Znalosť nabíjačiek a akumulátorov pre elektrické vozidlá

Klasifikácia nabíjačiek:

Nabíjačky možno rozdeliť do dvoch hlavných typov podľa toho, či obsahujú transformátor sieťovej frekvencie (50 Hz). Nákladné trojkolkové nabíjačky zvyčajne využívajú transformátory so sieťovou frekvenciou, čo vedie k väčším a ťažším jednotkám, ktoré spotrebujú viac energie, no ponúkajú spoľahlivosť a cenovú dostupnosť. Elektrické bicykle a motocykle, naopak, využívajú takzvané nabíjačky s prepínaným režimom napájania, ktoré sú energeticky efektívnejšie a nákladovo efektívnejšie, ale sú náchylné na poruchu.
Správny postup pre spínacie nabíjačky je: počas nabíjania najskôr pripojte batériu, potom sieťové napájanie; po úplnom nabití odpojte napájanie pred vytiahnutím zástrčky batérie. Vytiahnutie zástrčky batérie počas nabíjania, najmä keď je nabíjací prúd vysoký (indikované červeným svetlom), môže vážne poškodiť nabíjačku.
Bežné nabíjačky so spínaným režimom sa ďalej delia na polomostové a jednopulzné typy. Jednopulzné nabíjačky sú kategorizované ako dopredné alebo spätné. Dizajn polovičného mostíka, aj keď je nákladnejší, ponúka vynikajúci výkon a často sa používa v nabíjačkách so zápornými impulzmi. Typy Flyback, ktoré sú hospodárnejšie, majú významný podiel na trhu.

Čo sa týka nabíjačiek s negatívnym pulzom
Olovené batérie majú viac ako storočnú históriu. Spočiatku sa globálna prax vo veľkej miere držala tradičných názorov a prevádzkových postupov: verilo sa, že nabíjanie a vybíjanie rýchlosťou 0,1 C (kde C označuje kapacitu batérie) predlžuje životnosť. Na riešenie výziev rýchleho nabíjania pán Max zo Spojených štátov zverejnil v roku 1967 celosvetovo svoje výskumné zistenia. Zahŕňalo nabíjanie pulznými prúdmi presahujúcimi rýchlosť 1C, prerušované intervalmi vybíjania počas nabíjacích prestávok. Vybíjanie uľahčuje redukciu polarizácie, znižuje teplotu elektrolytu a zvyšuje kapacitu akceptácie náboja platne.
Okolo roku 1969 čínski vedci úspešne vyvinuli viacero značiek rýchlonabíjačiek založených na troch princípoch pána Maxa. Nabíjací cyklus prebiehal nasledovne: vysokoprúdové impulzné nabíjanie → prerušenie nabíjacieho okruhu → krátke vybitie akumulátora → zastavenie vybíjania → opätovné vytvorenie nabíjacieho okruhu → impulzné vysokoprúdové nabíjanie...
Okolo roku 2000 bol tento princíp prispôsobený pre nabíjačky elektrických vozidiel. Počas nabíjania ostal obvod neprerušený a využíval nízkoodporový skrat na krátkodobé vybitie batérie. Keďže nabíjací obvod zostal počas skratovania aktívny, bola v ňom sériovo zapojená tlmivka. Skrat zvyčajne trvá 3–5 milisekúnd v rámci jednej sekundy (1 sekunda = 1000 milisekúnd). Keďže prúd v rámci indukčnosti sa nemôže náhle zmeniť, krátke trvanie skratu chráni sekciu premeny energie nabíjačky. Ak sa smer nabíjacieho prúdu nazýva kladný, výboj sa prirodzene stáva záporným. V dôsledku toho priemysel elektrických vozidiel vymyslel termín „nabíjačka s negatívnymi impulzmi“ a tvrdil, že môže predĺžiť životnosť batérie a tak ďalej.

Čo sa týka trojstupňových nabíjačiek
V posledných rokoch si elektrické vozidlá vo veľkej miere osvojili takzvané trojstupňové nabíjačky. Prvý stupeň sa nazýva stupeň s konštantným prúdom, druhý stupeň s konštantným napätím a tretí stupeň skvapkávania. Z hľadiska elektronického inžinierstva sú tieto presnejšie opísané ako:
- Prvý stupeň: Stupeň obmedzenia nabíjacieho prúdu
- Druhý stupeň: Stupeň vysokého konštantného napätia
- Tretí stupeň: Stupeň nízkeho konštantného napätia Počas prechodu medzi druhým a tretím stupňom sa indikátory panela zodpovedajúcim spôsobom menia. Väčšina nabíjačiek zobrazuje počas prvej a druhej fázy červené svetlo, ktoré sa počas tretej fázy zmení na zelené. Tento prechod medzi stupňami je určený nabíjacím prúdom: prekročenie určitej prahovej hodnoty aktivuje prvý a druhý stupeň, pričom pokles pod túto hranicu spustí tretí stupeň. Tento prahový prúd sa nazýva prechodový prúd alebo spínací prúd.
Skoré nabíjačky, vrátane tých, ktoré boli dodávané so značkovými vozidlami, aj keď vykazovali zmeny indikátorov, boli v skutočnosti nabíjačky s konštantným napätím a obmedzeným prúdom, a nie skutočné trojstupňové jednotky. Typicky si tieto udržiavali jedinú stabilnú hodnotu napätia okolo 44,2 V, čo bolo primerané pre sulfátové batérie s vysokou špecifickou hmotnosťou tej doby.
Čo sa týka troch kľúčových parametrov trojstupňových nabíjačiek
Prvým kritickým parametrom je nízka hodnota konštantného napätia počas fázy udržiavania. Druhým je vysoká hodnota konštantného napätia počas druhej fázy. Tretím je prechodový prúd. Tieto tri parametre sú ovplyvnené počtom batérií, ich kapacitou (Ah), teplotou a typom batérie. Pre ľahkú orientáciu si ukážeme použitie najbežnejšej trojstupňovej nabíjačky pre elektrické bicykle (tri 12V 10Ah batérie v sérii):
Po prvé, nízka hodnota konštantného napätia počas fázy udržiavania s referenčným napätím približne 42,5 V. Vyššia hodnota spôsobuje dehydratáciu batérie, čím sa zvyšuje riziko prehriatia a deformácie; nižšia hodnota bráni úplnému nabitiu. V južných regiónoch by táto hodnota mala byť nižšia ako 41,5 V; pre gélové batérie by malo byť nižšie ako 41,5 V av južných oblastiach ešte o niečo nižšie. Tento parameter je pomerne prísny a nesmie prekročiť referenčnú hodnotu.
Ďalej zvážte vysokú hodnotu konštantného napätia v druhom stupni s referenčným napätím približne 44,5 V. Vyššia hodnota uľahčuje rýchle úplné nabitie, ale môže spôsobiť dehydratáciu batérie, pričom prúd v neskoršej fáze nabíjania dostatočne neklesne, čo má za následok prehriatie a deformáciu batérie. Nižšia hodnota bráni rýchlemu úplnému nabitiu, ale uľahčuje prechod do fázy udržiavania. Hoci nie je tak prísne regulovaná ako prvá hodnota, stále by nemala byť príliš vysoká.

Nakoniec, pokiaľ ide o konverzný prúd, referenčná hodnota je približne 300 mA. Vyššia hodnota prospieva životnosti batérie znížením tepelnej deformácie, aj keď bráni rýchlemu nabíjaniu. Nižšia hodnota (pre laikov) uľahčuje nabíjanie, ale v dôsledku dlhšieho nabíjania vysokým napätím môže spôsobiť dehydratáciu batérie, čo vedie k tepelnej deformácii. Najmä pri poruche jednotlivých článkov, ak nie je možné znížiť nabíjací prúd pod prahový prúd, môže dôjsť k poškodeniu inak zdravých článkov. Špecifikovaný referenčný rozsah umožňuje odchýlky ±50 mA alebo dokonca ±100 mA, ale nesmie klesnúť pod 200 mA.
V súčasnosti je na trhu k dispozícii množstvo lacných flyback nabíjačiek s vysokými hodnotami konštantného napätia 46,5 V, nízkymi hodnotami konštantného napätia 41,5 V a prechodovými prúdmi presahujúcimi 500 mA.
Pre nabíjačku, ktorá obsluhuje štyri 12V batérie (48V spolu), prvé dva parametre sa vypočítajú vydelením vyššie uvedených referenčných hodnôt napätia tromi a vynásobením štyrmi. Vysoké konštantné napätie je približne 59,5 V a nízke konštantné napätie je približne 56,5 V.
Ak kapacita batérie presiahne 10Ah, tretí parameter (aktuálna hodnota) by sa mal primerane zvýšiť. Napríklad 17Ah batéria môže vyžadovať až 500 mA.

Mechanizmy zlyhania batérie: vyčerpanie vody; sulfatácia; zmäkčenie anódy; a odlupovanie aktívneho materiálu z anódy.

Obnova prebitia. Ak životnosť batérie nie je prvoradá, táto metóda obnovy prináša okamžité výsledky. Cykly hlbokého vybitia a dobitia môžu zvýšiť kapacitu batérie, čo je celosvetovo uznávaná skutočnosť. To však môže znížiť životnosť batérie. Početné príspevky na tejto stránke sa zameriavajú výlučne na to, ako môže prebíjanie premeniť povrchový oxid α-olova na oxid β-olova na kladnej platni, čím sa zvýši kapacita. Využitie tohto prístupu počas opravy riskuje, že spôsobí nezvratnú stratu kapacity. Niektoré batérie vrátené výrobcom na renováciu boli ošetrené týmito metódami.
Na základe osobnej praxe sa domnievam, že účinná obnova nadmerného vybitia a nadmerného nabitia môže priniesť vynikajúce výsledky pri prísnom obmedzení prúdu a trvania, pričom ide o paralely s procesom vytvárania platní počas výroby. Kľúčom je rozlišovanie, neuplatňovanie spätného účtovania jednotne vo všetkých prípadoch. Zoberme si nedávny prípad: pri návšteve obchodu môjho známeho Lao Sana som narazil na štyri 17Ah batérie, ktoré boli nedávno odstránené z elektrického motocykla. Mali v úmysle ich predať (za 120 juanov) zberateľovi použitých batérií. Neodporúčal som likvidáciu s tým, že oprava je realizovateľná a vzal som ich späť na posúdenie. Nasleduje krátke zhrnutie:
Príklad 3: Štyri vyššie uvedené batérie boli vyrobené v Changxing, Zhejiang, hoci nie v Tianneng. Keďže boli čerstvo odstránené, nevykonalo sa žiadne dodatočné testovanie ani nabíjanie. Napätia naprázdno boli nasledovné: Jednotka 1: 13,42 V; Jednotka 2: 13,36 V; Jednotka 3: 13,18 V; Jednotka 4: 12,4V. Evidentne mali málo elektrolytov. Po otvorení krytu dostal každý článok v prvých troch batériách 6 ml plus ďalšie 4 ml elektrolytu, zatiaľ čo článok 4 dostal 6 ml plus ďalšie 2 ml. Po dvoch hodinách odpočinku sa nabíjanie začalo spočiatku pri 10 A, po dvoch minútach sa znížilo na 3 A a po pol hodine sa prešlo do režimu zníženia. Postupne sa rozbehla výroba plynu. Bunky 1–3 vykazovali relatívne konzistentnú produkciu plynu vo všetkých oddeleniach, zatiaľ čo bunka 4 vykazovala produkciu plynu v piatich oddeleniach približne v rovnakom čase. Po spustení výroby plynu však oddelenia v blízkosti anódy stále neprodukovali významné množstvá plynu. Nabíjanie prestalo. Testovanie kapacity odhalilo, že bunky 1–3 sa priblížili k novému stavu, zatiaľ čo bunka 4 poskytla iba 1,5 Ah. Pridajte 4 mililitre vody do každého článku článkov 1–3 a potom postupne nabíjajte, kým všetky články neprodukujú plyn. Nabíjajte článok 4 oddelene jednu hodinu, potom ho vybite prúdom 5A. Monitorujte napätie na svorkách: pokles z 13,2 V na 10,5 V trval 20 minút a dosiahnutie 8,32 V za menej ako 5 minút. Pokračujte vo vybíjaní pri 5 A, pričom udržiavajte približne 8,15 V počas jednej hodiny pred zastavením testu. Prečo zastaviť? Záver sa ukázal: článok susediaci s anódou bol chybný s kapacitou približne 1,5 Ah. Stručné teoretické vysvetlenie: 20-minútový pokles z 13,2 V na 10,5 V ukázal, že chybný článok (už výrazne pod 1,7 V) má kapacitu menšiu ako 1,5 Ah. Pokračovaním vybíjania 5A chybný článok klesol na 0V. Zvyšných päť zdravých článkov (10 V) spätne nabilo chybný článok. Keď chybný článok dosiahol takmer 2V pri spätnom nabíjaní, stabilizoval sa na dlhšiu dobu. Koncové napätie batérie sa rovnalo súčtu piatich zdravých článkov mínus spätné napätie chybného článku: 10V - 2V = 8V. Ďalšie vybíjanie je zbytočné, pretože by poškodilo päť dobrých článkov. Identifikácia chybného článku: tieto batérie majú výrazne menšie plniace otvory elektrolytu ako jednotky s kapacitou 10 Ah. Pomocou domáceho oloveného nástroja je možné určiť chybný článok v priebehu niekoľkých sekúnd. V tomto prípade päť článkov vykazovalo vývoj plynu, zatiaľ čo článok blízko anódy nie. Testovanie potvrdilo, že tento článok bol chybný s čiastočným oddelením buniek. Izolované ošetrenie obnovilo tento článok na kapacitu 10 Ah. Oprava je teraz dokončená. Bunky 1–3 vykazujú takmer novú kapacitu, zatiaľ čo bunka 4 dosahuje 10Ah (päť funkčných buniek sa spoločne zhoduje s takmer novou kapacitou buniek 1–3).

Metóda kontroly sulfatácie bez otvorenia krytu
Tu je metóda na určenie sulfatácie bez otvorenia batérie: Nabite batériu pomocou nastaviteľného zdroja konštantného prúdu nastaveného na približne 0,05C. Všimnite si, že sulfatácia je indikovaná nasledujúcimi podmienkami. Vezmime si ako príklad 12V batériu: počiatočné napätie presahuje 15V (s väčšou odchýlkou ​​naznačujúcou silnejšiu sulfatáciu) a ako sa doba nabíjania predlžuje, napätie klesá a blíži sa k 15V. Ak sa prepne na nabíjanie konštantným napätím, prúd bude vykazovať rastúci trend. Toto je založené na mojich praktických skúsenostiach, zatiaľ čo štandardná literatúra zvyčajne uvádza iba symptómy, ako je nadmerná tvorba tepla, predčasný vývoj plynu a znížená kapacita. Túto diagnostickú metódu som na mieste demonštroval niekoľkým hosťujúcim vysokoškolákom so špecializáciou v danej oblasti, pričom som porovnával olovené akumulátory s rôznym stupňom sulfatácie. Nastaviteľným zdrojom konštantného prúdu je môj dizajn z roku 1978, „Nová hviezdna multifunkčná nabíjačka“, ktorá je súčasťou mojej učebnice Inštalácia čiernej a bielej televízie. Pôvodne využíval 36V transformátor s diskrétnymi lineárnymi komponentmi, neskôr bol modernizovaný na lineárny dizajn integrovaného obvodu s elektronickým spínačom riadeným konštantným prúdom.

Hodnotenie straty vody bez otvorenia krytu

Určenie straty vody bez otvorenia krytu vyžaduje dve súčasné podmienky: 1) Napätie naprázdno 12V batérie presahuje 13,2V. 2) Znížená kapacita. Tieto princípy dokážu pochopiť aj žiaci základných škôl. Základná teória zahŕňa dva kľúčové body: 1) Napätie v otvorenom okruhu koreluje s koncentráciou kyseliny sírovej; strata vody zvyšuje koncentráciu kyseliny a zvyšuje koncové napätie. 2) Strata vody znižuje hladinu elektrolytu, znižuje množstvo reagujúceho materiálu a znižuje kapacitu. Ďalšie vysvetlenie podmienok: Vyššie uvedené hodnoty sa vzťahujú na napätie naprázdno 12V batérie elektrického vozidla pol hodiny po nabití. Pri automobilových batériách by mali byť hodnoty nižšie. Dokonca aj v prípade batérií elektrických vozidiel záleží na značke – napríklad batérie Panasonic majú nižšie hodnoty v dôsledku nižšej špecifickej hmotnosti kyseliny sírovej v porovnaní s batériami Zhejiang Changxing. Tiež uvádza, že by sme nemali byť dogmatickí: napríklad batéria so zdanlivo štandardným napätím, ale nízkou kapacitou má zvyčajne päť článkov bez vody, pričom jeden článok je čiastočne oddelený.

Nenapraviteľné štandardy
Neopraviteľné normy (pre batérie s bežným používaním a sulfatáciou olova):
1.  Neopraviteľné, ak vykazuje vonkajšiu deformáciu, praskliny alebo netesnosti.
2.  Neopraviteľné, ak vykazuje vnútornú poruchu, mechanické poškodenie alebo nadmerne nabité platne, ktoré sa menia na sadze; charakteristické príznaky: napätie počas nabíjania rýchlo stúpa a po státí výrazne klesá.
3.  Neopraviteľné, ak vykazuje slabé CEL (Cell Error Light), zlyhanie jedného článku alebo vnútorné samovybíjanie. (V prípade vymeniteľných batérií na vysokozdvižných vozíkoch možno jednotlivé články vymeniť a batériu obnoviť.)