Poznavanje punjača i baterija za električna vozila

Klasifikacija punjača:

Punjači se mogu kategorizirati u dvije glavne vrste ovisno o tome sadrže li transformator mrežne frekvencije (50 Hz). Punjači za teretne tricikle obično koriste transformatore s mrežnom frekvencijom, što rezultira većim, težim jedinicama koje troše više energije, ali nude pouzdanost i pristupačnost. Električni bicikli i motocikli, nasuprot tome, koriste takozvane punjače s prekidačkim načinom rada, koji su energetski učinkovitiji i isplativiji, ali skloni kvarovima.
Ispravan postupak za prekidne punjače je: tijekom punjenja prvo spojite bateriju, a zatim mrežno napajanje; nakon potpunog punjenja, odspojite mrežno napajanje prije uklanjanja utikača baterije. Uklanjanje utikača baterije tijekom punjenja, osobito kada je struja punjenja visoka (označeno crvenim svjetlom), može ozbiljno oštetiti punjač.
Uobičajeni prekidački punjači dalje se dijele na polumostne i jednopulsne tipove. Punjači s jednim impulsom kategorizirani su kao naprijed ili povratno. Polu-mosni dizajni, iako su skuplji, nude vrhunske performanse i često se koriste u punjačima koji sadrže negativne impulse. Flyback tipovi, budući da su ekonomičniji, drže značajan tržišni udio.

Što se tiče punjača s negativnim pulsom
Olovne baterije imaju povijest dužu od stoljeća. U početku se globalna praksa uglavnom pridržavala tradicionalnih pogleda i operativnih postupaka: vjerovalo se da punjenje i pražnjenje brzinom od 0,1C (gdje C označava kapacitet baterije) produljuje životni vijek. Kako bi se pozabavio izazovima brzog punjenja, g. Max iz Sjedinjenih Država objavio je svoja istraživanja na globalnoj razini 1967. godine. To je uključivalo punjenje pulsnim strujama koje prelaze stopu od 1 C, isprekidano s intervalima pražnjenja tijekom pauza punjenja. Pražnjenje olakšava smanjenje polarizacije, snižava temperaturu elektrolita i povećava kapacitet prihvaćanja naboja ploče.
Oko 1969. kineski znanstvenici uspješno su razvili višestruke marke brzih punjača na temelju tri načela g. Maxa. Ciklus punjenja odvijao se na sljedeći način: pulsno punjenje visokom strujom → prekid kruga punjenja → kratkotrajno pražnjenje baterije → zaustavljanje pražnjenja → ponovno uspostavljanje kruga punjenja → pulsno punjenje jakom strujom...
Oko 2000. godine ovaj princip je prilagođen za punjače električnih vozila. Tijekom punjenja strujni krug je ostao neprekinut, koristeći kratki spoj niskog otpora za trenutno pražnjenje baterije. Kako je krug punjenja ostao aktivan tijekom kratkog spoja, induktor je serijski spojen unutar njega. Tipično, kratki spoj traje 3-5 milisekundi unutar jedne sekunde (1 sekunda = 1000 milisekundi). Budući da se struja unutar induktiviteta ne može naglo promijeniti, kratko trajanje kratkog spoja štiti dio punjača za pretvorbu energije. Ako se smjer struje punjenja nazove pozitivnim, pražnjenje prirodno postaje negativno. Posljedično, industrija električnih vozila skovala je izraz 'punjač s negativnim pulsom', tvrdeći da može produžiti vijek trajanja baterije i tako dalje.

Što se tiče trostepenih punjača
Posljednjih su godina električna vozila naširoko usvojila takozvane trostupanjske punjače. Prvi stupanj se naziva stupanj konstantne struje, drugi stupanj konstantnog napona, a treći stupanj kapanja. Iz perspektive elektroničkog inženjeringa, oni su točnije opisani kao:
- Prvi stupanj: stupanj ograničenja struje punjenja
- Drugi stupanj: Stupanj visokog konstantnog napona
- Treći stupanj: stupanj niskog konstantnog napona Tijekom prijelaza između drugog i trećeg stupnja, indikatorska svjetla na ploči se mijenjaju u skladu s tim. Većina punjača svijetli crveno tijekom prve i druge faze, a svijetli zeleno tijekom treće faze. Ovaj prijelaz između stupnjeva određen je strujom punjenja: prekoračenje određenog praga aktivira prvi i drugi stupanj, dok pad ispod njega pokreće treći stupanj. Ova struja praga naziva se prijelaznom strujom ili strujom sklopke.
Rani punjači, uključujući one koji su se isporučivali s markiranim vozilima, iako su pokazivali promjene indikatora, zapravo su bili punjači s konstantnim naponom i ograničenom strujom, a ne prave trostupanjske jedinice. Obično su one održavale jednu stabilnu vrijednost napona oko 44,2 V, što je bilo dovoljno za sulfatne baterije visoke specifične gravitacije toga doba.
Što se tiče tri ključna parametra trostupanjskih punjača
Prvi kritični parametar je niska konstantna vrijednost napona tijekom faze curenja. Druga je visoka konstantna vrijednost napona tijekom druge faze. Treća je prijelazna struja. Na ova tri parametra utječu broj baterija, njihov kapacitet (Ah), temperatura i tip baterije. Radi lakšeg snalaženja, ilustrirati ćemo korištenje najčešćeg trostupanjskog punjača za električne bicikle (tri 12V 10Ah baterije u seriji):
Prvo, niska konstantna vrijednost napona tijekom faze curenja, s referentnim naponom od približno 42,5 V. Viša vrijednost uzrokuje dehidraciju baterije, povećavajući rizik od pregrijavanja i deformacije; niža vrijednost sprječava potpuno punjenje. U južnim regijama ova bi vrijednost trebala biti ispod 41,5 V; za gel baterije, trebao bi biti ispod 41,5 V, a još malo niži u južnim područjima. Ovaj je parametar relativno strog i ne smije premašiti referentnu vrijednost.
Zatim, razmotrite visoku konstantnu vrijednost napona u drugom stupnju, s referentnim naponom od približno 44,5 V. Viša vrijednost olakšava brzo potpuno punjenje, ali može uzrokovati dehidraciju baterije, pri čemu se struja ne uspijeva dovoljno smanjiti u kasnijoj fazi punjenja, što dovodi do pregrijavanja i deformacije baterije. Niža vrijednost sprječava brzo potpuno punjenje, ali olakšava prijelaz u fazu kapanja. Iako nije tako strogo regulirana kao prva vrijednost, ipak ne bi trebala biti pretjerano visoka.

Konačno, što se tiče struje pretvorbe, referentna vrijednost je približno 300 mA. Viša vrijednost pogoduje dugovječnosti baterije smanjujući toplinsku deformaciju, iako sprječava brzo punjenje. Niža vrijednost (za laike) olakšava punjenje, ali zbog dugotrajnog punjenja pod visokim naponom može uzrokovati dehidraciju baterije, što dovodi do toplinske deformacije. Osobito kada pojedine ćelije ne rade ispravno, ako se struja punjenja ne može smanjiti ispod struje praga, može oštetiti inače zdrave ćelije. Navedeni referentni raspon dopušta odstupanja od ±50mA ili čak ±100mA, ali ne smije pasti ispod 200mA.
Trenutno su na tržištu dostupni brojni jeftini flyback punjači koji imaju visoke vrijednosti konstantnog napona od 46,5 V, niske vrijednosti konstantnog napona od 41,5 V i prijelazne struje veće od 500 mA.
Za punjač koji radi s četiri baterije od 12 V (ukupno 48 V), prva dva parametra izračunavaju se dijeljenjem gore navedenih referentnih vrijednosti napona s tri i množenjem s četiri. Visoki konstantni napon je približno 59,5 V, a niski konstantni napon je približno 56,5 V.
Ako kapacitet baterije prelazi 10Ah, treći parametar (trenutnu vrijednost) treba odgovarajuće povećati. Na primjer, baterija od 17 Ah može zahtijevati do 500 mA.

Mehanizmi kvara baterije: pražnjenje vode; sulfatizacija; omekšavanje anode; i otpuštanje aktivnog materijala s anode.

Oporavak od preopterećenja. Ako životni vijek baterije nije primarna briga, ova metoda oporavka daje trenutne rezultate. Ciklusi dubokog pražnjenja i ponovnog punjenja mogu povećati kapacitet baterije, što je globalno priznata činjenica. Međutim, to može ugroziti životni vijek baterije. Brojni postovi na ovoj stranici fokusiraju se isključivo na to kako prekomjerno punjenje može pretvoriti površinski α-olovni oksid u β-olovni oksid na pozitivnoj ploči, čime se povećava kapacitet. Primjenom ovog pristupa tijekom popravka postoji rizik od nepovratnog gubitka kapaciteta. Neke baterije vraćene proizvođačima na obnovu tretirane su takvim metodama.
Na temelju osobne prakse, vjerujem da učinkovita obnova prekomjernog pražnjenja i prekomjernog punjenja može dati izvrsne rezultate kada se strogo ograniči struja i trajanje, povlačeći paralele s procesom formiranja ploče tijekom proizvodnje. Ključ leži u razboru, a ne u primjeni obrnute naplate ravnomjerno u svim slučajevima. Razmotrite nedavni slučaj: dok sam posjećivao trgovinu svog poznanika Lao Sana, naišao sam na četiri baterije od 17 Ah koje su nedavno skinute s električnog motocikla. Namjeravali su ih prodati (za 120 juana) sakupljaču rabljenih baterija. Savjetovao sam da se ne odlažu, sugerirajući da je popravak izvediv, i vratio sam ih na procjenu. Slijedi kratak sažetak:
Primjer tri: Četiri gore spomenute baterije proizvedene su u Changxingu, Zhejiang, ali ne u tvrtki Tianneng. Budući da su svježe uklonjeni, nije izvršeno nikakvo dodatno testiranje ili punjenje. Naponi otvorenog kruga bili su sljedeći: Jedinica 1: 13,42 V; Jedinica 2: 13,36 V; Jedinica 3: 13,18 V; Jedinica 4: 12,4 V. Očito su imali nizak nivo elektrolita. Nakon otvaranja kućišta, svaka ćelija u prve tri baterije primila je 6 ml plus dodatnih 4 ml elektrolita, dok je ćelija 4 primila 6 ml plus dodatna 2 ml. Nakon odmora od dva sata, punjenje je započelo s 10 A u početku, smanjeno na 3 A nakon dvije minute, a zatim je prebačeno na smanjeni način rada nakon pola sata. Postupno je započela proizvodnja plina. Stanice 1-3 pokazale su relativno dosljednu proizvodnju plina u svim odjeljcima, dok je ćelija 4 pokazala proizvodnju plina u pet odjeljaka otprilike u isto vrijeme. Međutim, nakon početka proizvodnje plina, odjeljci u blizini anode još uvijek nisu proizvodili značajne količine plina. Punjenje je prestalo. Testiranje kapaciteta pokazalo je da su se ćelije 1-3 približile novom stanju, dok je ćelija 4 dala samo 1,5 Ah. Dodajte 4 mililitra vode u svaku ćeliju ćelija 1–3, zatim punite u koracima dok sve ćelije ne proizvedu plin. Punite ćeliju 4 zasebno jedan sat, zatim je ispraznite na 5 A. Pratite napon terminala: trebalo je 20 minuta da padne s 13,2 V na 10,5 V, a manje od 5 minuta da dosegne 8,32 V. Nastavite s pražnjenjem na 5 A, održavajući oko 8,15 V jedan sat prije zaustavljanja testa. Zašto stati? Zaključak se pojavio: ćelija uz anodu bila je neispravna, kapaciteta približno 1,5 Ah. Kratko teoretsko objašnjenje: pad od 20 minuta s 13,2 V na 10,5 V pokazao je da neispravna ćelija (već znatno ispod 1,7 V) ima kapacitet manji od 1,5 Ah. Nastavljajući pražnjenje od 5A, neispravna ćelija je pala na 0V. Preostalih pet zdravih ćelija (10V) obrnuto je naelektrisalo neispravnu ćeliju. Kada je neispravna ćelija dosegla gotovo 2 V pri obrnutom punjenju, stabilizirala se na dulje razdoblje. Napon priključka baterije jednak je zbroju pet zdravih ćelija minus obrnuti napon neispravne ćelije: 10V - 2V = 8V. Daljnje pražnjenje je nepotrebno jer bi oštetilo pet dobrih ćelija. Za prepoznavanje neispravne ćelije: ove baterije imaju znatno manje otvore za punjenje elektrolitom od jedinica od 10 Ah. Pomoću domaćeg alata obloženog olovom, neispravna ćelija može se odrediti u roku od nekoliko sekundi. U ovom slučaju, pet ćelija pokazalo je razvijanje plina, dok ćelija u blizini anode nije. Testiranje je potvrdilo da je ova ćelija neispravna, s djelomičnim odvajanjem stanica. Izolirani tretman vratio je ovu ćeliju na kapacitet od 10 Ah. Popravak je sada završen. Ćelije 1–3 pokazuju skoro novi kapacitet, dok ćelija 4 doseže 10 Ah (pet funkcionalnih ćelija zajedno odgovara skoro novom kapacitetu ćelija 1–3).

Metoda provjere sulfatizacije bez otvaranja poklopca
Ovdje je metoda za određivanje sulfatizacije bez otvaranja baterije: Napunite bateriju pomoću podesivog izvora konstantne struje postavljenog na približno 0,05C. Imajte na umu da je sulfatizacija naznačena sljedećim uvjetima. Uzimajući za primjer bateriju od 12 V: početni napon prelazi 15 V (s većim odstupanjem koje ukazuje na ozbiljniju sulfatizaciju), a kako se vrijeme punjenja povećava, napon se smanjuje, približavajući se 15 V. Ako se prebaci na punjenje konstantnim naponom, struja će pokazivati ​​rastući trend. To se temelji na mom praktičnom iskustvu, dok standardna literatura obično spominje samo simptome poput prekomjernog stvaranja topline, preranog stvaranja plina i smanjenog kapaciteta. Demonstrirao sam ovu dijagnostičku metodu na licu mjesta nekolicini gostujućih studenata specijaliziranih za to područje, uspoređujući olovne baterije s različitim stupnjevima sulfatizacije. Podesivi izvor konstantne struje moj je dizajn iz 1978., 'New Star Multifunctional Charger', uključen u dodatak mog udžbenika Crno-bijela televizijska instalacija. Izvorno je koristio transformator od 36 V s diskretnim linearnim komponentama, a kasnije je nadograđen na linearni dizajn integriranog kruga s elektroničkim prekidačem kontroliranom konstantnom strujom.

Procjena gubitka vode bez otvaranja kućišta

Određivanje gubitka vode bez otvaranja poklopca zahtijeva dva istovremena uvjeta: 1) Napon otvorenog kruga baterije od 12 V prelazi 13,2 V. 2) Smanjeni kapacitet. Čak i učenici osnovnih škola mogu shvatiti ove principe. Temeljna teorija uključuje dvije ključne točke: 1) napon otvorenog kruga korelira s koncentracijom sumporne kiseline; gubitak vode povećava koncentraciju kiseline, podižući napon na terminalima. 2) Gubitak vode snižava razinu elektrolita, smanjujući količinu materijala koji reagira i smanjuje kapacitet. Dodatno pojašnjenje uvjeta: gore navedene vrijednosti odnose se na napon otvorenog kruga akumulatora električnog vozila od 12 V pola sata nakon punjenja. Za automobilske baterije vrijednosti bi trebale biti niže. Marka je važna čak i za baterije za električna vozila—na primjer, baterije Panasonic imaju niže vrijednosti zbog niže specifične težine sumporne kiseline u usporedbi s baterijama Zhejiang Changxing. Također navodi da ne treba biti dogmatičan: na primjer, baterija s naizgled standardnim naponom, ali niskog kapaciteta obično ima pet ćelija bez vode, a jedna je ćelija djelomično odvojena.

Nepopravljivi standardi
Nepopravljivi standardi (za baterije s normalnom upotrebom i sulfatiranjem olova):
1.  Nepopravljivo ako pokazuje vanjsku deformaciju, pukotine ili curenje.
2.  Nepopravljivo ako pokazuje unutarnji kvar, mehaničko oštećenje ili prenapunjene ploče koje postaju čađe; karakteristični simptomi: napon brzo raste tijekom punjenja i značajno pada nakon stajanja.
3.  Nepopravljivo ako pokazuje loš CEL (Cell Error Light), kvar jedne ćelije ili unutarnje samopražnjenje. (Za uklonjive baterije na viličarima, moguće je zamijeniti pojedinačne ćelije i vratiti bateriju.)