“除了电池以外,每项技术都在随着时间的推移而进步!为什么就没有人能发明一种更好的电池呢?” 如果我每次听到这句话能得到一角钱的话,那么我现在已经腰缠万贯了。
事实上,每个电子产品发烧友对于电池的理解都欠缺了三点。(二月份,美国公共服务电视台PBS的一档科学类电视节目NOVA推出了一期名为“寻找超级电池”的特别节目,我在其中担任主持。在经历了一年的实验室访问以及科学家访谈之后,我承认我对这个物件已经了然于胸了。)
第一点,你所想象的多的可能是用在手机或者电脑里的电池。但是你可能会认为,电池是对付能源、交通以及气候变化这些更大的问题的关键一环,很多科学家其实也对此表示认同。
比如,今天电能驱动的汽车仅仅占了美国汽车销售份额的1%。其中原因之一是其价格比汽油车贵。另外一点是缘于“里程焦虑” —消费者担心一旦他们远离家门,他们的电动车就将耗尽电量。如今,正在研发当中的更轻、更高容量的电池正试图解决这些难题。
另一个问题是关于蓄电池板的。电能不像自来水,你不打开开关,它就会一直呆在水管里面。但当你打开一盏电灯,电力就必须在那一刻实时产生。因此,电力公司一直都在致力于应付汹涌而来的用电潮。在人们熟睡的夜间,几乎没人需要用电,而每逢下午五点,用电高峰就会到来,这正是人们下班回家的时候。这些电力公司经常维护着昂贵、供应不足、不时需要使用的备用电厂(也被称为“高峰电厂”)来救急,比如在热浪袭来之时。
连接着蓄电池板的电池可能可以摆脱这些荒诞的高峰。但或许更为重要的是,蓄电池板可以当太阳高照的时候捕捉太阳能,在大风来临时捕捉风能,来应付我们真正需要的用途。因为到目前为止,我们还无法让太阳和风力尊重人类的生活方式和日程。
第二点人们忽视的因素是“我们倾向于关心电池的容量阳光电池;即一次充电,我的设备可以工作多久。但实际上,容量(能量密度)只是电池工业需要解决的问题其中之一。我们也想要电池变得便宜、在使用后对环境无害、寿命持久即可以重复充电数千次,密度紧致、质地轻巧(尤其对电动汽车而言)以及使用安全。一部爆炸的手机能毁了你的一整天,这点三星可以证明。
总的而言,一块电池不能集这些特质于一身。其次,人们也不需要这样的有点如此全面的电池。阳光蓄电池比如,电池可能并不需要便携或者紧致。液流电池将为这个行业带来曙光,其化学物质储藏于大型容器之中,并依次流入一个反应仓。此外,还有飞轮储能电池,其用钢等金属制成的原盘,重量可达数千磅,夜间在一个无摩擦的腔体中每分钟旋转数千次。夜间也是维持这种机器运转的能源为便宜的时候,在白天,工程师可以将这些由运动产生的能量重新提取。
第三点是:几十年来,电池一直在变得更好。我们未曾注意到这点的原因是我们的设备运行速度更快了、更加强大且更加耗电。毫无疑问,如果你把一部现代的iPhone手机的电池放到一部1995年的手机上面,其一次充电就够用满一年。
其它更为伟大的产品正在到来。材料科学家Mike Zimmerman成功地用一块塑料薄膜取代了极为可燃的电解质(通过电解质,离子将在人们对电池充电放电时进行游动),德国阳光蓄电池研制出了一种不可燃也不会爆炸的电池。因为其无法爆炸,Zimmerman采用了锂金属而非锂离子,锂离子虽然有着更加大的能量密度,但普遍认为其与如今的液体电铸版电池配合工作时危险程度过高。此外,这种电池还会带来更长的电池寿命。
因此,日过你想抱怨你的电池的话,好尽快开口。否则,更加优秀的电池产品就要来了。
铅酸蓄电池是一种原电池,实现了从化学能到电能之间的转变。阳光电池铅酸蓄电池由正负极板,电解液和电解槽组成。正极板的活性物质是二氧化铅(PbO2),负极板的活性物质是灰色海绵状的金属铅(Pb),电解液是浓度为27%-37%的硫酸水溶液。
快速充电的分类:
恒定电压法。恒定电压法是在确定并保持充电电压为某一恒定值的情下,所进行的充电方法。此电压值应选取与蓄电池充电过程中出气点相应的电压值。
恒定电流法。恒定电流法是在充电过程中一直保持充电电流恒定的充电方法。为实现快速充电,必须采用较大的电流进行充电,因此造成充电后期蓄电池大量出气,过量出气是不允许的,所以一般不采用。
阶段充电法。包括二阶段充电法和三阶段充电法。阳光蓄电池二阶段充电法一般采用恒定电流和恒定电压相结合的快速充电方法。首先以恒定电流充电至预定的电压值,然后改为定电压完成剩余的充电。一般两阶段转换电压就是第二阶段的恒定电压。三阶段充电法是在充电开始和结束是采用定电流,中间用定电压充电。当电流衰减到预定值时,由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量衰减到少,但作为一种快速充电方法,还受到限制。
Reflex快速充电法。Reflex充电模式的一个周期由3个模式组成:正向充电脉冲,反向瞬间放电脉冲,维持及检测用的脉冲。
变电流间歇充电。它是建立在恒流充电和脉冲充电的基础上,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,将电池恢复至完全充电态。
变电压间歇充电法。在变电路间歇充电的基础上又有人提出了变电压间歇充电法。此法较变电流间歇充电更符合佳充电曲线。
2铅酸蓄电池大电流快速充电方法
任何一种充电制度都必须规定充电电流的大小及其变化规律。为了缩短充电时间,必须加大充电电流值,控制充电电流变化规律。脉冲充电放电去极化快速充电制度,要从充电电流和去极化措施两方面确定实现蓄电池快速充电必须遵循的原则。快速充电电流值不宜过大,充电电流应随着充电的进行而逐渐降低,充电过程中必须采用适当的去极化。通过以上的讨论,结合脉冲充电、Relflex快速充电、变电流间歇充电法、变电压间歇充电法的优点认为变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法比较能满足现有需求。阳光蓄电池脉冲充电法充电电路的控制有两种:脉冲电流幅值固定不变,PWM(驱动充放电开关管)信号的频率可调,从而调节充电电流;另一种就是脉冲电流的幅值是可变的,而PWM信号的频率是固定的。这里说明的是采用了一种不同于这两者的控制模式,脉冲电流幅值和PWM信号的频率都是固定的,而PWM占空比可调,并在此基础上加入了间歇停充阶段,提高蓄电池的充电接受能力。
3铅酸蓄电池大电流快速充电方法硬件电路的实现
系统硬件包括两个大部分:充电电源设备以及控制电路。主要由半桥功率变换器、驱动器、PWM控制器、微处理器、充电电路、放电电路六部分组成,并具有过流保护,过压保护。结合软件还可实现电池接反和掉电检测。采集到的电池端电压、充电电流、电池温度等状态信息,送入CPU进行必要的处理和判断并得到相应的控制电压,单片机输出充电信号、间歇停止充电信号、放电信号脉冲到充电、放电电路,从而实现对蓄电池充电、停充和放电持续时间的控制,对各个阶段内充电电流以及充电电压的平均值进行调节,使其符合充电电流接受率下降的特点。同时在充电过程中,通过反馈电阻反馈信息到PWM控制器的内部电流误差放大器和内部电压误差放大器的反向和同向输入端,实现充电电源输出恒流和恒压的控制,并且通过调节反馈电阻值的大小,实现限流值和限压值的调节,以适应不同的蓄电池。
4结束语
本文针对铅酸蓄电池动力系统,对各种大电流充电方法进行了探讨并介绍了一种新颖的波浪式正负零脉冲间歇柔性快速充电方式。研究主要内容:通过对蓄电浊电化学规机理的研究,特别是极化现象成因的分析,说明了用零脉冲细负脉冲去极化的充电方法;比较了传统的恒流充电和恒压充电方案,阳光蓄电池二阶段充电方案,以及正、零脉冲充电方案,变电流间歇充电方案,变电压间歇充电方案,在充分分析它们各自的特点的基础上介绍了利用动态调节占空比和间歇时间以实现变电压变电流波浪式正负零脉冲快速充电方法。