Znalost nabíječek a akumulátorů pro elektromobily

Klasifikace nabíječek:

Nabíječky lze rozdělit do dvou hlavních typů podle toho, zda obsahují transformátor síťové frekvence (50 Hz). Nákladní tříkolkové nabíječky obvykle využívají transformátory se síťovou frekvencí, což vede k větším a těžším jednotkám, které spotřebují více energie, ale nabízejí spolehlivost a cenovou dostupnost. Elektrokola a motocykly naopak využívají takzvané nabíječky s přepínacím režimem, které jsou energeticky účinnější a nákladově efektivnější, ale náchylné k poruchám.
Správný postup pro spínané nabíječky je: během nabíjení připojte nejprve baterii, poté síťový zdroj; po úplném nabití před vytažením zástrčky baterie odpojte napájení. Vytažení zástrčky baterie během nabíjení, zvláště když je nabíjecí proud vysoký (indikováno červeným světlem), může vážně poškodit nabíječku.
Běžné nabíječky se spínaným režimem se dále dělí na polomůstkové a jednopulzní typy. Jednopulzní nabíječky jsou kategorizovány jako dopředné nebo zpětné. Konstrukce polovičního můstku, i když jsou dražší, nabízejí vynikající výkon a často se používají v nabíječkách obsahujících záporné pulsy. Typy Flyback, které jsou hospodárnější, mají významný podíl na trhu.

Pokud jde o nabíječky s negativními pulzy
Olověné baterie mají více než stoletou historii. Zpočátku se celosvětová praxe převážně držela tradičních názorů a provozních postupů: nabíjení a vybíjení rychlostí 0,1 C (kde C označuje kapacitu baterie) prodlužuje životnost. Pro řešení problémů s rychlým nabíjením pan Max ze Spojených států publikoval v roce 1967 celosvětově svá zjištění výzkumu. To zahrnovalo nabíjení pulzními proudy přesahujícími 1C, proložené intervaly vybíjení během nabíjecích pauz. Vybíjení usnadňuje redukci polarizace, snižuje teplotu elektrolytu a zvyšuje schopnost přijímat náboje desky.
Kolem roku 1969 čínští vědci úspěšně vyvinuli několik značek rychlonabíječek založených na třech principech pana Maxe. Nabíjecí cyklus probíhal následovně: vysokoproudé pulzní nabíjení → přerušení nabíjecího okruhu → krátké vybití baterie → zastavení vybíjení → obnovení nabíjecího okruhu → vysokoproudé pulzní nabíjení...
Kolem roku 2000 byl tento princip upraven pro nabíječky elektromobilů. Během nabíjení zůstal obvod nepřerušen a pomocí nízkoodporového zkratu se na chvíli vybila baterie. Protože nabíjecí obvod zůstal během zkratování aktivní, byla v něm sériově zapojena induktor. Obvykle trvá zkrat 3–5 milisekund během jedné sekundy (1 sekunda = 1000 milisekund). Protože se proud uvnitř indukčnosti nemůže náhle změnit, krátká doba trvání zkratu chrání sekci pro přeměnu energie nabíječky. Pokud je směr nabíjecího proudu označen jako kladný, výboj se přirozeně stává záporným. V důsledku toho průmysl elektrických vozidel vytvořil termín „nabíječka s negativními pulzy“ a tvrdil, že může prodloužit životnost baterie a tak dále.

O třístupňových nabíječkách
Elektromobily v posledních letech široce přijaly takzvané třístupňové nabíječky. První stupeň se nazývá stupeň konstantního proudu, druhý stupeň konstantního napětí a třetí stupeň skrápění. Z pohledu elektronického inženýrství jsou přesněji popsány jako:
- První stupeň: Stupeň omezení nabíjecího proudu
- Druhý stupeň: Stupeň vysokého konstantního napětí
- Třetí stupeň: Stupeň nízkého konstantního napětí Během přechodu mezi druhým a třetím stupněm se indikátory panelu odpovídajícím způsobem změní. Většina nabíječek zobrazuje během prvního a druhého stupně červené světlo, které se během třetího stupně přepne na zelené. Tento přechod mezi stupni je dán nabíjecím proudem: překročení určité prahové hodnoty aktivuje první a druhý stupeň, zatímco pokles pod tuto hodnotu spustí třetí stupeň. Tento prahový proud se nazývá přechodový proud nebo spínací proud.
První nabíječky, včetně nabíječek dodávaných se značkovými vozidly, i když vykazovaly změny indikátorů, byly ve skutečnosti nabíječky s konstantním napětím a omezeným proudem spíše než skutečné třístupňové jednotky. Typicky udržovaly jednu stabilní hodnotu napětí kolem 44,2 V, což bylo adekvátní pro sulfátové baterie s vysokou specifickou gravitací té doby.
Ohledně tří klíčových parametrů třístupňových nabíječek
Prvním kritickým parametrem je nízká hodnota konstantního napětí během fáze skrápění. Druhým je vysoká hodnota konstantního napětí během druhé fáze. Třetí je přechodový proud. Tyto tři parametry jsou ovlivněny počtem baterií, jejich kapacitou (Ah), teplotou a typem baterie. Pro snazší orientaci si ukážeme použití nejběžnější třístupňové nabíječky pro elektrokola (tři 12V 10Ah baterie v sérii):
Za prvé, nízká hodnota konstantního napětí během fáze skrápění s referenčním napětím přibližně 42,5 V. Vyšší hodnota způsobuje dehydrataci baterie a zvyšuje riziko přehřátí a deformace; nižší hodnota brání plnému nabití. V jižních oblastech by tato hodnota měla být nižší než 41,5 V; u gelových baterií by mělo být pod 41,5 V a v jižních oblastech ještě o něco nižší. Tento parametr je poměrně přísný a nesmí překročit referenční hodnotu.
Dále zvažte vysokou hodnotu konstantního napětí ve druhém stupni s referenčním napětím přibližně 44,5 V. Vyšší hodnota usnadňuje rychlé plné nabití, ale může způsobit dehydrataci baterie, přičemž proud v pozdější fázi nabíjení dostatečně neklesne, což má za následek přehřátí a deformaci baterie. Nižší hodnota brání rychlému plnému nabití, ale usnadňuje přechod do fáze kapání. I když není tak přísně regulována jako první hodnota, stále by neměla být příliš vysoká.

Konečně, pokud jde o konverzní proud, referenční hodnota je přibližně 300 mA. Vyšší hodnota prospívá životnosti baterie snížením tepelné deformace, i když brání rychlému nabíjení. Nižší hodnota (pro laiky) usnadňuje nabíjení, ale v důsledku dlouhodobého vysokonapěťového nabíjení může způsobit dehydrataci baterie, což vede k tepelné deformaci. Zejména při poruše jednotlivých článků, pokud nelze nabíjecí proud snížit pod prahovou hodnotu, může dojít k poškození jinak zdravých článků. Uvedený referenční rozsah povoluje odchylky ±50 mA nebo dokonce ±100 mA, ale nesmí klesnout pod 200 mA.
V současné době je na trhu k dispozici řada levných nabíječek flyback s vysokými hodnotami konstantního napětí 46,5 V, nízkými hodnotami konstantního napětí 41,5 V a přechodovými proudy přesahujícími 500 mA.
U nabíječky, která obsluhuje čtyři 12V baterie (celkem 48V), se první dva parametry vypočítají vydělením výše uvedených referenčních hodnot napětí třemi a vynásobením čtyřmi. Vysoké konstantní napětí je přibližně 59,5 V a nízké konstantní napětí je přibližně 56,5 V.
Pokud kapacita akumulátoru překročí 10Ah, je třeba přiměřeně zvýšit třetí parametr (aktuální hodnotu). Například 17Ah baterie může vyžadovat až 500 mA.

Mechanismy selhání baterie: vyčerpání vody; sulfatace; změkčení anody; a odlučování aktivního materiálu z anody.

Obnova přebití. Pokud životnost baterie není primárním zájmem, tato metoda obnovy přináší okamžité výsledky. Cykly hlubokého vybití a dobití mohou zvýšit kapacitu baterie, což je celosvětově uznávaný fakt. To však může snížit životnost baterie. Četné příspěvky na tomto webu se zaměřují výhradně na to, jak přebíjení může přeměnit povrchový oxid α-olova na oxid β-olova na kladné desce, a tím zvýšit kapacitu. Při použití tohoto přístupu při opravách hrozí nevratná ztráta kapacity. Některé baterie vrácené výrobcům k renovaci byly těmito metodami ošetřeny.
Na základě osobní praxe se domnívám, že účinná obnova nadměrného vybití a přebití může přinést vynikající výsledky při přísném omezení proudu a trvání, což je paralela s procesem tvorby desky během výroby. Klíč spočívá v rozlišovací schopnosti, neuplatňování zpětného zpoplatnění jednotně ve všech případech. Vezměme si nedávný případ: při návštěvě obchodu mého známého Lao Sana jsem narazil na čtyři 17Ah baterie, které byly nedávno vyjmuty z elektrického motocyklu. Měli v úmyslu je prodat (za 120 juanů) sběrateli použitých baterií. Nedoporučil jsem likvidaci s tím, že oprava je proveditelná, a vzal jsem je zpět k posouzení. Následuje krátké shrnutí:
Příklad 3: Čtyři výše uvedené baterie byly vyrobeny v Changxing, Zhejiang, i když ne Tianneng. Protože byly čerstvě vyjmuty, neprovádělo se žádné dodatečné testování ani nabíjení. Napětí naprázdno byla následující: Jednotka 1: 13,42 V; Jednotka 2: 13,36V; Jednotka 3: 13,18V; Jednotka 4: 12,4V. Evidentně měli málo elektrolytů. Po otevření krytu dostal každý článek v prvních třech bateriích 6 ml plus další 4 ml elektrolytu, zatímco článek 4 dostal 6 ml plus 2 ml navíc. Po dvou hodinách odpočinku začalo nabíjení zpočátku 10A, po dvou minutách se snížilo na 3A a po půl hodině se přepnulo do režimu snižování. Postupně se rozběhla výroba plynu. Buňky 1–3 vykazovaly relativně konzistentní produkci plynu ve všech odděleních, zatímco buňka 4 vykazovala produkci plynu v pěti odděleních zhruba ve stejnou dobu. Po zahájení výroby plynu však oddělení poblíž anody stále neprodukovala významná množství plynu. Nabíjení se zastavilo. Testování kapacity odhalilo, že články 1–3 se přiblížily novému stavu, zatímco článek 4 poskytl pouze 1,5 Ah. Přidejte 4 mililitry vody do každého článku článků 1–3 a poté nabíjejte postupně, dokud všechny články neprodukují plyn. Nabíjejte článek 4 samostatně po dobu jedné hodiny, poté jej vybijte proudem 5A. Monitorujte napětí na svorkách: pokles z 13,2 V na 10,5 V trval 20 minut a dosažení 8,32 V za méně než 5 minut. Pokračujte ve vybíjení proudem 5 A a udržujte přibližně 8,15 V po dobu jedné hodiny před zastavením testu. Proč zastavit? Vyšel závěr: článek sousedící s anodou byl vadný s kapacitou přibližně 1,5 Ah. Stručné teoretické vysvětlení: 20minutový pokles z 13,2 V na 10,5 V ukázal, že vadný článek (již výrazně pod 1,7 V) má kapacitu méně než 1,5 Ah. Pokračováním vybíjení 5A klesl vadný článek na 0V. Zbývajících pět zdravých článků (10V) nabilo vadný článek zpětně. Když vadný článek dosáhl téměř 2V při zpětném nabíjení, stabilizoval se na delší dobu. Koncové napětí baterie se rovnalo součtu pěti zdravých článků mínus zpětné napětí vadného článku: 10V - 2V = 8V. Další vybíjení je zbytečné, protože by došlo k poškození pěti dobrých článků. Pro identifikaci vadného článku: tyto baterie mají výrazně menší otvory pro plnění elektrolytu než jednotky 10Ah. Pomocí podomácku vyrobeného olověného nástroje lze vadný článek určit během několika sekund. V tomto případě pět článků vykazovalo vývoj plynu, zatímco článek poblíž anody nikoli. Testování potvrdilo, že tento článek byl vadný s částečnou separací buněk. Izolované ošetření obnovilo tento článek na kapacitu 10Ah. Oprava je nyní dokončena. Články 1–3 vykazují téměř novou kapacitu, zatímco článek 4 dosahuje 10Ah (pět funkčních článků společně odpovídá téměř nové kapacitě článků 1–3).

Metoda kontroly sulfatace bez otevření krytu
Zde je způsob, jak určit sulfataci bez otevření baterie: Nabijte baterii pomocí nastavitelného zdroje konstantního proudu nastaveného na přibližně 0,05C. Všimněte si, že sulfatace je indikována následujícími podmínkami. Vezměme si jako příklad 12V baterii: počáteční napětí přesahuje 15V (s větší odchylkou značící silnější sulfataci) a jak se doba nabíjení prodlužuje, napětí klesá a blíží se 15V. Při přepnutí na nabíjení konstantním napětím bude proud vykazovat rostoucí trend. To je založeno na mých praktických zkušenostech, zatímco standardní literatura obvykle zmiňuje pouze symptomy, jako je nadměrná tvorba tepla, předčasný vývoj plynu a snížená kapacita. Tuto diagnostickou metodu jsem na místě demonstroval několika hostujícím vysokoškolským studentům specializujícím se na tento obor a porovnával jsem olověné akumulátory s různým stupněm sulfatace. Nastavitelným zdrojem konstantního proudu je můj návrh z roku 1978, ‚New Star Multifunctional Charger‘, který je součástí mé učebnice Instalace černobílé televize. Původně využíval 36V transformátor s diskrétními lineárními součástkami, později byl modernizován na lineární design integrovaného obvodu s elektronickým spínačem řízeným konstantním proudem.

Posouzení ztráty vody bez otevření krytu

Určení ztráty vody bez otevření krytu vyžaduje dvě současné podmínky: 1) Napětí naprázdno 12V baterie přesahuje 13,2V. 2) Snížená kapacita. Tyto principy mohou uchopit i žáci základních škol. Základní teorie zahrnuje dva klíčové body: 1) Napětí naprázdno koreluje s koncentrací kyseliny sírové; ztráta vody zvyšuje koncentraci kyseliny a zvyšuje napětí na svorkách. 2) Ztráta vody snižuje hladinu elektrolytu, snižuje množství reagujícího materiálu a snižuje kapacitu. Další upřesnění podmínek: Výše ​​uvedené hodnoty se týkají napětí naprázdno 12V baterie elektromobilu půl hodiny po nabití. U automobilových baterií by hodnoty měly být nižší. Dokonce i pro baterie elektrických vozidel záleží na značce – například baterie Panasonic mají nižší hodnoty kvůli nižší specifické hmotnosti kyseliny sírové ve srovnání s bateriemi Zhejiang Changxing. Uvádí také, že bychom neměli být dogmatickí: například baterie se zdánlivě standardním napětím, ale nízkou kapacitou má obvykle pět článků bez vody, přičemž jeden článek je částečně oddělený.

Nenapravitelné standardy
Neopravitelné normy (pro baterie s normálním používáním a sulfatací olova):
1.  Neopravitelné, pokud vykazuje vnější deformaci, praskliny nebo netěsnosti.
2.  Neopravitelné, pokud vykazuje vnitřní poruchu, mechanické poškození nebo přebité desky, které zbarvují saze; charakteristické příznaky: napětí během nabíjení rychle stoupá a po stání výrazně klesá.
3.  Neopravitelné, pokud vykazuje špatné světlo CEL (Cell Error Light), selhání jednoho článku nebo vnitřní samovybíjení. (U vyjímatelných baterií na vysokozdvižných vozíkech lze vyměnit jednotlivé články a obnovit baterii.)