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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 |
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CC-CV |
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2. 三段式充電策略
CC-CV-pulse |
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CC-CV-floating |
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3. 多段式充電策略
pulse-CV-CC-CV- pulse |
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CV-CV-CC-CV- floating |
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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
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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