良充/放电的影响。 3 充电接受率与电流衰减指数的关系 由于在实践工作中很难保证“马斯理想充电”状态,公认与其最为接近的充电方式为“叵流一恒压”分段式充电方式。在保证小出气量条件下,使恒流时间co尽量接近零时,基本达到“马斯最佳充电”状态。此时的电流衰减指数最为接近马斯理论中的充电接受率α。 根据马斯理论推导出如下公式[3]: (2) 其中α为任意时刻的电流衰减指数;i为任意时刻充电电流;为待充入容量。 在分段充电过程中,电流接受率α呈阶段性变化: (i)在充电的初始阶段,初始充电电流i受到充电设备、蓄电池工艺等因素影响,达不到理想的理论值,相比较之下Cr较大,i相对较小,因此。近似为零α从式(1)可推导出α为零,电流i(t)=Io,即为图1中曲线的水平段。 (ii)在to~tmid~d区间,待充入电量Cr,迅速减小,而充电电流在电池电压快速上升的因素影响下快速衰减,使α维持恒定。此时的α与“最佳充电”曲线上的理论值最为接近。 (iii)在充电进入到大量析气阶段,用于充电的有效电流急剧减少,而待充人容量Cr,减少缓慢,因此α低于“最佳充电”曲线上的理想值。尤其在充电的后期,实际电流衰减指数比理想值要小得多。 由于在如图1所示的恒流—恒压充电模式中,t~t区间电流衰减指数最为接近“理想充omid 电”状态中的充电接受率,因此将电流急剧衰减段的。称为电流衰减指数。 在以下的推理过程中借助充电效率η%(充电效率等于电池放电时提供的电量与在规定条件下恢复到放电前初始荷电状态时充入的电量之比)表征充电质量,因为充电效率可以体现蓄电池能量的可逆程度[7]。实验发现,充电效率是时间的函数,充电时间越长,充电效率越低;反之,充电时间越短,充电效率越高。并且充电效率的高低与电池性能的好坏有关:电池性能好时,充电效率高;而性能差时,充电效率变差。在表1中,充电时间为6h,采用相同的充电初始条件(初始荷电状态、初始充电电流等)。结果显示,当电流衰减指数越大时,充电效率越高;反之,电流衰减指数越低时,充电效率越低。另外,循环次数与电流衰减指数的关系如图2,循环次数少的电池,电流衰减指数明显高,循环次数大的电池。 其电流衰减指数通常较小。普遍认为循环次数少时,电池的充电接受率高,而循环次数多的电池,充电接受率低。 由此得出结论,电流衰减指数与充电接受率的关系:充电接受率大,电流衰减指数大;充电接受率小,则电流衰减指数小。即可以用电流衰减指数表征充电接受率。 3 实验中观测到,t时刻停止充电,稳定5h后电解液的密度一般达到1.25kg/m左右,根mid 据公式: UK=p+0.84 (3) 3 其中UK为蓄电池单格开路电压,单位:V;p为电解液密度,单位:kg/m。则对应开路电压=12.54V。电池的开路电压与电池的荷电状态SOC有准线性关系[18],且将密度为 31.10~1.30kg/m确定为对应荷电状态SOC为0~100的变化范围,则对应开路电压的变化范 3围为11.64~12.84V。如图3所示。因此电解液密度为1.25kg/m对应电池的SOC接近85%,从而:在0~t时间内,蓄电池基本完成充电的绝大部分。但对于性能较差的电池,在tmidmid充电时间内密度上升较少,且充电效率较低。表2显示了4组电池充电时间为t的电解液mid密度增加情况,其中第4组电池由于长时间进行的浅放电实验使其性能大大退化,因此其电解液密度的上升很小。因此对恒流一恒压式充电方式,电流衰减指数越大,t越小,充电时间越mid短;电流衰减指数越小,t越大,充电时间越长。 mid 图2不同循环次数下的电流衰减指数 表2在t时间内电解液密度上升情况 mid 图3开路电压与SOC关系曲线 4 电流衰减指数与初始充电电流的关系 以上分析表明,成品电池充电接受能力强,其电流衰减指数大,因此快速充电的关键是提高电流衰减指数。由式(2)分析,任意时刻的电流衰减指数取决于充电电流与待充入的容量之比。当初始待充入容量Cr,一定时(初始电解液密度相同),电池α越大(即充电接受能力越强),允许初始充电电流越大;反之,当电池性能变差时,充电接受能力变差,电池α变小,其允许的初始充电电流越小。对于充电接受能力相同的电池,待充α容量Cr,越小(即初始电解液密度越大),允许初始充电电流越小;反之,允许初始充电电越大。根据 试验结果绘制出初始电解液密度与初始充电电流对应所得到的电流衰减指数,如图4。试验结果显示: 1)相同的初始电解液密度(待充人容量)下,采用不同的初始充电电流可获得不同的电流衰减指数。 2)对于相同的初始充电电流,不同的初始电解液密度(待充入容量)下得到的电流衰减指数也不同。 图4不同的初始充电电流下α随初始电解液密度变化情况 由图4可以看出初始电解液密度与初始充电电流之间存在一个“最佳配比”,在该“最佳配比”关系下,可以获得最大的电流衰减指数。 综上所述,要获得最大的电流衰减指数,需要初始充电电流与初始电解液密度之间的最佳配合。较大的初始电解液密度,只能采用较小的初始充电电流;而较小的初始电解液密度,允许采用较大的初始充电电流以获得较大的电流衰减指数。因此合理的设置初始充电电流,可以达到最快速充电的效果。 5 结论 本文分析了电流衰减指数在分段式充电模式下各个阶段的实际情况,从不同角度分析了电流衰减指数与充电接受率的关系,从而得出结论:对于成品电池,电流衰减指数越大,充电接受能力越强;电流衰减指数越小,充电接受能力越差。实验结果表明,每一次充电的电流衰减指数是由电池的初始电解液密度和初始充电电流决定的。初始充电电流与初始电解液密度之间存在“最佳配比关系”,在这个“最佳配比关系”下充电可以得到最大的电流衰减指数,即达到充电最快。 参考文献: [1]吴敬民.电动自行车用蓄电池的充电方式对电池性能的影响In.蓄电 池,2002(2):62-64. [2)朱松然.铅蓄电池技术[M].北京:机械工业出版社,2002(第2版). [3]冯仁斌,等.铅酸蓄电池的快速充电[J].电源技术,2003,27(1):72-74. [4]柴树松.汽车免维护蓄电池充电接受能力的分析[J].蓄电池,2003(2):55-59. [5]吴寿松.谈铅酸蓄电池的充电接受率[J].电池,2005,35(5):388-389. [6]陈静瑾,余宁梅.阀控铅酸蓄电池分段恒流充电特性的研究[J].电源技 术,2004,28(1):32-33. [7]宿站寰,汪笃达.阀控式铅酸蓄电池充电效率检测及分析闭.蓄电池,2002(2):55-59. [8]李贵海.电池SOC估算策略研究[D].浙江大学硕士学位,2006. 责任编辑:小柯