1.2.2 脉冲充电技术

二次电池最主要的两个指标是有效容量及在有效容量条件下的循环使用寿命。这固然与二次电池本身的技术发展有关。然而，作为其能量再次补充的充电器是一个至关重要的设备，它直接决定着二次电池补充能量的有效程度以及循环使用寿命的长短。

二次电池能量的再次补充，必须依靠充电器来实现。在充电过程中，二次电池实际上是充电器的一个负载，这个负载有别于常见的阻性负载、容性负载及感性负载，而是一个时变、非定常、动态的负载。因此，必须了解清楚二次电池在充电过程中的电化学反应，分析充放电特性，才能设计出符合电池充电要求的充电器。

以阀控密封式铅酸蓄电池为例，蓄电池的正极为活性物质二氧化铅，负极活性物质为深灰色海绵状金属铅，如果不能采用有效的充电方式，将严重影响蓄电池的直接使用价值。常规的充电方法采用小电流慢充方式，对新的阀控密封式铅酸蓄电池初充电需70h以上，进行普通充电也需10h以上。充电时间过长，不但会拉长充电监测时间，造成电能的浪费；而且长时间小电流充电，极易造成充电过程出现“极化”现象，内部出现硫化结晶，极大地缩短了蓄电池的循环使用寿命。现在的分段式充电法，即先恒压、再恒流或先恒流、再恒压，在充电过程初期，充电电流远远小于蓄电池可接受的充电电流，因而充电时间太长；充电过程后期，充电电流又大于蓄电池可接受的电流，蓄电池内部温升很快，产生大量的气泡，致使充电副反应加剧，严重的还会导致蓄电池“热失控”，永久地损坏电池。采用恒流及恒压充电方式，要求充电器具有极高的稳压、稳流特性，精确的充电时间控制功能。这样才能降低充电过程中的副反应及“极化”现象。

1.脉冲充电方式的理论依据

根据充电过程中电池的化学反应，如果充电过程中能减小或消除副反应，去除极化内阻对充电电流的阻碍作用，则充电时间将大大缩短，充电有效容量将大大提高，由于副反应很小或几乎不存在，电池循环使用寿命也将大幅度提高。在做了大量消除电池充电过程副反应的研究工作中，发现无论怎样对传统的恒压、恒流方式进行改进，都不能消除充电过程中的副反应的存在；而极化电压的产生，与充电电流的大小及输出方式有密切关系。恒流、恒压的充电方式，其充电电流是不间断地一直输出，根本不可能消除电池的“极化”现象。

当二次电池充电停止时，二次电池的欧姆极化消失，浓差极化和电化学极化也逐渐减弱，充电副反应也随之停止。若能在电池充电过程中为其提供一条放电通道让其反向放电，则极化现象将迅速消失，二次电池的内部温度也会因放电而得到有效的控制，充电副反应也将不复存在。二次电池就可接受较大的充电电流，充电速度大大加快，充电容量也将大大提高，这就是脉冲充电方式的原始理论依据。试验证明，在对电池充电的过程中，适时地暂停充电，并且加入适当的放电脉冲，就可迅速有效地消除各种极化电压，从而提高充电速度。

充电器的充电电流以脉冲方式输出，还可以加快活性物质的反应速度，有效地防止电解液硫化结晶，并且可以有效地击碎已经出现的结晶颗粒。脉冲电流充放电对电池极板有加强其韧性的效果，可以大大提高蓄电池的循环使用寿命；同时，由于电池“极化”现象的消失，脉冲电流又可以深层次地激活电池内部的活性物质，从而大幅度地提高了电池的充电有效容量。

2.脉冲充电方法

脉冲充电方法不仅遵循阀控密封式铅酸蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高阀控密封式铅酸蓄电池充电接受率，从而打破了阀控密封式铅酸蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是阀控密封式铅酸蓄电池充电理论的新发展。

脉冲充电方式首先是用脉冲电流对阀控密封式铅酸蓄电池充电，然后让阀控密封式铅酸蓄电池停充一段时间，如此循环，如图1-11所示。

图1-11 脉冲充电曲线

脉冲快速充电的过程是：先用0.8～1倍额定容量的大电流进行恒流充电，使阀控密封式铅酸蓄电池在短时间内充至额定容量的50%～60%，当单格阀控密封式铅酸蓄电池电压升至2.4V开始冒气泡时，由充电装置的控制电路自动控制，开始脉冲快速充电，首先停止充电25ms（称为前停充），然后再放电或反向充电，使阀控密封式铅酸蓄电池反向通过一个较大的脉冲电流（脉冲深度一般为充电电流的1.5～3倍，脉冲宽度为150～1000μs），然后再停止充电40ms（称为后停充），以后的过程为正脉冲充电—前停充—负脉冲瞬间放电—后停充—正脉冲充电……循环进行，直至充足电。脉冲快速充电的优点是充电时间可大大缩短（新二次电池充电仅需5h，补充充电需1h）。

脉冲快速充电方法的理论基础就是通过在充电电流中叠加一定频率、宽度、高度的负脉冲或短时间的停充电，使参加反应的Pb⁺离子来得及生成并提高其浓度，又使生成的H⁺和离子来得及从电极表面附近移开，其综合效果是降低了浓差极化，允许加大充电电流缩短充电时间。

应当指出，阀控密封式铅酸蓄电池在充电过程中端电压是不断升高的，也就是说在不同的充电阶段阀控密封式铅酸蓄电池的极化分布情况是不同的，因而在设计脉冲充电装置时，应根据阀控密封式铅酸蓄电池充电时允许达到的电压值来自动调节充电电流和时间；同时还必须按照在负脉冲放电过程中，阀控密封式铅酸蓄电池电压下降值来自动调节负脉冲的宽度和高度。这样虽然充电电流很大，但由于适时地有效地采取了降低浓差极化的措施，阀控密封式铅酸蓄电池电压上升就慢，使阀控密封式铅酸蓄电池充入更多的电量。目前，开发的智能化充电装置就是考虑到这些情况后进行设计的。

（1）Reflex^TM快速充电法

Reflex^TM快速充技术是美国的一项专利技术，它主要面对的充电对象是镍镉蓄电池。由于它采用了新型的充电方法，解决了镍镉蓄电池的记忆效应，因此大大降低了蓄电池的快速充电的时间。阀控密封式铅酸蓄电池的充电方法和对充电状态的检测方法与镍镉蓄电池有很大的不同，但它们之间可以相互借鉴。Reflex^TM快速充电法的一个工作周期包括正向充电脉冲、反向瞬间放电脉冲和停充维持3个阶段，如图1-12所示。

图1-12 Reflex^TM快速充电法

（2）变电流间歇充电法

变电流间歇充电法是建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，如图1-13所示。其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将蓄电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使阀控密封式铅酸蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了阀控密封式铅酸蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使阀控密封式铅酸蓄电池可以吸收更多的电量。

图1-13 变电流间歇充电曲线

（3）变电压间歇充电法

在变电流间歇充电法的基础上又有人提出了变电压间歇充电法，如图1-14所示。与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。

比较图1-13和图1-14，可以看出，图1-14更加符合最佳充电的充电曲线。在每个恒电压充电阶段，由于是恒压充电，充电电流自然按照指数规律下降，符合蓄电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。

（4）变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法

综合脉冲充电法、Reflex^TM快速充电法、变电流间歇充电法及变电压间歇充电法的优点，研发出变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法。此种充电法对充电电路的控制一般有两种：

图1-14 变电压间歇充电曲线

1）脉冲电流的幅值可变，而PWM（驱动充放电开关管）信号的频率是固定的。

2）脉冲电流幅值固定不变，PWM信号的频率可调。

图1-15采用了一种不同于这两者的控制模式，脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定，PWM占空比可调，在此基础上加入间歇停充阶段，能够在较短的时间内充进更多的电量，提高蓄电池的充电接受能力。

图1-15 波浪式正负零脉冲间歇快速充电曲线

现代脉冲智能充电器，以高频开关电源技术为基础，嵌入先进的智能控制数字电路。采用智能检测和控制技术调节充电器的脉冲输出比例，实现可控去极化功能。在充电过程中，采用自适应技术实时检测电池的充电情况自动调整充电模式，实现最佳模式控制。现代脉冲智能充电器还具有完善的保护功能，最大限度地保证充电设备运行的稳定性及可靠性。在效果方面，电池的充电时间缩短，提高了电池充电的有效容量，并延长了电池的使用寿命。

总之，脉冲智能充电器在科技含量、充电效果方面表现出充电时间短、充电效率高、充电容量大以及延长电池使用寿命等优势，具有一般阶段式充电器无法比拟的优点。以高频开关电源为基础的脉冲充电技术发展和进步，必将直接影响、促进和提高采用二次电池供电产品的技术品质和商品化的性能。