Kunskaper om elfordonsladdare och lagringsbatterier

Klassificering av laddare:

Laddare kan kategoriseras i två huvudtyper baserat på om de har en nätfrekvenstransformator (50Hz). Trehjulingsladdare för godstransporter använder vanligtvis transformatorer med nätfrekvens, vilket resulterar i större, tyngre enheter som förbrukar mer ström men ändå erbjuder tillförlitlighet och prisvärdhet. Elektriska cyklar och motorcyklar, omvänt, använder så kallade switching-mode strömförsörjningsladdare, som är mer energieffektiva och kostnadseffektiva men riskerar att misslyckas.
Den korrekta proceduren för växlande laddare är: under laddning, anslut först batteriet, sedan nätaggregatet; vid full laddning, koppla bort strömförsörjningen innan du tar bort batterikontakten. Att ta bort batterikontakten under laddning, särskilt när laddningsströmmen är hög (indikeras av en röd lampa), kan allvarligt skada laddaren.
Vanliga switchade laddare delas ytterligare upp i halvbrygga och enkelpulstyper. Enkelpulsladdare kategoriseras som framåt- eller bakåtdesign. Halvbryggkonstruktioner, även om de är högre i kostnad, erbjuder överlägsen prestanda och används ofta i laddare som innehåller negativa pulser. Flyback-typer, som är mer ekonomiska, har en betydande marknadsandel.

Angående negativa pulsladdare
Blysyrabatterier har en historia som sträcker sig över ett sekel. Till en början följde den globala praxisen till stor del traditionella åsikter och driftsprocedurer: laddning och urladdning med en hastighet av 0,1 C (där C betecknar batterikapacitet) ansågs förlänga livslängden. För att ta itu med utmaningarna med snabb laddning publicerade Mr. Max från USA sina forskningsrön globalt 1967. Detta innebar laddning med pulsströmmar som översteg 1C-hastigheten, varvat med urladdningsintervall under laddningsuppehåll. Urladdning underlättar polarisationsreduktion, sänker elektrolyttemperaturen och förbättrar plattans laddningsacceptanskapacitet.
Omkring 1969 utvecklade kinesiska vetenskapsmän framgångsrikt flera snabbladdarmärken baserat på Mr. Maxs tre principer. Laddningscykeln fortgick enligt följande: högströmspulsladdning → avbrytande av laddningskretsen → kort batteriurladdning → stoppa urladdningen → återupprätta laddningskretsen → högströmspulsladdning...
Omkring år 2000 anpassades denna princip för elfordonsladdare. Under laddningen förblev kretsen oavbruten och använde en kortslutning med lågt motstånd för att tillfälligt ladda ur batteriet. Eftersom laddningskretsen förblev aktiv under kortslutning, seriekopplades en induktor inuti den. Vanligtvis varar kortslutningen 3–5 millisekunder inom en sekund (1 sekund = 1000 millisekunder). Eftersom strömmen inom induktansen inte kan ändras abrupt, skyddar den korta kortslutningstiden laddarens effektomvandlingssektion. Om laddningsströmriktningen benämns positiv blir urladdningen naturligtvis negativ. Följaktligen myntade elfordonsindustrin termen "negativ pulsladdare", och hävdade att det kunde förlänga batteriets livslängd och så vidare.

Angående trestegsladdare
De senaste åren har elfordon i stor utsträckning anammat så kallade trestegsladdare. Det första steget benämns konstantströmsteget, det andra steget med konstant spänning och det tredje steget trickle. Ur ett elektroniktekniskt perspektiv beskrivs dessa mer exakt som:
- Första steget: Begränsningssteg för laddningsström
- Andra steg: Högkonstant spänningssteg
- Tredje steget: Låg konstant spänningssteg Under övergången mellan det andra och tredje steget ändras panelens indikatorlampor i enlighet med detta. De flesta laddare visar ett rött ljus under det första och andra steget och växlar till grönt under det tredje steget. Denna övergång mellan stegen bestäms av laddningsströmmen: överskridande av en viss tröskel aktiverar det första och andra steget, medan det faller under det utlöser det tredje steget. Denna tröskelström benämns övergångsström eller omkopplingsström.
Tidiga laddare, inklusive de som levererades med märkesvaror, var, även om de uppvisade indikatorförändringar, faktiskt laddare med konstant spänning, strömbegränsade snarare än äkta trestegsenheter. Vanligtvis bibehöll dessa ett enda stabilt spänningsvärde runt 44,2V, vilket var tillräckligt för erans sulfatbatterier med hög specifik vikt.
Angående de tre nyckelparametrarna för trestegsladdare
Den första kritiska parametern är det låga konstanta spänningsvärdet under trickle-fasen. Det andra är det höga konstanta spänningsvärdet under den andra fasen. Den tredje är övergångsströmmen. Dessa tre parametrar påverkas av antalet batterier, deras kapacitet (Ah), temperatur och batterityp. För att underlätta referensen ska vi illustrera användningen av den vanligaste trestegsladdaren för elcyklar (tre 12V 10Ah-batterier i serie):
Först det låga konstanta spänningsvärdet under trickle-fasen, med en referensspänning på cirka 42,5V. Ett högre värde orsakar uttorkning av batteriet, vilket ökar risken för överhettning och deformation; ett lägre värde hindrar full laddning. I södra regioner bör detta värde vara under 41,5V; för gelbatterier bör den vara under 41,5V och något lägre fortfarande i södra områden. Denna parameter är relativt strikt och får inte överskrida referensvärdet.
Tänk sedan på det höga konstanta spänningsvärdet i det andra steget, med en referensspänning på cirka 44,5V. Ett högre värde underlättar snabb full laddning men kan orsaka batteriuttorkning, där strömmen inte minskar tillräckligt i den senare laddningsfasen, vilket resulterar i överhettning och deformation av batteriet. Ett lägre värde hindrar snabb full laddning men underlättar övergången till underhållsstadiet. Även om det inte är lika strikt reglerat som det första värdet, bör det ändå inte vara överdrivet högt.

Slutligen, vad gäller omvandlingsströmmen, är referensvärdet cirka 300mA. Ett högre värde gynnar batteriets livslängd genom att minska termisk deformation, även om det hindrar snabb laddning. Ett lägre värde (för lekmän) underlättar laddningen men kan på grund av långvarig högspänningsladdning orsaka batteriuttorkning, vilket leder till termisk deformation. Särskilt när enskilda celler inte fungerar, om laddningsströmmen inte kan minskas under tröskelströmmen, kan det skada annars friska celler. Det specificerade referensområdet tillåter avvikelser på ±50mA eller till och med ±100mA, men får inte falla under 200mA.
För närvarande finns många billiga flyback-laddare tillgängliga på marknaden med höga konstanta spänningsvärden på 46,5V, låga konstantspänningsvärden på 41,5V och övergångsströmmar som överstiger 500mA.
För en laddare som hanterar fyra 12V-batterier (totalt 48V) beräknas de två första parametrarna genom att de ovannämnda spänningsreferensvärdena divideras med tre och multipliceras med fyra. Den höga konstanta spänningen är cirka 59,5 V och den låga konstanta spänningen är cirka 56,5 V.
Om batterikapaciteten överstiger 10Ah, bör den tredje parametern (aktuellt värde) ökas på lämpligt sätt. Till exempel kan ett 17Ah batteri kräva upp till 500mA.

Batterifelmekanismer: vattenförbrukning; sulfatering; anodmjukning; och utsläpp av aktivt material från anoden.

Återvinning av överladdning. Om batterilivslängden inte är ett primärt problem, ger denna återställningsmetod omedelbara resultat. Djup urladdning och laddningscykler kan öka batterikapaciteten, ett globalt erkänt faktum. Detta kan dock äventyra batteriets livslängd. Många inlägg på den här webbplatsen fokuserar enbart på hur överladdning kan omvandla yt-α-blyoxid till β-blyoxid på den positiva plattan och därigenom öka kapaciteten. Att använda detta tillvägagångssätt under reparation riskerar att orsaka irreversibel kapacitetsförlust. Vissa batterier som returnerats till tillverkare för renovering har behandlats med sådana metoder.
Baserat på personlig praxis tror jag att effektiv överurladdning och överladdningsåterställning kan ge utmärkta resultat när man strikt begränsar ström och varaktighet, och drar paralleller med plåtbildningsprocessen under tillverkningen. Nyckeln ligger i urskillning, att inte tillämpa omvänd laddning enhetligt i alla fall. Tänk på ett aktuellt fall: när jag besökte min bekanta Lao Sans butik, stötte jag på fyra 17Ah-batterier som nyligen tagits bort från en elektrisk motorcykel. De hade för avsikt att sälja dem (för 120 yuan) till en begagnad batterisamlare. Jag avrådde från kassering, antydde att reparation var genomförbar och tog tillbaka dem för bedömning. En kort sammanfattning följer:
Exempel tre: De fyra ovannämnda batterierna tillverkades i Changxing, Zhejiang, men inte av Tianneng. Eftersom de nyligen togs bort gjordes inga ytterligare tester eller laddningar. Öppna kretsspänningar var följande: Enhet 1: 13,42V; Enhet 2: 13,36V; Enhet 3: 13,18V; Enhet 4: 12,4V. Uppenbarligen var de låga på elektrolyter. Efter att höljet öppnats fick varje cell i de tre första batterierna 6 ml plus ytterligare 4 ml elektrolyt, medan cell 4 fick 6 ml plus ytterligare 2 ml. Efter två timmars vila påbörjades laddningen vid 10A initialt, reducerades till 3A efter två minuter och byttes sedan till nedtrappningsläge efter en halvtimme. Gasproduktionen började gradvis. Cellerna 1–3 uppvisade relativt konsekvent gasproduktion i alla fack, medan cell 4 visade gasproduktion i fem fack vid ungefär samma tidpunkt. Efter att gasproduktionen startat producerade dock avdelningarna nära anoden fortfarande inga betydande mängder gas. Laddningen upphörde. Kapacitetstestning visade att cellerna 1–3 närmade sig det nya tillståndet, medan cell 4 endast gav 1,5 Ah. Tillsätt 4 milliliter vatten till varje cell i cell 1–3, ladda sedan i steg tills alla celler producerar gas. Ladda cell 4 separat i en timme och ladda sedan ur vid 5A. Övervaka terminalspänningen: det tog 20 minuter att sjunka från 13,2V till 10,5V och mindre än 5 minuter att nå 8,32V. Fortsätt urladdningen vid 5A, håll runt 8,15V i en timme innan du stoppar testet. Varför stanna? Slutsatsen kom: cellen intill anoden var defekt, med en kapacitet på cirka 1,5 Ah. En kort teoretisk förklaring: 20-minutersfallet från 13,2V till 10,5V visade att den felaktiga cellen (redan betydligt under 1,7V) hade mindre än 1,5Ah kapacitet. Fortsatt 5A-urladdningen sjönk den felaktiga cellen till 0V. De återstående fem friska cellerna (10V) laddade omvänt den felaktiga cellen. När den felaktiga cellen nådde nästan 2V i omvänd laddning, stabiliserades den under en längre period. Batteripolspänningen var lika med summan av de fem friska cellerna minus den omvända spänningen för den felaktiga cellen: 10V - 2V = 8V. Ytterligare urladdning är onödig, eftersom det skulle skada de fem bra cellerna. För att identifiera den felaktiga cellen: dessa batterier har betydligt mindre elektrolytpåfyllningsportar än 10Ah-enheter. Med hjälp av ett hemgjort blypläterat verktyg kan den felaktiga cellen fastställas inom några sekunder. I detta fall uppvisade fem celler gasutveckling, medan cellen nära anoden inte gjorde det. Testning bekräftade att denna cell var felaktig, med partiell cellseparation. Isolerad behandling återställde denna cell till 10Ah kapacitet. Reparationen är nu klar. Cellerna 1–3 uppvisar nästan ny kapacitet, medan cell 4 når 10Ah (de fem funktionella cellerna matchar tillsammans den nästan nya kapaciteten hos cellerna 1–3).

Metod för att kontrollera sulfatering utan att öppna locket
Här är en metod för att bestämma sulfatering utan att öppna batteriet: Ladda batteriet med en justerbar konstantströmkälla inställd på cirka 0,05C. Observera att sulfatering indikeras av följande villkor. Med ett 12V-batteri som ett exempel: startspänningen överstiger 15V (med en större avvikelse som indikerar allvarligare sulfatering), och när laddningstiden ökar, minskar spänningen och närmar sig 15V. Om den växlas till konstant spänningsladdning kommer strömmen att visa en ökande trend. Detta är baserat på min praktiska erfarenhet, medan standardlitteratur vanligtvis bara nämner symtom som överdriven värmeutveckling, för tidig gasutveckling och minskad kapacitet. Jag har demonstrerat denna diagnostiska metod på plats för flera besökande universitetsstudenter som specialiserat sig på området, och jämfört blybatterier med olika grader av sulfatering. Den justerbara konstantströmkällan är min design från 1978, "New Star Multifunctional Charger", inkluderad i bilagan till min lärobok Black and White Television Installation. Ursprungligen använde den en 36V transformator med diskreta linjära komponenter, den uppgraderades senare till en linjär design med integrerad krets med elektronisk omkopplarstyrd konstant ström.

Bedöma vattenförlust utan att öppna höljet

Att fastställa vattenförlust utan att öppna locket kräver två samtidiga villkor: 1) Återkopplingsspänningen för ett 12V batteri överstiger 13,2V. 2) Minskad kapacitet. Även grundskoleelever kan förstå dessa principer. Den bakomliggande teorin involverar två nyckelpunkter: 1) öppen kretsspänning korrelerar med svavelsyrakoncentrationen; vattenförlust ökar syrakoncentrationen, vilket höjer terminalspänningen. 2) Vattenförlust sänker elektrolytnivån, vilket minskar mängden reagerande material och minskar kapaciteten. Ytterligare förtydligande av villkor: Ovannämnda värden avser tomgångsspänningen för ett 12V elfordonsbatteri en halvtimme efter laddning. För bilbatterier bör värdena vara lägre. Även för elfordonsbatterier spelar märket roll – till exempel har Panasonic-batterier lägre värden på grund av deras lägre svavelsyraspecifik vikt jämfört med Zhejiang Changxing-batterier. Det står också att man inte ska vara dogmatisk: till exempel har ett batteri med till synes standardspänning men låg kapacitet typiskt fem celler som saknar vatten, med en cell delvis frikopplad.

Irreparable standarder
Irreparable standarder (för batterier med normal användning och blysulfatering):
1.  Oreparerbar om den uppvisar yttre deformation, sprickor eller läckage.
2.  Oreparerbar om den visar invändigt haveri, mekanisk skada eller överladdade plattor som blir kolsvarta; karakteristiska symptom: spänningen stiger snabbt under laddning och sjunker avsevärt efter att ha stått.
3.  Irreparabel om den uppvisar dålig CEL (Cell Error Light), encellsfel eller intern självurladdning. (För avtagbara batterier på gaffeltruckar kan enskilda celler bytas ut och batteriet återställas.)