浅论电动自行车电池的优化充电方法(2)——电动车电池充电器改进方法 赵杰权;谢俊春;张骥小;柳厚田
【摘 要】电池的充电过程对电池的循环使用寿命有至关重要的影响.本文分析了电动自行车电池充电的特点及对充电器的要求,总结了目前三段式充电器存在的不足.根据密封电池的特点,提出了对电池充电器改进的一些思路和建议.
【期刊名称】《蓄电池》
【年(卷),期】2013(050)006
【总页数】9页(P243-251)
【关键词】电动自行车电池;三段式充电器;充电制度;优化充电;使用寿命
【作 者】赵杰权;谢俊春;张骥小;柳厚田
【作者单位】埃克塞德电源(上海)有限公司,上海200042;埃克塞德电源(上海)有限公司,上海200042;埃克塞德电源(上海)有限公司,上海200042;复旦大学化学系,上海200433
【正文语种】中 文
【中图分类】TM912.9
对电池而言，要想获得较长的循环寿命，需要电池在充足电的情况下，电池的过充电量尽量小。即电池在整个使用寿命期间，其充电量要符合最小过充电量原则。故优化电动车电池充电的目标，就是控制电池的充电过程，以确保电池在不欠充电的情况下，以最小过充电量完成对电池的充电[6-7]。 对三段式充电器，由于没有环境控制，必须要增加温度补偿功能。除此之外，建议增加如下的一些优化措施，以控制电池的充电过程和过充电量，从而延长蓄电池的循环使用寿命。
3.1 优化三段式充电参数，适当提高高电压恒压值，降低涓流的低电压恒压值
根据前述对浮充电压值的分析，浮充阶段的补充充电意义不大，反而难以控制。因此，可将限流恒压值适当提高，少量增加恒压限流阶段的充电电量，使充电器在转灯之前，已达到希望的过充电量，即电池已完全充好电。而在浮充阶段，电池基本不充电，仅维持开路
电压即可。因此，可以降低浮充电压值。即采用如下图9 中所示的充电模式。
根据文献报道[11]，对 12 V 电动车电池，采用14.80～14.90 V 的恒压值和较高的转灯电流，电池每次放出的容量均较高，可以很好地保持其初期容量。同时，采用较高的转灯电流，减少了电池使用后期由于尾电流的增加而不转灯的危险，从而延长了电动车电池的使用寿命。
这种改进方式最好和定时/限时充电模式结合，可有效控制充电量和过充电量，所以效果会更好，该方面信息可参看后面的定时或限时充电控制介绍。
3.2 将第三阶段的恒压值改为定时恒流值，以延长电池寿命[6]
该方法是将常规的恒压限流充电更改为恒压—恒流联合充电，即所谓的 IUI 方法。如图10所示，这种充电方式是将三段式充电器的第三阶段浮充充电更改为恒流定时充电，其充电电流通常采用较低电流值，充电时间持续 1～2 h。这种方法是结合恒压限流充电和恒流充电的优点而形成的一种有效的密封电池充电方法。 采用这种方式充电，由于充电末期采用低恒电流定时充电，在电池充电末期可很好地控制
过充电因子，基本不会发生充电不足现象，可大大降低出现单只落后的可能性。
由于这种方法前期仍是恒压限流充电，随着电池的逐渐老化，也可能出现不转灯的情况。因此，这种方法的恒压阶段控制若与定时/限时充电相结合，可取得很好的效果。在恒压限流阶段，限制恒压充电时间（转灯时间），从而可避免电池由于逐渐老化，尾电流增加而不转灯的情况发生。另一方面，随着电池的老化和电解液饱和度的下降，更多的电流被氧循环消耗掉。当氧循环的电流超过末期步骤的电流值，电池将不能完全充电，可能会造成电池容量逐渐衰减。针对此问题，末期恒流充电可选用较高电流/持续充电时间较短的末期步骤（如图中虚线所示）。此种方法可保证电池适当过充，不会产生热失控现象，从而大大延长密封电池的使用寿命。但由于每次均有一定过充，可能导致电池析气、干涸、板栅腐蚀等问题。
3.3 将第三阶段的恒压充电改为间歇充电控制，减少过充电量，延长电池寿命
该种方法是近年发展起来，比较适合密封铅酸电池特性的一种充电方法[6]。其充电控制过程如图11所示。当蓄电池快要充足电时，转入间歇充电模式。在间歇期，当电池的电压达到充电的触发电压，电池开始充电，当电池的电压达到设定的限压值，蓄电池停止充电。
在转灯的初期，由于电池的电压较低，充电周期较长，随着电池荷电态的增加，充电的时间会越来越短，出现类似于末期脉冲充电的现象。
当蓄电池被采用间歇充电即 IC 充电方式时，由于有间歇时间，可避免电池末期的连续过充电，而且降低电池内的浓差极化，使蓄电池既充足电，又尽量减少其过充，这样电池的失水速率可大大降低，从而延长蓄电池的使用寿命。
采用这种方法充电，也可采用较高的转灯电流，但该方法不能消除随着电池循环的进行，电池不断老化，会出现不转灯的问题，因此，该方法最好与后续的定时充电结合，如此则延长电池循环寿命的效果会更好。
3.4 采用多阶段限流恒压充电方法，可有效控制电池的充电过程，减少析气，从而延长电池的寿命
该法也属于恒压—恒流联合充电方法[6]，是将三阶段充电中的第一阶段恒流限压更改为多阶段恒流限压（如图12）。其具体过程为：首先采用相对较高的电流，采用低电压限制。当电池充电电压达到限制电压时，降低电流继续充电；当充电电压再次达到限制电压时，
再次降低电流继续充电。该过程可重复多次。当电流降至规定值后转入恒压限流充电或直接转入第三阶段的浮充或恒流充电。
多阶段恒流充电曲线可以非常接近理想的电流充电曲线。每次充电，各只电池的充电量均等。可以很好地限制所充安时数和充电因子。虽然它的充电阶段可能较多，但它能减少过充电量。采用这种充电方法，可降低板栅的腐蚀和电池析气的速率。由于采用了限压措施，也会发生充电不足的现象，在电池使用的后期，也可能发生充电不转灯现象。
3.5 采用定时或限时充电方法，将电池的过充电量控制在合适的水平
当循环充电时，终止方法与充电方法本身同样重要，某些情况下甚至更重要。采用定时控制，是控制充电过程的一种非常重要而且有效的方法。对三段式充电的定时控制，可根据充电定时的次数分为单阶段时间控制、双阶段时间控制和三阶段时间控制。
3.5.1 单阶段时间控制
3.5.1.1 控制电池浮充充电的时间
如图13所示，这种充电方式类似于前述末期恒流定时充电方法。采用这种充电控制模式充电，充电器的转灯电流可适当提高，当充电容量达到合适的安时数时，充电终止，其末期充电时间一般为0.5～2 h。由于转灯电流可适当提高，且末期的过充电量能有效控制，即使发生电池的老化，电池的过充电时间有限，可抑制热量的大量积累。因此，这种方法可大大延迟电池热失控发生的时间，从而延长电动车电池的使用寿命。
3.5.1.2 控制电池充电后期充电时间
此种方法是电池在充电达到恒压阶段时，取电流下降的某一点作为计时起点，控制该点到充电结束的时间。如图14所示。用这种方法充电时，当恒压充电电流下降到规定的数值，也发生转换，是双重控制，起双保险作用。
这种方法由于计时的起点在恒压阶段，在蓄电池使用的初期，充电器正常转灯，这种方法类似于前述控制浮充充电时间。当电池发生老化，电池不转灯，以恒压值充电到规定时间时，充电器也停止充电，因而消除了不转灯对蓄电池长时间连续充电这种可能的发生，从而延长了蓄电池的使用寿命。
3.5.1.3 高电压限时充电
此种方法是电池在充电达到恒压阶段时，取电流下降开始点作为计时起点，控制该点到需进行浮充充电转换的时间，如图15所示。采用此方法，当恒压充电时，电流下降到规定的数值，充电器发生自然转灯。当蓄电池发生老化，充电电流不能下降到规定值时，充电到规定时间也发生强制转灯。因此，这种充电方法是双过程控制。由于恒压阶段的充电可控，可有效消除热失控的发生，从而延长电池的使用寿命。
3.5.2 双阶段时间控制
3.5.2.1 控制高恒压充电和浮充充电的时间
此种方法是前述高恒压限流充电和控制浮充充电的结合，以便更有效地控制电池的整个充电过程。如图16所示。在整个恒压充电过程中，当电流下降到规定数值时，也发生转换，也是双重控制。采用这种方法，可有效消除电池在使用后期不转灯的现象，有效控制电池的过充情况，因而可延长蓄电池的使用寿命。
3.5.2.2 控制前期充电和后期充电
这种定时控制方法参见图17。这种方法是以开始充电到转灯时刻作为一个时间控制点，以
前述一阶段中的浮充充电时间或后期充电时间作为另一个时间控制点，以更好地控制电池的充电过程。即使发生蓄电池的老化，由于有时间控制，到规定时间充电器也可正常转灯。从而消除了电池长时间充电或充电器充电不转灯现象，延长蓄电池的使用寿命。这种充电方式也是双重控制。
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