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SUPPORT / Lead-acid battery charger

鉛酸電池充電器Q/A

一、電池有那些分類與特性?

對於可充電之二次電池種類相當多,其中比較常用的二次電池如下表

名稱 負極活性物質 電解質 正極活性物質 動作電壓(V) 特徵及用途

鉛酸電池

Pb

H2SO4

PbO2

2.0

安定、穩定、經濟、實用範圍廣、循環壽命長以50%DOD可達1800次以上、能量密度較低

鎳鎘電池

Cd

KOH

NiOOH

1.2

壽命約500次、耐過充過放電性強、可長期保存、有記憶效應、能量效率約75%、小型電器使用

鎳氫電池

MmNi5-MH

KOH

NiOOH

1.2

高能量密度、壽命約500次、少許記憶效應、能量效率約70%、小型電器使用

鋰金屬電池

Li

氯化鋰-有機溶媒

TiS2, V2O5, Nb2O5有機硫化合物

1.5~3.0

高能量密度、壽命約500次、安全性較低、能量效率約95%、使用於小型電器相機等

鋰離子電池

LixC6

氯化鋰-有機溶媒

Li-xMO2

3.6

高能量密度、壽命約500-1000次、使用於無線通訊設備或筆記電腦、能量效率約75%

鋰聚合物電池

LixC6

鋰鹽-聚合物電解質(PEO)或凝膠聚合物

Li-xMO2

3.6

高能量密度、壽命約500-1000次、但放電率較低、使用於無線通訊設備或筆記電腦、薄及輕、能量效率約75%


二、鉛酸電池的基本原理為何?

結構式: (-) Pb | H2SO4 | PbSO2 (+)
因為硫酸為二質子酸,再加上其一級解離常數的值 ( K1 )遠大於二級解離常數 ( K2 ),所以電解液中的反應主要是透過 H+ 與 HSO4- 來與電極進行。
放電反應:
陽極 (-):Pb(s) + HSO4- → PbSO4 + H+ + 2e-
陰極 (+):PbO2 + 3H+ + HSO4- + 2e- → PbSO4 + 2H2O
淨反應:Pb + PbO + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O
由上面的反應可以看出,放電的進行會使得陰陽極上的 Pb 與 PbO2 以及電解液中的硫酸持續的被消耗。這樣的情形會造成放電電位的下降,在電解液中硫酸含量降至約 14.72%wt 時,應該進行充電的步驟以使陰陽極再度活化、電解液硫酸濃度回到初始值。要進行充電的步驟,應該將充電器與鉛酸電池的兩個正極、負極兩兩相接。
充電反應:
陰極(-):PbSO4 + H+ + 2e-→Pb(s) + HSO4-
陽極(+):PbSO4 + 2H2O→PbO2 + 3H+ + HSO4- + 2e-
淨反應:2PbSO4 + 2H2O→Pb + PbO2 + 2H2SO4

三、鉛酸電池充電方法有那些?

由於鉛酸電池雖然具有高容量的優點,但其電化學反應速率不如鎳金屬電池或鋰系電池快速,其電化學反應時延也較為明顯。由於這種特性,各國學者與產業界對於鉛酸電池提出許多不同的充電策略,概分成下列幾種或其組合:

1. 定電壓充電法
在充電過程中,以固定電壓高於電池電壓的直流電進行充電。此時由於電壓差的因素,強迫電池進行逆化學反應,進行儲能。此種充電方法在充電初期因為電位差相差較大,充電的速度效果較佳,但伴隨電池內電阻上升,充電電壓與電池電壓差逐漸減小,充電的速度效果降低。而且,當充電電壓與電池電壓差過大時,極大的充電電流流入電池使逆化學反應速度過快,可能造成電池內部溫度上升,當電池經常處於超過45℃,對電池的壽命會造成嚴重的影響。為解決充電初期,定電壓使充電電流過大的問題,目前衍生出多段定電壓充電方法,待電池電壓逐漸上升至設定的電位時,再提高電壓繼續充電。

2. 定電流充電法
在充電過程中,以高於電池電壓之固定電流的直流電進行充電。此時由於電壓差的影響,電池也會進行逆化學反應,進行儲能。當隨充電時間增加,電池的內電阻加大,由於環路電流仍保持固定值,造成電池電壓逐漸上升,保持充電電壓高於電池電壓,而能持續對電池充電。這種充電方法缺點為,在電池逐漸充飽的過程時,電池電壓逐漸上升,若不進行有效的上限控制,電池電壓過高將造成電池永久的損壞,而控制的上限電壓值的選擇,將直接影響充電的飽充程度。

3. 脈衝充電法
這種充電方法主要是在充電過程中,在每一個充電脈衝後緊接著一個短暫休息,或甚至緊接著一個放電脈衝。其原理是借由放電脈衝以去除化學反應產生的氣體附著於極板上,阻礙反應的進行,較為熟知的為Christie Electric提出的ReflexTM充電法,為脈衝充電法的例子。但經過學者及業者許多的實驗逐漸證明,在新電池其物質活性較高,這個方法確實可以提高電池的充電效率,其單位時間充入的電量較其他方法高。但當電池活性略降低後,一如使用一段時間後的電池,其單位時間充入的電量與其他方法比較,卻沒有明顯的差異。甚至,一些實驗結果顯示,這種加速充電法,在電池充電過程中,尤其運用在鉛酸電池時將使電池活性快速降低,減少電池使用壽命;而當電池電量較高時,例如充電已接近充飽時,使用此種方法雖然可維持電池電量,但在此種方法不斷充電放電過程,一如電池不斷的放電與充電,反而影響電池的壽命。

4. 電池內電阻估測充電法
由於充電時,電池的內電阻不斷產生變化,要能滿足穩定、不影響電池壽命、快速充電的要求,一種可行的方法是,充電策略隨著電池內電阻的變化隨時調整,此即這種方法的基本概念。但是電池的內電阻在充電過程中,是難以直接量測,且會隨不同廠牌電池或不同活性程度的電池,發生極大的估算偏差,因此這種充電法尚未達實用階段。但是利用電池內電阻形成電池的外顯能量位準,與充電器形成電池的外顯能量位準之間,構成充電的電池能量障壁BEB,卻是可以替代電池內電阻估測而可以為充電策略調整的條件,這種方法稱BEB充電法,預期將可達到最適且無段充電的追求目標。

四、鉛酸電池充電策略為何?

對於不同的充電法,可以組成充電器的不同的充電策略,可以分成下列幾種,以充電曲線說明之:
1. 二段式充電策略


CC-floating

CC-CV

2. 三段式充電策略


CC-CV-pulse

CC-CV-floating

3. 多段式充電策略


pulse-CV-CC-CV- pulse

CV-CV-CC-CV- floating

五、新一代鉛酸電池充電有那些特點?

具有實用性的新一代鉛酸電池充電器,應具有下列的基本功能

  1. 環境適用性:可以滿足室外、-20℃~40℃、多塵、潮濕、甚至下雨的環境使用。
  2. 高度使用性:可以適用於各種型式的鉛酸電池、新電池、舊電池、單局或數局漏電電池均可使用,且對電池能充飽90%以上,不會損及電池壽命等。
  3. 充電曲線:對於不同狀態的電池,可以偵測電池的狀態(SOC, state of cell)隨時改變充電策略,以達快速、安全、不降低電池活性最佳的充電目的。
  4. 具有自我診斷功能:在充電過程中對電池進行漏電、單局不平衡等同步診斷與顯示。
  5. 安全保護:避免人為可能之操作疏忽,如電源偏差、反接、任意插拔等,採用防呆或無過失設計,以達安全使用的目的。