1引言
蓄电池具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点，它广泛地应用于发电厂、变电站、通信系统、电动汽车、航空航天等各个部门。蓄电池主要有普通铅酸蓄电池、碱性镉镍蓄电池以及阀控式密封铅酸蓄电池三类。普通铅酸蓄电池由于存在使用寿命短、效率低、维护复杂、所产生的酸雾污染环境等问题，其使用范围很有限，目前已逐渐被阀控式密封铅酸蓄电池所替代。阀控式密封铅酸蓄电池整体采用密封结构，不存在普通铅酸蓄电池的气涨、电解液渗漏等现象，使用安全可靠、寿命长，正常运行时无须对电解液进行检测和调酸加水，又称为免维护蓄电池。它已被广泛地应用到邮电通信、船舶交通、应急照明等许多领域。碱性镉镍蓄电池的特点是体积小、放电倍率高、运行维护简单、寿命长，但由于它单体电压低、易漏电、造价高且容易对环境造成污染，因而其使用受到限制，目前主要应用在电动工具及各种便携式电子装置上。
普通铅酸蓄电池主要由极板组、电解液和电池槽等部分组成。正、负极板都由板栅和活性物质构成，其中正极板上的活性物质是棕色的二氧化铅（PbO2），负极板上的活性物质为深灰色的海绵状纯铅(Pb)。电解液是用蒸馏水（H2O）和纯硫酸（H2SO4）按一定的比例配成的。在充电过程中，电解液与正、负极板上的活性物质发生化学反应，从而把电能变成化学能贮存起来；在放电过程中，电解液也与正、负极板上的活性物质发生化学反应，把贮存在蓄电池内的化学能转换成电能供给负载。为了使化学反应能正常进行，电解液必须具有一定的浓度。电池槽是极板组和电解液的容器，它必须具有较好的耐酸性能、绝缘性能和较高的机械强度。
在蓄电池正、负极板之间接入负载，便开始了蓄电池的放电过程。此时，正极板电位下降，负极板电位上升，正负极板上的活性物质(PbO2和Pb)都不断地转变为硫酸铅(PbSO4)，电解液中的硫酸逐渐转变为水，电解液比重逐渐下降，从而使蓄电池内阻增加、电动势降低。如果在蓄电池的正、负极板之间接入输出电压比蓄电池端电压高的直流电源，蓄电池的充电过程便开始了。此时，正极板电位因正电荷聚集而上升，负极板电位因负电荷聚集而下降，正极板上的PbSO4逐渐变为PbO2，负极板上的PbSO4逐渐变为海绵状Pb。同时，电解液中H2SO4合成逐渐增多，水分子逐渐减少，电解液比重逐渐增加，蓄电池端电压也不断提高。
研究发现：电池充电过程对电池寿命影响最大，放电过程的影响较少。也就是说，绝大多数的蓄电池不是用坏的，而是“充坏”的。由此可见，一个好的充电器对蓄电池的使用寿命具有举足轻重的作用。
2蓄电池充电理论基础
上世纪60年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的充电过程作了大量的试验研究，并提出了以最低出气率为前提的，蓄电池可接受的充电曲线，如图1所示。实验表明，如果充电电流按这条曲线变化，就可以大大缩短充电时间，并且对电池的容量和寿命也没有影响。原则上把这条曲线称为最佳充电曲线，从而奠定了快速充电方法的研究方向[1，2]。
由图1可以看出：初始充电电流很大，但是衰减很快。主要原因是充电过程中产生了极化现象。在密封式蓄电池充电过程中，内部产生氧气和氢气，当氧气不能被及时吸收时，便堆积在正极板，使电池内部压力加大，电池温度上升，同时缩小了正极板的面积，表现为内阻上升，出现所谓的极化现象。
蓄电池是可逆的。其放电及充电的化学反应式如下：

 很显然，充电过程和放电过程互为逆反应。可逆过程就是热力学的平衡过程，为保障电池能够始终维持在平衡状态之下充电，必须尽量使通过电池的电流小一些。理想条件是外加电压等于电池本身的电动势。但是，实践表明，蓄电池充电时，外加电压必须增大到一定数值才行，而这个数值又因为电极材料，溶液浓度等各种因素的差别而在不同程度上超过了蓄电池的平衡电动势值。在化学反应中，这种电动势超过热力学平衡值的现象，就是极化现象。
一般来说，产生极化现象有三个方面的原因。
a.欧姆极化牋 充电过程中，正负离子向两极迁移。在离子迁移过程中不可避免地受到一定的阻力，称为欧姆内阻。为了克服这个内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，出现所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中的高温。
b.浓度极化牋 电流流过蓄电池时，为维持正常的反应，最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就是说，从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。这种现象称为浓度极化。
c.电化学极化牋 这种极化是由于电极上进行的电化学反应的速度，落后于电极上电子运动的速度造成的。例如：电池的负极放电前，电极表面带有负电荷，其附近溶液带有正电荷，两者处于平衡状态。放电时，立即有电子释放给外电路。电极表面负电荷减少，而金属溶解的氧化反应进行缓慢Me－e→Me＋，不能及时补充电极表面电子的减少，电极表面带电状态发生变化。这种表面负电荷减少的状态促进金属中电子离开电极，金属离子Me＋转入溶液，加速Me－e→Me＋反应进行。总有一个时刻，达到新的动态平衡。但与放电前相比，电极表面所带负电荷数目减少了，与此对应的电极电势变正。也就是电化学极化电压变高，从而严重阻碍了正常的充电电流。同理，电池正极放电时，电极表面所带正电荷数目减少，电极电势变负。
这三种极化现象都是随着充电电流的增大而变得严重。
3蓄电池与充电器对应电流选择
关于铅酸蓄电池及免维护铅蓄电池的充电电流(充电速率)，过大或过小电流充电对蓄电池质量和寿命都有影响，一般充电速率选择在2HR——20HR之间都可以，长期过小的充电电流会使蓄电池内阻增高，容量逐渐减少，直到失效，过大的充电电流会使蓄电池极板受损或升温，使用寿命大大缩短。
蓄电池与充电器对应电流=AH÷HR=A
AH是蓄电池标称容量（安倍小时）。
HR是蓄电池充满电的时间（小时率）。
A是充电电流。
例如；标称60AH/12V的蓄电池，在放完电的情况下按照10小时率充电；60(AH)÷10(HR)=6(A)充电电流。
同样如用20HR充电电流是3A。
恒流恒压浮充电最高充电电压的规定，对与12V免维护蓄电池的恒压浮充电最高终止电压是13.8V，铅酸蓄电池恒压浮充电最高终止可以稍高，但不超过14.4V。过高终止电压会损坏蓄电池，过低终止电压蓄电池会亏充电，长期处于亏充电的蓄电池是容量逐渐下降。
4充电方法的研究
4.1常规充电法
常规充电制度是依据1940年前国际公认的经验法则设计的。其中最著名的就是“安培小时规则”：充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安时数。实际上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。这个现象对蓄电池充电所必须的最短时间具有重要意义。
一般来说，常规充电有以下三种。
4.1.1恒流充电法
恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法，如图2所示。控制方法简单，但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常选用阶段充电法。
4.1.2阶段充电法
此方法包括二阶段充电法和三阶段充电法。
a.二阶段法牋 采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图3所示。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。
b.三阶段充电法牋 在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。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减到最少，但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。
4.1.3恒压充电法
充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。用恒定电压快速充电，如图5所示。由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此，只需简易控制系统。
这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。
鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。
4.2快速充电技术
为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态的时间，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，提高蓄电池使用效率。快速充电技术近年来得到了迅速发展。
下面介绍目前比较流行的几种快速充电方法。这些方法都是围绕着最佳充电曲线进行设计的，目的就是使其充电曲线尽可能地逼进最佳充电曲线。
4.2.1脉冲式充电法
这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是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电池充电，然后让电池停充一段时间，如此循环，如图6所示。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使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，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。
4.2.2ReflexTM快速充电法
这种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电池。由于它采用了新型的充电方法，解决了镍镉电池的记忆效应，因此，大大降低了蓄电池的快速充电的时间。铅酸蓄电池的充电方法和对充电状态的检测方法与镍镉电池有很大的不同，但它们之间可以相互借鉴。
如图7所示，ReflexTM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，停充维持3个阶段[3]。
4.2.3变电流间歇充电法
这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，如图8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，将电池恢复至完全充电态。通过间歇停充，使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，使蓄电池可以吸收更多的电量。
4.2.4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9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8和图9，可以看出：图9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，符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。
4.2.5牋变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法
综合脉冲充电法、ReflexTM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，变电压变电流波浪式正负零脉冲间歇快速充电法得到发展应用。脉冲充电法充电电路的控制一般有两种：
a.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；
b.脉冲电流幅值固定不变，PWM信号的频率可调。
c.图10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。
5国内电动车充电器现状
以蓄电池为动力源的电动车，蓄电池的好坏优劣，直接影响着电动车最主要的性能指标和使用效果。过去，电动车曾有过三起三落的惨痛教训，败就败在蓄电池上。现在蓄电池技术日益成熟，电动车又迎来了发展的春天。目前，市场上流通的电动车各项性能指标日臻完善，作为社会商品的可使用性大幅度提高，多半得益于蓄电池技术的发展。因而，不难看出蓄电池对电动车的重要性，可谓“成也电池、败也电池”。
那么如何才能让蓄电池这颗“心脏”，高效、长寿、安全的发挥其全部功效？这就需要一系列的辅助设备来为其服务。其中，作为二次电池能源补充的充电器，是一个必不可少的角色。
蓄电池能源的再次补充，必须依靠充电器来实现。在充电过程中，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、动态负载。因此，必须了解清楚蓄电池在充电过程中的电化学反应，分析充放电特性，才能设计出符合蓄电池充电要求的充电器。
以阀控式铅酸蓄电池为例（以下简称VRLA）。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，电池有效容量小，电池过早出现硫化结晶，极化过电压是“罪魁祸首”。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VRLA电池初充需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，因而充电时间大大延长；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”，永久的损坏电池。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。然而，目前市场上使用的所谓智能充电器，并不是严格意义上的阶段式充电器，据相关部门统计资料显示，市场上85％以上的充电器存在严重的质量隐患。这些充电器往往充电电流过小，充电电压不稳定，充电时间过长，导致蓄电池内部出现极化现象，硫化结晶。致使充电容量达不到要求，大大降低了蓄电池的正常使用寿命。这就不难理解“电池不是用坏的而是充坏的”这一说法的含义。可以看出，常规充电技术及产品在消除充电“副反应”和“极化”现象中所表现出来的软弱性已远远不能适应现在蓄电池的充电要求。
那么有没有一种理想的充电方式来解决这一问题？答案是肯定的。根据充电过程中的反应，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。科学家在这方面做了大量的研究工作，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，跟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，其充电电流是不间隔一直输出，根本不可能消除“极化”现象。试验发现，当充电停止时，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。试验证明，在对蓄电池充电的过程中，适时地暂停充电，并且加入适当的放电脉冲（在成本允许的条件下），就可迅速有效地消除各种极化电压，从而提高充电速度。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，并且可以有效的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“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蓄电池的充电有效容量。
现代脉冲智能充电器，嵌入先进的智能控制数字电路。采用智能检测和控制技术来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，来自动调整充电模式，实现最佳模式控制；还具有完善的保护功能，最大限度地保证设备运行的稳定性及可靠性。在效果方面，其充电时间的大大缩短，正适应了现代人生活、工作的快节奏步伐。
6智能型充电器的设计
我们通过与美国Precision、Auto Meter公司的合作，经过长期大量的实验研究，开发出了具有完全知识产权的“自适应控制智能快速电池充电器”。控制芯片采用的是美国Microchip公司的PIC212C672单片机，由此芯片构成的充电器具有如下特点：
a.自动调整充电波形；
b.实时跟踪电池的当前状态；
c.自动在充电停歇期测定电池的电压值及其变化；
d.采用多种充满判定规则；
e.充满判定依据采用模糊数学原理提高芯片的可靠快速充电终止；
f.高效可靠的终止充满判据保证了电池在任何情况下的充满度，有效避免了过压/过充，从而提高电池的使用寿命；
g.有效避免了铅酸蓄电池的硫化问题
h.可靠的浮充模式保证了铅酸蓄电池的浮充寿命等
图11为电动自行车蓄电池充电器的实际应用电路。其中，电池额定电压为48V，容量为17Ah，为了提高产品的可靠性以及EMC指标，电源部分没有采用开关电源，而使用了稳定性、可靠性极高的线性电源。为防止蓄电池电流倒流入充电器，在串联调整管与输出端之间串入了一只二极管。
当输入电压加入后，红、绿发光二极管同时发光，此时V1并没有导通，电路首先检测输出端的信息，包