2022年电瓶充电系统基本原理 .pdf

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1、电瓶充电系统基本原理 不是所有的充电器都可以给所有的电瓶充电。当今的电瓶已经发展成一个多元体，需要不同的充电技术配合。 电瓶如何工作，它充电时到底发生了什么？继续阅读，您就会发现答案和更多的收获。 电瓶的历史 虽然说最早的电池 （史称“巴格达电池”） 已有两千年的历史， 但是电瓶真正起源于电流被发现并使用的17 及 18 世纪。 著名的科学家亚历山大. 伏特(1745 1827)和路易吉伽伐尼(1737 1798)为开发电化学储能装置打下了基础，他们的名字作为电学术语流传至今，如电压单位伏特，伽伐尼原电池等。 伏特在 1800 年发明了伟大的“伏打电堆”，这是世界上最早运作的电池，由铜极和锌极

2、组成， 这两个电极均浸泡在酸液里，用破布隔开。 伏特发现用特定的液体可以使两种金属发生化学反应，从而产生电能。 在 19 世纪初期，伏特和法国国家科学院合作，进一步开发电池。 拿破仑. 波拿巴也给予许多实验大力支持， 比如电池火花， 钢丝熔断，电手枪的放电以及将水分解成不同的元素等。 第一批适用于量产的电瓶是由化学家威廉姆 . 克鲁克香克于1802 年开发的。他一大块铜片堆放入密封的木箱中， 铜片堆中插入同等体积的锌片， 然后用水泥封箱，然后往箱中注入盐灰水。 这一时期也开发出了许多不同的电瓶，但都属于初级电瓶， 因此不能被充电。 直到 1859 年，法国物理学家贾斯顿普兰特将导体电极浸入到稀

3、硫酸中，开发出第一代可充电的电瓶。第二代的电瓶采用铅酸反应，一直沿用至今。 在工业革命时期，电化学储能装置有了快速的发展。自从1880 年起，可充电的铅酸电池开始大规模量产，这是由于法国科学家阿方索 . 弗莱发明了大容量的铅酸电池。弗莱用一种由铅粉和硫酸组成的混合浆将铅片两面都进行包裹。这样可以使电瓶在第一次充电后就达到较高的容量。 之后的几十年里，铅酸电池历经了一系列重大的变革。 引入不同的合金后，电瓶的性能有了显著改善，而且不断减少所需维护的次数。像铅-酸-银这样的合金能抵御腐蚀。玻璃纤维隔板电池（ AGM ）具有极佳的抗震功能，以及良好的充电循环稳定性。 名师资料总结 - - -精品资料

4、欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - 电瓶的结构 电瓶是一种电化学能源。 在电瓶内发生化学反应， 由此产生独立于电网市电的电能。 电瓶的最小单元是单体电池。电瓶就是由许多个单体电池电路上连接而组成的。一个铅酸单芯产生2V的额定电压。这样一个由六个单体电池组成的电瓶额定电压就是 12V 。 最常见的电瓶额定电压有6V, 12V, 24V, 36V, 48V 和 80V。两个及以上数量的电瓶可以串联在一起。它们的电压会叠加，而总体容量不变。 例如：2个

5、12V的电瓶串联，每个容量100 安时 =得到 24V ，100 安时的电瓶组 如果电瓶并联连接，则电压保持不变，而容量是两个单体电瓶之和： 例如：2个 12V的电瓶并联，每个容量100 安时 =得到 12V ，200 安时的电瓶组 无论是哪种连接方式， 将两个电瓶组合连接时， 都要注意需要是同一类型， 并且容量相当。电瓶的使用年限应相同，在使用前须充满电。 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - 电瓶的工作原理 将化学

6、能转化成电能的过程需要两个电极（电化学流程） ；这两个电极通过溶液（电解质）相互连接。在充电状态时，电极板由铅和二氧化铅组成。正电极由二氧化铅组成， 负电极由散步的铅绒组成， 硫酸形成电解液。 这样可以在电极间形成一个离子流。 电解液由硫酸和蒸馏水组成，有液态或胶体两种形态， 或者存在在纤维层（密封剂）中。 铅酸电池， 或者大家熟知的铅酸蓄电池，只能释放出之前充入的电能。 铅酸电池中含有多种物质的组合， 可以通过可逆的化学反应吸收或者释放电能。有了存储空间，通过化学反应释放电能的过程就是可逆的。一旦能量释放完反应中止 （电池放电过程），新的能量会从外部补充进来（直流充电）。化学系统可以恢复成像

7、最初状态那样。 当电瓶收到电流时， 硫酸中充电的硫酸根阴离子会聚集到电极盘上去。结果是两个电极盘上的硫酸铅(PbSO4) 会逐渐增多。在铅电极盘上未充电的铅原子收到二价的正离子(Pb 2+)，在二氧化铅电极盘的铅离子收到四价的正离子 (Pb 4+)。铅电极盘经过电化学氧化(从Pb 到 Pb 2+)，二氧化铅电极盘则经历一个还原过程(从 Pb4+ 到 Pb 2+)。为了平衡掉这个充电中的落差，电流从铅电极盘流向二氧化铅电极盘，电瓶释放电流。 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - -

8、第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - 不同种类的电瓶 有两种不同类型的电瓶应用于不同领域。Fronius 有分别针对这两种电瓶的充电器: 启动电瓶 启动电瓶的三大用处，即启动、照明、点火，主要用于启动内燃引擎。它能在短时间内供给大量的能量， 并且能完成数千次启动。 这种电瓶不能用于给机器提供长期的能源（比如彻夜照明）。此类电瓶对深度放电十分敏感，可能会造成电瓶的永久性损伤。 牵引电瓶 此类电瓶可以为机器设备提供长期的能量（比如电动叉车，登高车等应用）。它们也称作循环电瓶 - 每次充电和放电都是一个循环过程。这种电瓶的使用寿命一般为 1500 次循环左右。和启动电瓶不同的时

9、，即使牵引电瓶达到80% 的深度放电也不会受到损伤。 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - 电瓶类型 非密封湿式蓄电池 此类电瓶属于“传统”或者“标准”类型的电瓶。它的标志是螺塞和电瓶盖形成一体。这种电瓶需要维护（通常加入蒸馏水），任何的充电器都可以对其充电。应用范围：启动电瓶和牵引电瓶 密封湿式蓄电池 此类电瓶也被称作“免维护电瓶”。和非密封湿式蓄电池不同， 这种电瓶不可以打开。它们完全密封， 不能加入液体维护。 这

10、些电瓶需要用有调节功能的充电器进行充电。 应用范围：启动电瓶 VRLA 阀控铅酸蓄电池 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - VRLA 阀控铅酸蓄电池也成为重组电池。电瓶产生气体，因为水因电化学过程分解成氢气和氧气。 气体通常通过通风系统释放出去。在重组电瓶中， 氢气和氧气保留下来可以再次通过化学反应转化为水（充值过程） 。电瓶内部需要有一定压力促成反应发生。 如果发生因管理不当 （比如使用错误的充电器） 而造成压力过

11、大，则阀必须能 100% 打开。气体可以通过阀门排出，但是电瓶的使用寿命会因此永久性减少。 还有至关重要的一点， 就是外界气体不能进入到电瓶内部。重组电瓶不能被打开，它属于完全免维护型电瓶。 但是也要定期检查电瓶的连接情况，确保其干净密封。此类电瓶也需要有调节功能的充电器进行充电。 应用范围：启动电瓶和牵引电瓶 不同种类的电瓶需要不同的充电方式，使其达到最佳性能 电瓶故障 近年来，电瓶故障频发成为多种应用领域中的软肋。比如机动车、 地面输送机或者登高作业台等。 不正确的电瓶维护方法， 不适合的充电方式以及使用者措施不当等是造成这些故障的原因。下面将详细讨论。 充电不足 这种现象是由于采用交流发

12、电机或者没有调节功能的充电器进行充电。这两种充电方式本质上都不可能达到超过80% 的充电结果； 因为如果再充更满的话需要非常长的时间。这些永远不能充满的电瓶，性能和容量方面会大幅降低。 过度充电 如果电瓶已经完全充满， 再往其输入电量就会造成严重的汽化现象，增加了水份的消耗。电瓶的汽化会一直持续， 直至充电器关闭或者水份完全消耗光。温度升高会加速电瓶内部的化学反应进程。汽化电压下降， 如果充电电压没有按照温度变化调节，电瓶就会发生过充。危险在于，电网因此会受到腐蚀，电瓶亦会迅速老化。假如温度增高10 度，反应速度会加倍，这就意味着电网腐蚀程度会增大一倍。电瓶中过多的气体也有引发爆炸的危险。 密

13、封电瓶， 比如胶体电瓶和阀控式密封铅蓄电瓶，一次过充就会造成损伤。 这些电瓶的电解质（酸）是以结合形式存在的，不能添加。 电瓶的深度放电 - 硫酸盐化现象 放电会使电瓶内部产生硫酸铅。 如果此时电瓶没有充电或者充电不足，则硫酸铅会形成晶体并蔓延， 结果减少了多孔铅的面积。 这种晶体一般很难， 有时甚至不可能转化回硫酸铅。 几天后就会使电瓶不能再接收电流而无法使用。即使马上给电瓶电瓶， 表面上显示充满状态， 实际上总会残留些损伤， 最终影响到电瓶的寿名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - -

14、- - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - 命。近年来汽车电路问题频繁， 有些电子部件甚至在引擎关闭后仍在耗电。这些“隐形”的耗电部件包括报警系统、收音机锁等。 用不足的充电状态来保存电瓶 在充电不足的情况下保存电瓶， 会引起电瓶的老化。 这些问题常发生在一些不常使用的车辆上，比如摩托车、老爷车或者度假房车，它们的电瓶长期不被使用。如果电瓶充电少于容量的一半，则电瓶老化和硫酸盐化现象会迅速加剧。 充电过程 如果直流电流再次充入到电瓶中，就会发生和放电现象相反的过程。在放电过程中产生的硫酸铅会转化回二氧化铅、铅和硫酸。 硫酸在电极盘的孔洞中产生。 当电瓶用光时，硫酸会从电

15、极盘外部进入到盘内部。 电瓶充电过后，这个过程反转，硫酸从内部向外扩散，电极盘下可以提供硫酸，电瓶又能再度使用。 如果直流电流一直输入， 直到硫酸铅完全转变成二氧化铅、铅和硫酸，这说明电瓶已经恢复到初始状态，完全充满。 为电瓶正确充电， 防止过充或充电不足， 对于延长其使用寿命至关重要。采用有效的充电方式既可以延长电瓶寿命，亦可以缩短充电时间。 最简单的方法是， 充电器可以在充电一段时间后关闭，或转为涓流充电模式。 同时充电器应该能识别电瓶的充电状态，检测其中的故障， 还应能有效的防止其老化。 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -

16、 - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - 充电技术 有源逆变（高频）充电技术未经校正的工频充电器的双相特性(WoWa)未经校正的工频充电器的单相段特性(W, Wa)有源逆变（高频）充电技术 使用有源逆变充电器可以全程监控充电过程。一开始用恒定的电流对电瓶充电，直到到达特定的电压。 接下来充电器转为恒压充电。此外，充电器随时对比目标电压值和实际电压值， 消除电网主电压中的波动影响。 采用有源逆变技术的充电器，充电电流几乎没有残留， 确保电瓶在充电时不会发生过热。整个充电过程舒缓温和， 没有过充或充电不足的现象。 这样的能量

17、转换方式效率高， 能量损失低。此类充电器非常好辨认，因为它们只有工频充电器体积的五分之一，轻便很多。未经校正的工频充电器的单相段特性 (W, Wa) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - - 采用传统 50Hz 工频变压器制成的充电器是市面上最简单最便宜的充电器。它们一般具有未经校正的充电特性（称为W或 Wa特性）因为充电电流和电压成反比响应关系， 随着充电进程的深入， 充电电流变小。 电网主电压里的波动对充电过程有特别大

18、的冲击。如果主电压特别低，电瓶不会被充满。但如果主电压过高，充电电压也会随之变高，这会造成过充、汽化，使电瓶遭到损伤。此类充电器不仅笨重，充电产生的能耗也相当高。 未经校正的工频充电器的双相特性 (WoWa) 未经校正的工频充电器有一个双相特性（即知名的WoWa 充电器），和单向特性（W 或 Wa特性）的充电器不同的是，它可以在充电过程中进行切换。 充电电流和电瓶电压开始时急剧增加。随后有一个大量充电电流的间歇，电瓶容量受到充电下降的影响， 充电电流随之减少。 在达到一个特定值后， 电磁开关（即接触器）启动，切换到补足充电模式。但是这个阶段有时间限制，到时间后，充电器自动关闭，停止充电。这种充电器没有单独的涓流充电阶段。 50Hz的工频充电器即无法控制充电状态，也无法延长电瓶使用寿命，现在已经被逐步取代。但是在牵引电瓶领域仍在广泛使用。 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - -