Cunoștințe despre încărcătoare pentru vehicule electrice și baterii de stocare

Clasificarea încărcătoarelor:

Încărcătoarele pot fi clasificate în două tipuri principale, în funcție de faptul dacă încorporează un transformator de frecvență a rețelei (50 Hz). Încărcătoarele triciclete de marfă folosesc de obicei transformatoare cu frecvența rețelei, rezultând unități mai mari și mai grele care consumă mai multă energie, dar oferă fiabilitate și accesibilitate. Bicicletele și motocicletele electrice, dimpotrivă, utilizează așa-numitele încărcătoare de alimentare cu comutare, care sunt mai eficiente din punct de vedere energetic și mai rentabile, dar predispuse la defecțiuni.
Procedura corectă pentru încărcătoarele cu comutare este: în timpul încărcării, conectați mai întâi bateria, apoi rețeaua de alimentare; la încărcarea completă, deconectați sursa de alimentare înainte de a scoate ștecherul bateriei. Scoaterea ștecherului bateriei în timpul încărcării, în special atunci când curentul de încărcare este mare (indicat de o lumină roșie), poate deteriora grav încărcătorul.
Încărcătoarele comune cu modul de comutare se împart în tipuri cu jumătate de punte și cu un singur impuls. Încărcătoarele cu un singur impuls sunt clasificate ca modele înainte sau flyback. Design-urile semi-bridge, deși mai mari ca cost, oferă performanțe superioare și sunt frecvent utilizate în încărcătoare care încorporează impulsuri negative. Tipurile Flyback, fiind mai economice, dețin o cotă de piață semnificativă.

În ceea ce privește încărcătoarele cu impulsuri negative
Bateriile plumb-acid au o istorie de peste un secol. Inițial, practica globală a respectat în mare măsură opiniile și procedurile de operare tradiționale: se credea că încărcarea și descărcarea la o rată de 0,1C (unde C indică capacitatea bateriei) prelungesc durata de viață. Pentru a aborda provocările de încărcare rapidă, domnul Max din Statele Unite și-a publicat rezultatele cercetării la nivel global în 1967. Aceasta a implicat încărcarea cu curenți de impuls care depășesc o rată de 1C, intercalate cu intervale de descărcare în timpul pauzelor de încărcare. Descărcarea facilitează reducerea polarizării, scade temperatura electrolitului și îmbunătățește capacitatea de acceptare a încărcării plăcii.
În jurul anului 1969, oamenii de știință chinezi au dezvoltat cu succes mai multe mărci de încărcătoare rapide bazate pe cele trei principii ale domnului Max. Ciclul de încărcare a decurs după cum urmează: încărcare cu impuls de curent mare → întreruperea circuitului de încărcare → descărcare scurtă a bateriei → oprirea descărcării → restabilirea circuitului de încărcare → încărcare cu impuls de curent ridicat...
În jurul anului 2000, acest principiu a fost adaptat pentru încărcătoarele pentru vehicule electrice. În timpul încărcării, circuitul a rămas neîntrerupt, folosind un scurtcircuit cu rezistență scăzută pentru a descărca momentan bateria. Deoarece circuitul de încărcare a rămas activ în timpul scurtcircuitării, un inductor a fost conectat în serie în interiorul acestuia. De obicei, scurtcircuitul durează 3-5 milisecunde într-o secundă (1 secundă = 1000 milisecunde). Deoarece curentul din inductanță nu se poate schimba brusc, durata scurtă de scurtcircuit protejează secțiunea de conversie a puterii a încărcătorului. Dacă direcția curentului de încărcare este numită pozitivă, descărcarea devine în mod natural negativă. În consecință, industria vehiculelor electrice a inventat termenul „încărcător cu impulsuri negative”, susținând că ar putea prelungi durata de viață a bateriei și așa mai departe.

În ceea ce privește încărcătoarele în trei trepte
În ultimii ani, vehiculele electrice au adoptat pe scară largă așa-numitele încărcătoare în trei trepte. Prima etapă este denumită treaptă de curent constant, a doua treaptă de tensiune constantă, iar a treia treaptă de scurgere. Din perspectiva ingineriei electronice, acestea sunt descrise mai precis ca:
- Prima etapă: Etapa de limitare a curentului de încărcare
- A doua etapă: Etapă de înaltă tensiune constantă
- A treia etapă: Etapă de tensiune constantă scăzută În timpul tranziției dintre a doua și a treia etapă, luminile indicatoare ale panoului se schimbă în consecință. Majoritatea încărcătoarelor afișează o lumină roșie în prima și a doua etapă, trecând la verde în timpul celei de-a treia etape. Această tranziție între etape este determinată de curentul de încărcare: depășirea unui anumit prag activează prima și a doua etapă, în timp ce scăderea sub aceasta declanșează a treia etapă. Acest curent de prag este denumit curent de tranziție sau curent de comutare.
Încărcătoarele timpurii, inclusiv cele furnizate cu vehicule de marcă, deși prezentau modificări ale indicatorului, erau de fapt încărcătoare cu tensiune constantă, cu curent limitat, mai degrabă decât unități adevărate în trei trepte. De obicei, acestea au menținut o singură valoare stabilă a tensiunii în jurul valorii de 44,2 V, care era adecvată pentru bateriile cu sulfat de greutate specifică înaltă ale epocii.
În ceea ce privește cei trei parametri cheie ai încărcătoarelor în trei trepte
Primul parametru critic este valoarea scăzută a tensiunii constante în timpul fazei de scurgere. A doua este valoarea constantă ridicată a tensiunii în timpul celei de-a doua faze. Al treilea este curentul de tranziție. Acești trei parametri sunt influențați de numărul de baterii, capacitatea acestora (Ah), temperatură și tipul bateriei. Pentru ușurință de referință, vom ilustra utilizarea celui mai comun încărcător în trei trepte pentru biciclete electrice (trei baterii de 12V 10Ah în serie):
În primul rând, valoarea scăzută a tensiunii constante în timpul fazei de scurgere, cu o tensiune de referință de aproximativ 42,5 V. O valoare mai mare determină deshidratarea bateriei, crescând riscul de supraîncălzire și deformare; o valoare mai mică împiedică încărcarea completă. În regiunile sudice, această valoare ar trebui să fie sub 41,5V; pentru bateriile cu gel, ar trebui să fie sub 41,5 V și încă puțin mai scăzută în zonele sudice. Acest parametru este relativ strict și nu trebuie să depășească valoarea de referință.
Apoi, luați în considerare valoarea înaltă a tensiunii constante în a doua etapă, cu o tensiune de referință de aproximativ 44,5V. O valoare mai mare facilitează încărcarea completă rapidă, dar poate provoca deshidratarea bateriei, curentul nereuşind să scadă suficient în faza ulterioară de încărcare, ducând la supraîncălzirea şi deformarea bateriei. O valoare mai mică împiedică încărcarea completă rapidă, dar facilitează tranziția la stadiul de scurgere. Deși nu este la fel de strict reglementată ca prima valoare, aceasta nu ar trebui totuși să fie excesiv de mare.

În sfârșit, în ceea ce privește curentul de conversie, valoarea de referință este de aproximativ 300mA. O valoare mai mare avantajează longevitatea bateriei prin reducerea deformării termice, deși împiedică încărcarea rapidă. O valoare mai mică (pentru profani) facilitează încărcarea dar, din cauza încărcării prelungite de înaltă tensiune, poate provoca deshidratarea bateriei, ducând la deformare termică. În special atunci când celulele individuale funcționează defectuos, dacă curentul de încărcare nu poate fi redus sub curentul de prag, se poate deteriora celulele altfel sănătoase. Intervalul de referință specificat permite abateri de ±50mA sau chiar ±100mA, dar nu trebuie să scadă sub 200mA.
În prezent, pe piață sunt disponibile numeroase încărcătoare low-cost cu tensiuni constante ridicate de 46,5 V, valori scăzute ale tensiunii constante de 41,5 V și curenți de tranziție care depășesc 500 mA.
Pentru un încărcător care manipulează patru baterii de 12 V (48 V în total), primii doi parametri sunt calculați prin împărțirea valorilor de referință a tensiunii menționate mai sus la trei și înmulțirea cu patru. Tensiunea constantă înaltă este de aproximativ 59,5 V, iar tensiunea constantă scăzută este de aproximativ 56,5 V.
Dacă capacitatea bateriei depășește 10 Ah, al treilea parametru (valoarea curentă) ar trebui mărit în mod corespunzător. De exemplu, o baterie de 17 Ah poate necesita până la 500 mA.

Mecanisme de defectare a bateriei: epuizarea apei; sulfatare; înmuierea anodului; și eliminarea materialului activ din anod.

Recuperare supraîncărcare. Dacă durata de viață a bateriei nu este o preocupare principală, această metodă de recuperare dă rezultate imediate. Ciclurile de descărcare profundă și reîncărcare pot crește capacitatea bateriei, un fapt recunoscut la nivel global. Cu toate acestea, acest lucru poate compromite durata de viață a bateriei. Numeroase postări de pe acest site se concentrează exclusiv asupra modului în care supraîncărcarea poate transforma oxidul de plumb α de suprafață în oxid de plumb β de pe placa pozitivă, sporind astfel capacitatea. Utilizarea acestei abordări în timpul reparației riscă să provoace pierderi ireversibile de capacitate. Unele baterii returnate producătorilor pentru recondiționare au fost tratate folosind astfel de metode.
Pe baza practicii personale, cred că restabilirea eficientă a supradescărcării și supraîncărcării poate da rezultate excelente atunci când se limitează strict curentul și durata, făcând paralele cu procesul de formare a plăcii în timpul producției. Cheia constă în discernământ, neaplicarea uniformă a taxării inverse în toate cazurile. Luați în considerare un caz recent: în timp ce vizitam magazinul cunoscutului meu Lao San, am întâlnit patru baterii de 17 Ah scoase recent dintr-o motocicletă electrică. Intenționau să le vândă (pentru 120 de yuani) unui colector de baterii uzate. Am sfătuit să nu aruncăm, sugerând că reparația este fezabilă și le-am luat înapoi pentru evaluare. Urmează un scurt rezumat:
Exemplul trei: Cele patru baterii menționate mai sus au fost fabricate în Changxing, Zhejiang, deși nu de Tianneng. Deoarece au fost proaspăt îndepărtate, nu au fost efectuate teste sau încărcări suplimentare. Tensiunile în circuit deschis au fost următoarele: Unitatea 1: 13,42V; Unitatea 2: 13,36V; Unitatea 3: 13,18V; Unitatea 4: 12,4V. Evident, aveau un nivel scăzut de electroliți. După deschiderea carcasei, fiecare celulă din primele trei baterii a primit 6 ml plus încă 4 ml de electrolit, în timp ce celula 4 a primit 6 ml plus încă 2 ml. După odihnă timp de două ore, încărcarea a început inițial la 10A, redusă la 3A după două minute, apoi a trecut la un mod de reducere după o jumătate de oră. Producția de gaz a început treptat. Celulele 1-3 au prezentat o producție de gaz relativ consistentă în toate compartimentele, în timp ce celula 4 a prezentat producție de gaz în cinci compartimente aproximativ în același timp. Cu toate acestea, după ce a început producția de gaz, compartimentele de lângă anod încă nu au produs cantități semnificative de gaz. Încărcarea a încetat. Testarea capacității a arătat că celulele 1-3 s-au apropiat de noua condiție, în timp ce celula 4 a dat doar 1,5 Ah. Adăugați 4 mililitri de apă în fiecare celulă din celulele 1-3, apoi încărcați în trepte până când toate celulele produc gaz. Încărcați celula 4 separat timp de o oră, apoi descărcați la 5A. Monitorizați tensiunea terminalului: a durat 20 de minute pentru a scădea de la 13,2 V la 10,5 V și mai puțin de 5 minute pentru a ajunge la 8,32 V. Continuați descărcarea la 5 A, menținând aproximativ 8,15 V timp de o oră înainte de a opri testul. De ce să te oprești? A ieșit concluzia: celula adiacentă anodului era defectă, cu o capacitate de aproximativ 1,5 Ah. O scurtă explicație teoretică: scăderea de 20 de minute de la 13,2 V la 10,5 V a demonstrat că celula defectă (deja semnificativ sub 1,7 V) poseda o capacitate mai mică de 1,5 Ah. Continuând descărcarea de 5A, celula defectă a scăzut la 0V. Celelalte cinci celule sănătoase (10V) au încărcat invers celula defectă. Când celula defectă a ajuns la aproape 2 V în încărcare inversă, s-a stabilizat pentru o perioadă lungă de timp. Tensiunea la borna bateriei a egalat suma celor cinci celule sănătoase minus tensiunea inversă a celulei defecte: 10V - 2V = 8V. Descărcarea ulterioară este inutilă, deoarece ar deteriora cele cinci celule bune. Pentru a identifica celula defectă: aceste baterii au porturi de umplere cu electrolit semnificativ mai mici decât unitățile de 10 Ah. Folosind un instrument placat cu plumb de casă, celula defectă poate fi determinată în câteva secunde. În acest caz, cinci celule au prezentat evoluție de gaz, în timp ce celula din apropierea anodului nu. Testarea a confirmat că această celulă era defectă, cu separare parțială a celulelor. Tratamentul izolat a restabilit această celulă la o capacitate de 10 Ah. Reparația este acum finalizată. Celulele 1-3 prezintă o capacitate aproape nouă, în timp ce Celula 4 atinge 10Ah (cele cinci celule funcționale se potrivesc colectiv cu capacitatea aproape nouă a celulelor 1-3).

Metodă de verificare a sulfatării fără deschiderea capacului
Iată o metodă de determinare a sulfatării fără a deschide bateria: Încărcați bateria utilizând o sursă de curent constant reglabilă setată la aproximativ 0,05C. Rețineți că sulfatarea este indicată de următoarele condiții. Luând ca exemplu o baterie de 12V: tensiunea inițială depășește 15V (cu o abatere mai mare indicând o sulfatare mai severă), iar pe măsură ce timpul de încărcare crește, tensiunea scade, apropiindu-se de 15V. Dacă treceți la încărcare cu tensiune constantă, curentul va prezenta o tendință de creștere. Acest lucru se bazează pe experiența mea practică, în timp ce literatura standard menționează de obicei doar simptome precum generarea excesivă de căldură, degajarea prematură de gaz și capacitatea redusă. Am demonstrat această metodă de diagnostic la fața locului mai multor studenți vizitatori specializați în domeniu, comparând bateriile plumb-acid cu diferite grade de sulfatare. Sursa reglabilă de curent constant este designul meu din 1978, „Încărcătorul multifuncțional New Star”, inclus în anexa manualului meu de instalare al televiziunii alb-negru. Folosind inițial un transformator de 36 V cu componente liniare discrete, a fost ulterior actualizat la un design liniar cu circuit integrat cu curent constant controlat de comutator electronic.

Evaluarea pierderii de apă fără deschiderea carcasei

Determinarea pierderii de apă fără deschiderea capacului necesită două condiții simultane: 1) Tensiunea în circuit deschis a unei baterii de 12 V depășește 13,2 V. 2) Capacitate redusă. Chiar și elevii din școala primară pot înțelege aceste principii. Teoria de bază implică două puncte cheie: 1) Tensiunea în circuit deschis se corelează cu concentrația de acid sulfuric; pierderea de apă crește concentrația de acid, ridicând tensiunea la borne. 2) Pierderea de apă scade nivelul electrolitului, reducând cantitatea de material de reacție și diminuând capacitatea. Clarificare suplimentară asupra condițiilor: Valorile menționate mai sus se referă la tensiunea în circuit deschis a bateriei unui vehicul electric de 12V la jumătate de oră după încărcare. Pentru bateriile auto, valorile ar trebui să fie mai mici. Chiar și pentru bateriile pentru vehicule electrice, marca contează - de exemplu, bateriile Panasonic au valori mai mici datorită greutății specifice mai mici a acidului sulfuric în comparație cu bateriile Zhejiang Changxing. De asemenea, afirmă că nu ar trebui să fii dogmatic: de exemplu, o baterie cu o tensiune aparent standard, dar cu capacitate mică, are de obicei cinci celule fără apă, cu o celulă parțial detașată.

Standarde ireparabile
Standarde ireparabile (pentru bateriile cu utilizare normală și sulfatare de plumb):
1. Ireparabil dacă prezintă deformare exterioară, crăpare sau scurgere.
2. Ireparabil dacă prezintă defecțiuni interne, deteriorări mecanice sau plăci supraîncărcate devin negru de fum; simptome caracteristice: tensiunea crește rapid în timpul încărcării și scade semnificativ după ce stați în picioare.
3. Ireparabil dacă prezintă un CEL slab (Cell Error Light), defecțiune a unei singure celule sau auto-descărcare internă. (Pentru bateriile detașabile de pe stivuitoare, celulele individuale pot fi înlocuite și bateria restaurată.)