2.5　快速充电

为了缩短充电时间，减少充电对电池的热损伤，提高充电的电能利用率，曾经提出过三级充电方法。

所谓三级充电，就是将充电过程分为三个级别，作为三个阶段。第一阶段用大电流恒流充电，将电池充到总容量的50%～60%，当电池端电压达到气化点时，转入第二阶段。第二阶段则为恒压充电，当恒压充电的电流降到一定值时，再转入第三阶段。第三阶段用小电流恒流充电，直至完全充足，其过程如图2-7所示。这种方法与单纯的恒压充电和恒流充电相比，是先进的。

三级充电给人们一个重要的提示：只要蓄电池的充电电能转化为化学能的反应能够进行，用大电流将蓄电池充足电是有可能的。

首先分析一下充电时的电化反应过程。在普通充电过程中，流过电池的充电电流将阳极板上的PbSO₄→PbO₂，阴极板上的PbSO₄→Pb。只要这种有效转化能够进行，用多大的充电电流对电池都没有伤害。但是，这种转化受到许多固有因素的限制，在充电过程中转换率越来越低。在外观上表现为电池温度升高，出气量增大，电解液甚至呈现激烈的沸腾状态。为了保护电池，最根本的措施就是减小充电电流，这样充电时间也就延长了。

由此可见，要缩短充电时间，必须减少充电过程中的水分解。

先分析水的汽化过程。充电时，电解液中的H⁺向负极运动，OH^-向正极运动。在充电初期，由于电解液中的硫酸浓度低，新生态酸的扩散速度率高，两种因素综合的结果，使极板表面的酸浓度并不高。酸浓度决定着电极的电动势，电极上的电压也就达不到气化电压，这时水不发生分解，充电效率很高。随着充电的进行，电液中酸的含量越来越多，极板表面的酸浓度升高。当浓度上升到一定值时，充电电压达到了气化电压值，水就开始分解了。

控制极板表面酸浓度的升高是快速充电的技术关键。控制的途径是减少产生酸的速率和加速酸的扩散速率。前者只能用减少充电电流来达到，后者通过瞬间大电流放电来达到。现对后者的作用过程加以分析。

如图2-8所示，在充电过程中，极板表面酸的浓度逐步升高，当达到气化电压时，极板表面酸的关系用三个连在一起的新生态硫酸“A”“B”“C”来表示。这时，充电电路根据电压值监测到这一情况，停止充电。停止充电后三个酸分子向低浓度的溶液中扩散。当“B”“C”运动到图示位置时，电池进行大电流瞬间放电：“A”被极板放电消耗，“C”由于运动惯性依然沿原方向运动，在“B”向回运动到初始位置之前，在极板表面造成了低浓度区。于是再次充电时，极板出现了电流接收率较大的特性。从以上分析可知：快速充电的电流一定是脉动的；在两个充电波之间夹有一个放电波。如图2-9所示为某快速充电机的工作波形。

随着充电过程的进行，快速充电的充放电周期时间越来越短，逐步呈现充入量和放出量相差无几。这时，延长充电时间已无益处。设备中的监测电路根据充放电频率达到一定值时，自动切断电源，充电过程结束。快速充电机的优劣判断只有一个标准；在电池温升不超过40℃的前提下，1～4h内能将电池容量从0充至100%。由于快速充电机的充电电流和脉充频率是根据电池端电压的变化来决定的，当对多节电池串联充电时，作为控制信号的电压值就是电池组的总电压值或某个领示电池的电压。如果电池组中各单节之间的均衡性差，必然会发生某些电池被过充或充不足的现象。领示电池选择了高容量单节，低容量单节会被过充；领示电池选取了低容量单节，高容量电池会欠充。建议在一组电池中容量相差超过10%时，不要用快速充电。其容量差别用电池容量表可测得。有的单位使用的快速充电机，由于工作波形紊乱，工作人员无法调整，充电时电池温升高达70℃，大量气体从注液口冒出，电解液呈激烈沸腾状。这样的快速充电机实际上是快速“破坏机”。

放电脉冲的宽度、峰值和相位，是决定快速充电机性能的关键所在。如果没有放电脉冲，充电波就成了脉动直流。

如果控制不当，使用脉动直流对电池进行浮充电是有害的。实验表明：当充电电流中含有5%～6%的脉动值时，就足以对极栅产生过电压充电腐蚀。在充电作业中，作业者是根据电流表的显示值调定充电电流的，在脉动波的某一范围里，实际的瞬间充电电流值会超过电表显示的电流，如图2-10所示。当按工艺标准调定电流时，实际电流值也就超过了电池的充电接受阻力，超过部分即造成了水的分解。于是电池温升增高，板栅被腐蚀，加剧了活性物质的脱落。

在图2-10中，A₁为电池充电反应可接受的电流强度。在A₁时，充电电流完全转化为化学能储于电池之中。当根据仪表调定电流为A₁时，由于仪表只能显示平均值，最大充电电流却在A₂。A₂-A₁的阴影部分电流即造成了电池的损伤。

在现有的充电机中，小型机有单相半波整流的，其电流脉动系数为1.57，单相全波整流的脉动系数是0.667。大功率的充电机，都是三相全波桥式整流，其电流脉动系数是0.14，都远大于0.05。所以使用无滤波装置的整流器，要注意对实际充电电压的控制。

市场上还有无变压器的可控硅充电器，其输出波形的交流成分很高，尤其在导通角小的情况下（表显示小电流状态），电流的尖峰波较高，电流的热效应与电流值的平方成正比，所以电池和导线发热加剧，对电池损伤很大，这种充电机不宜长期使用。

在选用快速充电机时，有一个特殊问题应予以注意。由于快速充电机是以大电流脉冲方式工作的，若充电电池的容量较大，充电机工作时的脉动电流值会影响电网，使周围市电的正弦波发生畸变。附近如有对供电质量要求较高的用电器，则不宜采用快速充电机。可控硅充电机都有类似的技术问题。