Знание зарядных устройств и аккумуляторов для электромобилей.

Классификация зарядных устройств:

Зарядные устройства можно разделить на два основных типа в зависимости от того, имеют ли они трансформатор сетевой частоты (50 Гц). В зарядных устройствах для грузовых трехколесных велосипедов обычно используются трансформаторы с частотой сети, в результате чего получаются более крупные и тяжелые устройства, которые потребляют больше энергии, но при этом обеспечивают надежность и доступность. В электрических велосипедах и мотоциклах, наоборот, используются так называемые импульсные зарядные устройства, которые более энергоэффективны и экономичны, но склонны к сбоям.
Правильная процедура для импульсных зарядных устройств: во время зарядки сначала подключайте аккумулятор, а затем питание; после полной зарядки отключите питание от сети, прежде чем вынимать вилку аккумулятора. Отсоединение вилки аккумулятора во время зарядки, особенно при высоком зарядном токе (обозначается красным светом), может серьезно повредить зарядное устройство.
Обычные импульсные зарядные устройства подразделяются на полумостовые и одноимпульсные. Одноимпульсные зарядные устройства подразделяются на конструкции прямого и обратного хода. Полумостовые конструкции, хотя и более дорогие, обеспечивают превосходные характеристики и часто используются в зарядных устройствах, включающих отрицательные импульсы. Типы Flyback, будучи более экономичными, занимают значительную долю рынка.

Относительно зарядных устройств с отрицательным импульсом
Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют более чем вековую историю. Первоначально мировая практика во многом придерживалась традиционных взглядов и процедур эксплуатации: считалось, что зарядка и разрядка со скоростью 0,1С (где С — емкость аккумулятора) продлевает срок службы. Чтобы решить проблемы быстрой зарядки, г-н Макс из США опубликовал результаты своего исследования по всему миру в 1967 году. Они включали зарядку импульсными токами, превышающими скорость 1C, с перемежанием интервалов разрядки во время пауз зарядки. Разрядка способствует уменьшению поляризации, снижает температуру электролита и повышает способность пластины воспринимать заряд.
Примерно в 1969 году китайские ученые успешно разработали несколько марок устройств для быстрой зарядки, основанных на трех принципах мистера Макса. Цикл зарядки происходил следующим образом: сильноточный импульсный заряд → разрыв цепи зарядки → кратковременный разряд батареи → остановка разряда → восстановление цепи зарядки → сильноточный импульсный заряд...
Примерно в 2000 году этот принцип был адаптирован для зарядных устройств для электромобилей. Во время зарядки цепь оставалась непрерывной, используя короткое замыкание с низким сопротивлением для мгновенной разрядки аккумулятора. Поскольку цепь зарядки оставалась активной во время короткого замыкания, в нее последовательно включался дроссель. Обычно короткое замыкание длится 3–5 миллисекунд в течение одной секунды (1 секунда = 1000 миллисекунд). Поскольку ток внутри индуктивности не может резко измениться, кратковременное короткое замыкание защищает секцию преобразования энергии зарядного устройства. Если направление зарядного тока назвать положительным, то разряд естественным образом становится отрицательным. В результате индустрия электромобилей ввела термин «зарядное устройство с отрицательным импульсом», утверждая, что оно может продлить срок службы аккумулятора и так далее.

О трехступенчатых зарядных устройствах
В последние годы в электромобилях широкое распространение получили так называемые трехступенчатые зарядные устройства. Первая стадия называется стадией постоянного тока, вторая — стадией постоянного напряжения, а третья — стадией струйного тока. С точки зрения электронной инженерии их более точно можно описать как:
- Первый этап: этап ограничения зарядного тока.
- Вторая ступень: ступень высокого постоянного напряжения
- Третья ступень: ступень низкого постоянного напряжения. При переходе между второй и третьей ступенью индикаторы на панели соответственно изменяются. Большинство зарядных устройств горят красным светом на первом и втором этапах, а на третьем этапе загораются зеленым. Этот переход между ступенями определяется зарядным током: превышение определенного порога активирует первую и вторую ступени, а падение ниже — третью ступень. Этот пороговый ток называется током перехода или током переключения.
Ранние зарядные устройства, в том числе поставляемые с фирменными автомобилями, хотя и демонстрировали изменения индикаторов, на самом деле были зарядными устройствами с постоянным напряжением и ограничением тока, а не настоящими трехступенчатыми устройствами. Обычно они поддерживали одно стабильное значение напряжения около 44,2 В, что было достаточно для сульфатных батарей с высоким удельным весом того времени.
О трех ключевых параметрах трехступенчатых зарядных устройств
Первым критическим параметром является низкое значение постоянного напряжения во время фазы постепенного снижения напряжения. Во-вторых, высокое постоянное значение напряжения во время второй фазы. Третий — переходный ток. На эти три параметра влияют количество аккумуляторов, их емкость (Ач), температура и тип аккумулятора. Для удобства мы проиллюстрируем использование наиболее распространенного трехступенчатого зарядного устройства для электровелосипедов (три последовательно соединенных аккумулятора 12 В 10 Ач):
Во-первых, низкое значение постоянного напряжения во время фазы малого напряжения с опорным напряжением примерно 42,5 В. Более высокое значение вызывает обезвоживание аккумулятора, увеличивая риск перегрева и деформации; более низкое значение препятствует полной зарядке. В южных регионах это значение должно быть ниже 41,5В; для гелевых аккумуляторов оно должно быть ниже 41,5 В, а в южных районах еще немного ниже. Этот параметр является относительно строгим и не должен превышать эталонное значение.
Далее рассмотрим высокое значение постоянного напряжения на втором этапе с опорным напряжением примерно 44,5 В. Более высокое значение способствует быстрой полной зарядке, но может привести к обезвоживанию аккумулятора, при этом ток не уменьшится в достаточной степени на более поздней фазе зарядки, что приведет к перегреву и деформации аккумулятора. Более низкое значение препятствует быстрой полной зарядке, но облегчает переход к стадии постепенного орошения. Хотя оно и не так строго регламентировано, как первое значение, оно все же не должно быть чрезмерно высоким.

Наконец, что касается тока преобразования, опорное значение составляет примерно 300 мА. Более высокое значение увеличивает срок службы батареи за счет уменьшения тепловой деформации, но препятствует быстрой зарядке. Меньшее значение (для непрофессионалов) облегчает зарядку, но из-за длительной зарядки под высоким напряжением может вызвать обезвоживание аккумулятора, приводящее к термической деформации. Если зарядный ток не может быть снижен ниже порогового значения, особенно при неисправности отдельных ячеек, это может привести к повреждению здоровых ячеек. Указанный опорный диапазон допускает отклонения ±50 мА или даже ±100 мА, но не должен опускаться ниже 200 мА.
В настоящее время на рынке доступно множество недорогих обратноходовых зарядных устройств с высокими значениями постоянного напряжения 46,5 В, низкими значениями постоянного напряжения 41,5 В и переходными токами, превышающими 500 мА.
Для зарядного устройства, рассчитанного на четыре аккумулятора напряжением 12 В (всего 48 В), первые два параметра рассчитываются путем деления вышеупомянутых опорных значений напряжения на три и умножения на четыре. Высокое постоянное напряжение составляет примерно 59,5 В, а низкое постоянное напряжение составляет примерно 56,5 В.
Если емкость аккумулятора превышает 10 Ач, третий параметр (текущее значение) следует соответствующим образом увеличить. Например, аккумулятору емкостью 17 Ач может потребоваться ток до 500 мА.

Механизмы отказа аккумулятора: истощение воды; сульфатация; анодное размягчение; и выделение активного материала с анода.

Восстановление перезаряда. Если срок службы батареи не является основной проблемой, этот метод восстановления дает немедленные результаты. Циклы глубокой разрядки и перезарядки могут увеличить емкость аккумулятора, что является всемирно признанным фактом. Однако это может повлиять на срок службы батареи. Многочисленные сообщения на этом сайте посвящены исключительно тому, как перезарядка может преобразовать поверхностный оксид α-свинца в оксид β-свинца на положительной пластине, тем самым повышая емкость. Использование этого подхода во время ремонта может привести к необратимой потере мощности. Некоторые батареи, возвращенные производителям для ремонта, были обработаны такими методами.
Основываясь на личной практике, я считаю, что эффективное восстановление переразряда и перезаряда может дать отличные результаты при строгом ограничении тока и продолжительности, проводя параллели с процессом формирования пластин во время производства. Ключ заключается в проницательности, а не в применении обратной зарядки одинаково во всех случаях. Рассмотрим недавний случай: посещая магазин моего знакомого Лао Саня, я обнаружил четыре аккумулятора емкостью 17 Ач, недавно снятые с электрического мотоцикла. Они намеревались продать их (за 120 юаней) сборщику использованных аккумуляторов. Я посоветовал не выбрасывать их, полагая, что ремонт возможен, и забрал их обратно для оценки. Ниже приводится краткое изложение:
Пример третий: Четыре вышеупомянутые батареи были изготовлены в Чансине, провинция Чжэцзян, но не компанией Tianneng. Поскольку они были только что сняты, никаких дополнительных испытаний или зарядки не проводилось. Напряжения холостого хода были следующими: Блок 1: 13,42В; Блок 2: 13,36 В; Блок 3: 13,18 В; Блок 4: 12,4 В. Очевидно, у них было мало электролитов. После открытия корпуса каждая ячейка первых трех батарей получила 6 мл плюс дополнительные 4 мл электролита, а ячейка 4 получила 6 мл плюс дополнительные 2 мл. После двухчасового отдыха зарядка началась с тока 10 А, через две минуты снизилась до 3 А, а затем через полчаса перешла в понижающий режим. Постепенно началась добыча газа. В ячейках 1–3 наблюдалось относительно стабильное газообразование во всех отсеках, тогда как в ячейке 4 наблюдалось газообразование в пяти отсеках примерно в одно и то же время. Однако после начала добычи газа отсеки возле анода все еще не производили значительных количеств газа. Зарядка прекратилась. Тестирование емкости показало, что ячейки 1–3 приблизились к новому состоянию, тогда как ячейка 4 выдавала только 1,5 Ач. Добавьте по 4 миллилитра воды в каждую ячейку ячеек 1–3, затем заряжайте поэтапно, пока все ячейки не начнут выделять газ. Заряжайте аккумулятор 4 отдельно в течение часа, затем разрядите его током 5 А. Напряжение на клеммах монитора: для падения с 13,2 В до 10,5 В потребовалось 20 минут, а для достижения 8,32 В — менее 5 минут. Продолжайте разрядку током 5 А, поддерживая напряжение около 8,15 В в течение часа, прежде чем остановить тест. Зачем останавливаться? Сделан вывод: аккумулятор, прилегающий к аноду, неисправен, емкостью примерно 1,5 Ач. Краткое теоретическое объяснение: 20-минутное падение напряжения с 13,2 В до 10,5 В показало, что неисправный элемент (уже значительно ниже 1,7 В) обладал емкостью менее 1,5 Ач. Продолжая разряд 5А, напряжение неисправного элемента упало до 0В. Остальные пять здоровых ячеек (10 В) зарядили неисправную ячейку в обратном направлении. Когда неисправный элемент достиг напряжения почти 2 В при обратном заряде, оно стабилизировалось на длительный период. Напряжение на клеммах аккумулятора равнялось сумме пяти исправных элементов минус обратное напряжение неисправного элемента: 10В – 2В = 8В. Дальнейший разряд не нужен, так как это повредит пять исправных ячеек. Чтобы определить неисправный элемент: эти аккумуляторы имеют значительно меньшие отверстия для заливки электролита, чем аккумуляторы емкостью 10 Ач. Используя самодельный инструмент со свинцовым покрытием, неисправный элемент можно определить за считанные секунды. При этом в пяти ячейках наблюдалось выделение газа, а в ячейке возле анода – нет. Тестирование подтвердило, что эта ячейка неисправна, с частичным разделением ячеек. Изолированное лечение восстановило емкость этой ячейки до 10 Ач. На данный момент ремонт завершен. Ячейки 1–3 демонстрируют почти новую емкость, а ячейка 4 достигает 10 Ач (все пять функциональных ячеек в совокупности соответствуют почти новой емкости ячеек 1–3).

Метод проверки сульфатации без открытия крышки
Вот метод определения сульфатации, не открывая батарею: Зарядите батарею, используя регулируемый источник постоянного тока, настроенный примерно на 0,05C. Обратите внимание, что на сульфатацию указывают следующие условия. На примере аккумулятора 12В: начальное напряжение превышает 15В (при этом большее отклонение указывает на более сильную сульфатацию), а по мере увеличения времени зарядки напряжение снижается, приближаясь к 15В. При переключении на зарядку при постоянном напряжении ток будет увеличиваться. Это основано на моем практическом опыте, тогда как в стандартной литературе обычно упоминаются только такие симптомы, как чрезмерное выделение тепла, преждевременное выделение газа и снижение производительности. Я продемонстрировал этот метод диагностики на месте нескольким приехавшим студентам университета, специализирующимся в этой области, сравнивая свинцово-кислотные аккумуляторы с различной степенью сульфатации. Регулируемый источник постоянного тока — это моя разработка 1978 года, «Многофункциональное зарядное устройство New Star», включенное в приложение к моему учебнику «Установка черно-белого телевидения». Первоначально в нем использовался трансформатор на 36 В с дискретными линейными компонентами, но позже он был модернизирован до линейной конструкции на интегральной схеме с постоянным током, управляемым электронным переключателем.

Оценка потерь воды без открытия корпуса

Для определения потери воды без открытия крышки необходимо выполнить одновременно два условия: 1) Напряжение холостого хода аккумулятора 12 В превышает 13,2 В. 2) Уменьшенная мощность. Эти принципы могут понять даже ученики начальной школы. В основе теории лежат два ключевых момента: 1) напряжение холостого хода коррелирует с концентрацией серной кислоты; потеря воды увеличивает концентрацию кислоты, повышая напряжение на клеммах. 2) Потеря воды снижает уровень электролита, уменьшая количество реагирующего материала и уменьшая емкость. Дальнейшее пояснение условий: Вышеупомянутые значения относятся к напряжению холостого хода аккумулятора электромобиля напряжением 12 В через полчаса после зарядки. Для автомобильных аккумуляторов значения должны быть ниже. Даже для аккумуляторов для электромобилей марка имеет значение — например, аккумуляторы Panasonic имеют меньшие значения из-за более низкого удельного веса серной кислоты по сравнению с аккумуляторами Zhejiang Changxing. В нем также говорится, что не следует быть догматичным: например, батарея с вроде бы стандартным напряжением, но малой емкостью обычно имеет пять ячеек, в которых не хватает воды, причем одна ячейка частично отсоединена.

Непоправимые стандарты
Неустранимые стандарты (для аккумуляторов при нормальном использовании и сульфатации свинца):
1.  Не подлежит ремонту при наличии внешней деформации, трещин или протечек.
2.  Не подлежит ремонту, если имеется внутренняя поломка, механическое повреждение или перезаряженные пластины, превращающиеся в технический углерод; характерные симптомы: напряжение быстро возрастает во время зарядки и значительно падает после стояния.
3. Не подлежит ремонту, если обнаружен плохой CEL (световой индикатор ошибки ячейки), отказ одной ячейки или внутренний саморазряд. (Для съемных аккумуляторов на вилочных погрузчиках можно заменить отдельные элементы и восстановить аккумулятор.)