[科普中国]-充电特性

蓄电池的充电特性是指在恒流充电过程中，蓄电池的端电压u、暂时电动势E、静止电动势Ej和电解液密度随充电时间的变化关系。蓄电池充电终了的主要标志是：单体电池的端电压升高到2.7V左右而不再升高；电解液比重不再增大；电解液中出现大量气泡，呈现所谓沸腾状态。

简介当蓄电池放电达到截止电压或终止电压时，充电特性随着充电电流、充电时间和温度而变化。图8-9所示是常用蓄电池的典型充电特性曲线。如图可见，不同类型的蓄电池的充电特性曲线是不同的，与放电曲线相比差异大。由此引出对于充电方式个性化的要求。按照充电特性要求，不同类型蓄电池有不同的充电方法，同类电池也可以采用多种充电方式。其共性是在充电过程中必须严格控制电压和温度，防止过充和过热，否则可能造成蓄电池永久性损坏，甚至发生事故。就蓄电池充电方法而言，总体上是立足于充电电压和电流的控制，形成电压控制型充电、电流控制型充电、电压和电流联合控制型充电。经过长期摸索，找到有一些适合不同蓄电池的通用充电方式，如在低充电率下采取单一恒流充电，或者在高充电率下采用脉冲电流就必须停止放电，并需要及时充电。然而，显然它们不能完全满足个性化安全高效的要求。1

充电特性分析1.完全充电

按照IEC/T21规定，VRLA蓄电池在温度(25±2)℃，以恒定电压u充电16h，或在恒定电压u充电，充至3h内充电电流仍稳定不变，这两种条件均属于VRLA蓄电池被完全充足电。恒定电压U值一般由电池生产厂家规定，充电电压和充电方法随电池用途不同可以不同。完全充电又称恢复充电。

图2-6所示表示的是GFM500在放电深度为100%用0.1C10A的电流，限压2.35V(25℃)进行充电的特性曲线。从图中可以看出，完全放电后的蓄电池，充电24h后，充入电量可达120%以上。

图2-7所示为GFM500在放电深度100%后用0.1C10A的电流，限压2.23V(25℃)进行充电的特性曲线。充电24h后，充入电量可达110%以上。

2.充电特性曲线定性分析

VRLA蓄电池100%放电后(见图2-6和图2-7)，在充电过程中，电池电流在充电前期0～7.5h内恒定不变，即保持电流为0.1C10A。电池端电压逐渐上升至均充电压2.35v/R或浮充电压2.23V/只，之后电压恒定不变。在充电时间自7.5h～10h内，充电电流迅速按指数规律衰减，在10h～20h内衰减减慢，充电结束前几小时起，电流不再改变。其各阶段情况分析如图示。

(1)在电池充入电量至70%～80%之前，利用整流器的限流特性维持充电电流不变，此过程电池端电压几乎呈直线上升，其公式为。

(2-7)

式中，φ+和φ一是电池有充电电流的正极或负极极化电势，其中包含平衡电极电势E+或E-，还包含电化学极化及浓差极化产生的过电位η+或η-。恒流充电过程中，随着电极表面活性物质小孔内电解液浓度增加而提升或变得更负。η+或η-随电流密度增大所产生的电化学极化与欧姆极化的加剧，其值向正或负方向增加。又受浓差极化的作用，有维持η+被提升和η-继续变负的趋势。直到整流器从稳流工作方式转变为稳压工作方式，电池端电压才被限制到设定值。

(2)当电流的端电压上升至稳压点附近时，由于充电历程已到中后期，此时正极板上PbSO4数量已不多，使交换电流密度随反应面积的变小而增大，所以电化学极化作用已经变小，而电池内阻也明显减少。但是，充电的真实表面积已经变小了，故引起了电极真实电流密度的增大。继而使电极表面附近电解液浓度增高，导致浓差极化影响严重，造成电池内电流迅速衰减。

(3)当充电至后期，电池电流已明显变小，所以浓差极化作用随之减小。而电化学极化作用影响又增加，所以电池电流继续衰减，只是衰减速度变慢。

(4)充电末期，充入电池的电流大部分用于维持电池内氧循环，仅极小的电流用于维持活性物质的恢复，因而电池电流稳定不变。

以不同的充电电压对VRLA蓄电池充电时，电压如用2.23V/只时气压增长较缓慢，充电后期的气压也较平稳；如用2.40V/只以上时，水分解较多，电池内产生较多氢气，数量增多后导致氧循环失效，所以忌用高压长期充电。

3.均衡充电

VRLA蓄电池在使用过程中，有时会发生容量、端电压不一致的情况，为防止其发展为故障电池，所以要定期履行均衡充电。除此之外，凡遇下列情况也需进行均衡充电：一是单独向通信负荷供电15min以上，二是电池深放电后容量不足。

均衡充电方法视具体情况而定。

(1)希望通过均衡充电来改善VRLA电池特性参数，这种情况可采用定期全充电方法。用户在维护中用充电监测器设定周期充电时间(如每三个月或半年)，当VRLA蓄电池浮充运行至设定时间时，整流器自动提升电池端压，待充电至数小时后又转为浮充即可。通过提升电池端压而提升充电电流，可使落后的VRLA电池容量被补足。

(2)希望通过均衡充电恢复VRLA蓄电池在放电之后的容量，常用的方法有两种，一是按完全充电方法进行，二是先浮充再升压，即采用递增电压法。

充电所需的时间，由电池放电深度、限流值选择的大小、充电期间的温度以及充电设备的性能等因素决定。各种产品限流点设定值不尽相同，通常为(0.15～0.25)C10A，但有的国家也采用0.1C10A，也有的采用0.3C10A。充电时问不宜过长，原因如前所述，VRLA蓄电池内的氧再化合效率取浮充电压值时为最高。而均衡充电电压已属高压，当电压每提升100mV，浮充电流平均增加10倍。所以充电时间太长，不仅使VRLA蓄电池内盈余气体增多，影响VRLA蓄电池内部氧再化合效率，而且使板栅腐蚀速度增加，从而损坏电池。2

充电过程充电时，电源电压必须克服蓄电池的电动势和内阻的压降，因此充电过程中蓄电池的端电压总是大于电动势。

充电初期，端电压迅速上升，是因为充电时极板上的活性物质和电解液的反应首先在极板孔隙内进行．极板孔隙中迅速生成的硫酸来不及向极板外扩散，使孔隙中的电解液密度快速增大，致使电池的电动势和端电压迅速上升。

充电中期，随着充电的进行，新生成的硫酸不断向周围扩散，当极板孔隙中生成硫酸的速度和向外扩散的速度处于动态平衡时，蓄电池端电压的上升速度比较稳定，随着整个容器内电解液密度的E升而相应增高。

充电末期，蓄电池端电压达到2.3V～2.4V，这时极板上的活性物质几乎最大限度地转变为二氧化铅和海绵状铅。如继续充电，电解液中的水将开始电解而产生氢气和氧气，以气泡的形式剧烈放出，形成所谓的“沸腾”状态。由于氢离子在极板上与电子的结合不是瞬间完成而是缓慢进行的，二是靠近负极板处会积存有较多的正离子H+，使溶液和极板之间产生了附加电位差(也称氢过电位，约为0.33V)，因而使端电压急剧升至2.7V左右。此时应停止充电。否则，将造成蓄电池的过充电。过充电时，由于剧烈地放出气泡。会在极板内部造成压力，加速活性物质的脱落。使极板过早损坏。所以，应尽量避免长时间的过充电。在实际充电中，为了保证将蓄电池充足，往往需要2h～3h的过充电才行。

全部充电过程中，极板孔隙内的电解液密度比容器中的稍大一些。因此，蓄电池的电动势总是高于静止电动势。充电停止后，极板孔隙内电解液和容器中的电解液密度趋向平衡，因而蓄电池的端电压又降至2.1V左右。3

本词条内容贡献者为:

何星 - 副教授 - 上海交通大学