如何在不违反使用规范的前提下加快电池充电速度

最近，人们关注的不仅是离网电源能供电多久，还有它们的充电速度。大家经常在评论里抱怨铅酸电池、锂电池充电太慢，却不知道怎样用“合规的方法”加快充电。今天我试着解释一下为什么会这样，以及我们能做些什么。

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先说几句。
我不会讲什么特别新鲜或不同寻常的东西，你们很多人本来就很清楚这些。不过实践证明，不少人根本没把这件事放在心上，而这可不是什么好事。


最近供电方面有一些众所周知的问题，我想没必要再说是什么问题，也不用提醒大家是谁造成的，但问题确实存在，得想办法解决。
于是，为了解决问题，我们去商店买，或者在网上订一块大电池、一个逆变器，当然还有充电器。东西到手后，我们把它们组装起来，试着靠这套设备过日子。但停电只是问题的一半，有时两次来电之间的间隔很短，我们得趁这段时间给电池充电，结果却发现电池怎么也不肯快速充电。

大家最常用的是下面照片里的这类充电器。我不打算深入讨论电路设计和其他细节，只想请大家注意一下……它们的导线。大多数这类充电器的导线不仅细，而且长；更有甚者，有些用户还会额外把导线接长。


现在我来解释一下问题出在哪里，以及怎样解决，从而加快电池充电。文中会用到一些曲线图，它们只是为了直观说明充电原理及其特点。

比如，这是铅酸电池的充电曲线。我们关注红色曲线和蓝色曲线的交点：蓝色曲线表示电池端电压，红色曲线表示充电电流。
可以看到，随着充电进行，电压逐渐升高，这很合理；而电流保持稳定，所以图线上方是一条直线。两条曲线一旦相交，电流就开始下降，而电压保持不变。
第一阶段是恒流充电，即CC。
第二阶段是恒压充电，即CV。

还可以看到，第二阶段的电流会下降，但时间照样在流逝，所以充电速度显然会变慢。



这是因为电池存在内阻。实际上情况要复杂得多，不过我们先尽量简化，就把它称为内阻吧。
简单来说，可以把电池看成一个理想元件，并联一个产生自放电电流的电阻（Rp），再串联一个内串联电阻（原谅我这个说法有点重复），也就是Rs。
前者目前不太重要，后者在这里却相当关键。


内串联电阻会带来什么影响？首先是损耗；其次，由于它上面产生了压降，充电器会认为该切换到恒压充电阶段了，但电池本身的电压实际上还没达到充电截止电压。

举个例子，下面是两张曲线图：同一块电池、同一台充电器，但充电电流相差好几倍。
第一张图显示，充电第二阶段非常短，这很好，说明电池充电效率达到了最高。


但如果我们提高充电电流，电池理应按比例更快充满，可事实并非如此。可以看到，充电第二阶段被大大拉长了。
这不仅反映了化学过程本身的特点，也体现了内阻的影响。


你们肯定会问：这跟导线有什么关系？关系就在于导线与电池串联，会增大内阻。右边的电路图里，导线正是串接在电池回路中的。导线越长，对充电第二阶段的影响就越大。


也就是说，我们非但没有给电池充电，反而只是在加热导线。 这主要适用于铅酸电池和“普通”锂离子电池，因为它们的充电曲线相似。
磷酸铁锂电池的情况要好一些，因为它们在充电（和放电）末段的曲线斜率非常陡，所以充电快结束时，电流很快就会降到较低水平，导线电阻的影响也就很小。



现在来看看充电器和电池的“剖面图”。
电流设定单元负责稳定充电电流，对应充电的第一阶段。
电压设定单元负责限制输出电压，对应充电的第二阶段。

举个例子：充电器到电池的导线长1米，截面积为0.75 mm²，充电电流为8 A。如果导线确实是截面积0.75 mm²的铜线，压降约为0.36 V，我觉得这相当大了。要是导线不是铜的，或者长度超过1米呢？


你们连接大功率逆变器时，我想应该注意到导线在工作过程中经常会发热。解决办法很简单：增大导线截面积，并尽可能缩短长度。这里也是一样，把那些由箔片和纸板混合制成的中国导线扔掉，换上截面积合适的正规导线，顺便尽量剪短。


前一种办法适合那些对电子技术“不太懂行”的人，下面这个办法则更适合进阶用户。

如果把电流设定回路和电压测量回路分开，就能彻底消除导线的影响，这种接法叫作“四线制连接”。
不过这里也有一些麻烦。比如，把正极测量线与电源线分开通常毫不费力，但负极线可能就没那么容易了。不过，即使只分开一根线，也就是把两线制“虚拟地”变成三线制，在不采用补偿修正的情况下，也能让通往电池的导线长度减半。


遗憾的是，三线制和四线制这类接法都有一个明显缺点：如果测量线断开，充电器就会一直给电池充电，直到电解液全部沸干，或者电池烧红为止。
为了避免这种情况，需要用电阻连接电源线和测量线。该电阻的阻值应远大于导线电阻，但又要远小于测量输入端的阻抗，以免引入测量误差。我认为大多数情况下，选用约100–300 Ω就足够了。


这样一来，即使导线断开，测量输入端仍会与电源线保持连接。电压或许会升高，但幅度很小，不会对电池造成危害。


当然，这并不能从根本上缩短充电时间。不过另一方面，如果你的铅酸电池通常要充5–7小时，能省下半小时肯定也不算白费。

顺便说一句，我测试各种电池时用的正是四线制连接。我可以告诉你，这种接法确实比普通充电器充得明显更快。

本文引用了以下评测中的资料：
YR1030，用于测量低电阻和电池内阻的毫欧表
带四线制连接的通用电池夹具

就写到这里了，希望这篇文章能帮大家顺利解决这些问题。和往常一样，欢迎提问。我回复得比较慢，但还是会尽量回答每一个问题。