Znajomość ładowarek do pojazdów elektrycznych i akumulatorów

Klasyfikacja ładowarek:

Ładowarki można podzielić na dwa główne typy w zależności od tego, czy zawierają transformator częstotliwości sieciowej (50 Hz). Ładowarki trójkołowe do transportu towarowego zazwyczaj wykorzystują transformatory o częstotliwości sieciowej, co skutkuje większymi, cięższymi jednostkami, które zużywają więcej energii, a jednocześnie zapewniają niezawodność i przystępność cenową. Z kolei rowery i motocykle elektryczne wykorzystują tak zwane ładowarki impulsowe, które są bardziej energooszczędne i tańsze, ale są podatne na awarie.
Prawidłowa procedura dla ładowarek impulsowych jest następująca: podczas ładowania należy najpierw podłączyć akumulator, a następnie zasilanie sieciowe; po pełnym naładowaniu należy odłączyć zasilanie przed wyjęciem wtyczki akumulatora. Wyjmowanie wtyczki akumulatora podczas ładowania, zwłaszcza gdy prąd ładowania jest wysoki (co sygnalizuje czerwona lampka), może spowodować poważne uszkodzenie ładowarki.
Typowe ładowarki impulsowe dzielą się dalej na typy półmostkowe i jednoimpulsowe. Ładowarki jednoimpulsowe dzielą się na konstrukcje typu forward i flyback. Konstrukcje półmostkowe, choć droższe, zapewniają doskonałą wydajność i są często stosowane w ładowarkach zawierających impulsy ujemne. Typy Flyback, ponieważ są bardziej ekonomiczne, mają znaczny udział w rynku.

Odnośnie ładowarek z impulsem ujemnym
Akumulatory kwasowo-ołowiowe mają ponad stuletnią historię. Początkowo światowa praktyka w dużej mierze opierała się na tradycyjnych poglądach i procedurach operacyjnych: uważano, że ładowanie i rozładowywanie z szybkością 0,1°C (gdzie C oznacza pojemność akumulatora) wydłuża jego żywotność. Aby stawić czoła wyzwaniom związanym z szybkim ładowaniem, Max ze Stanów Zjednoczonych opublikował w 1967 r. wyniki swoich badań na całym świecie. Obejmowało to ładowanie prądami impulsowymi przekraczającymi wartość 1C, przeplatane przerwami w ładowaniu. Rozładowanie ułatwia redukcję polaryzacji, obniża temperaturę elektrolitu i zwiększa zdolność przyjmowania ładunku płyty.
Około 1969 roku chińscy naukowcy z powodzeniem opracowali wiele marek szybkich ładowarek w oparciu o trzy zasady pana Maxa. Cykl ładowania przebiegał następująco: ładowanie impulsowe wysokoprądowe → przerwanie obwodu ładowania → krótkie rozładowanie akumulatora → zatrzymanie rozładowania → ponowne założenie obwodu ładowania → ładowanie impulsowe wysokoprądowe…
Około roku 2000 zasadę tę zaadaptowano w przypadku ładowarek pojazdów elektrycznych. Podczas ładowania obwód pozostawał nieprzerwany, wykorzystując zwarcie o niskiej rezystancji w celu chwilowego rozładowania akumulatora. Ponieważ obwód ładowania pozostawał aktywny podczas zwarcia, w jego obrębie połączono szeregowo cewkę indukcyjną. Zwykle zwarcie trwa 3–5 milisekund w ciągu jednej sekundy (1 sekunda = 1000 milisekund). Ponieważ prąd w indukcyjności nie może zmieniać się gwałtownie, krótki czas trwania zwarcia chroni sekcję konwersji mocy ładowarki. Jeśli kierunek prądu ładowania zostanie określony jako dodatni, wyładowanie w naturalny sposób stanie się ujemne. W związku z tym branża pojazdów elektrycznych ukuła termin „ładowarka z impulsem ujemnym”, twierdząc, że może ona wydłużyć żywotność akumulatora i tak dalej.

Dotyczy ładowarek trójstopniowych
W ostatnich latach w pojazdach elektrycznych powszechnie zastosowano tak zwane ładowarki trójstopniowe. Pierwszy stopień nazywany jest stopniem prądu stałego, drugi stopniem stałego napięcia, a trzeci stopniem strumieniowym. Z punktu widzenia inżynierii elektronicznej można je dokładniej opisać jako:
- Pierwszy stopień: Stopień ograniczenia prądu ładowania
- Drugi stopień: Stopień wysokiego napięcia stałego
- Trzeci stopień: Stopień niskiego napięcia stałego. Podczas przejścia pomiędzy drugim i trzecim stopniem, lampki kontrolne na panelu odpowiednio się zmieniają. Większość ładowarek wyświetla czerwone światło w pierwszym i drugim etapie, przełączając się na zielone w trzecim etapie. O tym przejściu między etapami decyduje prąd ładowania: przekroczenie określonego progu aktywuje pierwszy i drugi etap, natomiast spadek poniżej uruchamia trzeci etap. Ten prąd progowy nazywany jest prądem przejściowym lub prądem przełączającym.
Wczesne ładowarki, w tym te dostarczane z markowymi pojazdami, choć wykazywały zmiany wskaźników, w rzeczywistości były ładowarkami o stałym napięciu i ograniczonym prądzie, a nie prawdziwymi jednostkami trójstopniowymi. Zazwyczaj utrzymywały one pojedynczą stabilną wartość napięcia około 44,2 V, co było odpowiednie dla ówczesnych akumulatorów siarczanowych o wysokim ciężarze właściwym.
Odnośnie trzech kluczowych parametrów ładowarek trójstopniowych
Pierwszym krytycznym parametrem jest niska wartość stałego napięcia w fazie rozładowywania. Drugim jest wysoka stała wartość napięcia podczas drugiej fazy. Trzeci to prąd przejściowy. Na te trzy parametry wpływa liczba akumulatorów, ich pojemność (Ah), temperatura i typ akumulatora. Dla ułatwienia zilustrujemy zastosowanie najpopularniejszej trójstopniowej ładowarki do rowerów elektrycznych (trzy akumulatory 12V 10Ah połączone szeregowo):
Po pierwsze, niska wartość napięcia stałego w fazie upływającej, przy napięciu odniesienia około 42,5 V. Wyższa wartość powoduje odwodnienie akumulatora, zwiększając ryzyko przegrzania i deformacji; niższa wartość utrudnia pełne ładowanie. W regionach południowych wartość ta powinna wynosić poniżej 41,5 V; w przypadku akumulatorów żelowych powinno ono wynosić poniżej 41,5 V, a na obszarach południowych jeszcze nieco niżej. Parametr ten jest stosunkowo rygorystyczny i nie może przekraczać wartości odniesienia.
Następnie należy wziąć pod uwagę wysoką wartość napięcia stałego w drugim stopniu, przy napięciu odniesienia około 44,5 V. Wyższa wartość ułatwia szybkie pełne ładowanie, ale może spowodować odwodnienie akumulatora, a prąd nie zmniejszy się dostatecznie w późniejszej fazie ładowania, co spowoduje przegrzanie i deformację akumulatora. Niższa wartość utrudnia szybkie pełne ładowanie, ale ułatwia przejście do etapu podładowywania. Chociaż nie jest tak ściśle regulowana jak pierwsza wartość, nadal nie powinna być nadmiernie wysoka.

Wreszcie, jeśli chodzi o prąd konwersji, wartość odniesienia wynosi około 300 mA. Wyższa wartość wydłuża żywotność akumulatora, zmniejszając odkształcenia termiczne, chociaż utrudnia szybkie ładowanie. Niższa wartość (dla laików) ułatwia ładowanie, ale przy długotrwałym ładowaniu wysokim napięciem może powodować odwodnienie akumulatora, co prowadzi do jego deformacji termicznej. Zwłaszcza w przypadku nieprawidłowego działania poszczególnych ogniw, jeśli prądu ładowania nie można zmniejszyć poniżej prądu progowego, może to spowodować uszkodzenie zdrowych komórek. Podany zakres odniesienia dopuszcza odchylenia rzędu ±50 mA lub nawet ±100 mA, ale nie może spaść poniżej 200 mA.
Obecnie na rynku dostępnych jest wiele tanich ładowarek typu flyback charakteryzujących się wysokimi wartościami napięcia stałego 46,5 V, niskimi wartościami napięcia stałego 41,5 V i prądami przejściowymi przekraczającymi 500 mA.
W przypadku ładowarki obsługującej cztery akumulatory 12 V (łącznie 48 V) pierwsze dwa parametry oblicza się, dzieląc wyżej wymienione wartości napięcia odniesienia przez trzy i mnożąc przez cztery. Wysokie napięcie stałe wynosi około 59,5 V, a niskie napięcie stałe wynosi około 56,5 V.
Jeżeli pojemność akumulatora przekracza 10Ah należy odpowiednio zwiększyć trzeci parametr (wartość prądu). Na przykład akumulator 17 Ah może wymagać do 500 mA.

Mechanizmy awarii baterii: wyczerpanie się wody; siarczanowanie; zmiękczanie anod; i wydzielanie materiału aktywnego z anody.

Odzyskiwanie przeładowań. Jeśli żywotność baterii nie jest dla nich najważniejsza, ta metoda odzyskiwania daje natychmiastowe rezultaty. Cykle głębokiego rozładowania i ładowania mogą zwiększyć pojemność akumulatora, co jest faktem uznanym na całym świecie. Może to jednak wpłynąć negatywnie na żywotność baterii. Liczne posty na tej stronie skupiają się wyłącznie na tym, jak przeładowanie może przekształcić powierzchniowy tlenek ołowiu α w tlenek ołowiu β na płycie dodatniej, zwiększając w ten sposób pojemność. Stosowanie tego podejścia podczas naprawy wiąże się z ryzykiem nieodwracalnej utraty wydajności. Niektóre akumulatory zwracane producentom w celu naprawy zostały poddane takim metodom.
Opierając się na osobistej praktyce, uważam, że skuteczne przywracanie nadmiernego rozładowania i nadmiernego naładowania może dać doskonałe wyniki przy ścisłym ograniczeniu prądu i czasu trwania, porównując go z procesem formowania płyty podczas produkcji. Kluczem jest rozeznanie i niestosowanie odwrotnego obciążenia w jednakowy sposób we wszystkich przypadkach. Rozważmy niedawny przypadek: odwiedzając sklep mojego znajomego Lao Sana, natknąłem się na cztery akumulatory 17Ah niedawno wyjęte z motocykla elektrycznego. Zamierzali je sprzedać (za 120 juanów) kolekcjonerowi zużytych akumulatorów. Odradzałem utylizację, sugerując, że naprawa jest wykonalna, i zabrałem je z powrotem do oceny. Krótkie podsumowanie następuje:
Przykład trzeci: Cztery wyżej wymienione baterie zostały wyprodukowane w Changxing w stanie Zhejiang, choć nie przez Tianneng. Ponieważ zostały świeżo usunięte, nie przeprowadzono żadnych dodatkowych testów ani ładowania. Napięcia w obwodzie otwartym były następujące: Jednostka 1: 13,42 V; Jednostka 2: 13,36 V; Jednostka 3: 13,18 V; Jednostka 4: 12,4 V. Widocznie brakowało im elektrolitów. Po otwarciu obudowy każde ogniwo w pierwszych trzech akumulatorach otrzymało 6 ml plus dodatkowe 4 ml elektrolitu, natomiast ogniwo 4 otrzymało 6 ml plus dodatkowe 2 ml. Po dwugodzinnym odpoczynku ładowanie rozpoczęło się początkowo przy 10 A, po dwóch minutach zmniejszono do 3 A, a następnie po pół godzinie przełączono w tryb obniżania. Stopniowo rozpoczynano produkcję gazu. Komórki 1–3 wykazywały stosunkowo stałą produkcję gazu we wszystkich przedziałach, podczas gdy komórka 4 wykazywała produkcję gazu w pięciu przedziałach mniej więcej w tym samym czasie. Jednakże po rozpoczęciu produkcji gazu w komorach w pobliżu anody nadal nie wytwarzano znacznych ilości gazu. Ładowanie ustało. Testy pojemności wykazały, że ogniwa 1–3 osiągnęły nowy stan, podczas gdy ogniwo 4 dało tylko 1,5 Ah. Dodaj 4 mililitry wody do każdego ogniwa w ogniwach 1–3, następnie ładuj stopniowo, aż wszystkie ogniwa wytworzą gaz. Ładuj ogniwo 4 oddzielnie przez godzinę, a następnie rozładuj przy 5A. Monitoruj napięcie na zaciskach: spadek z 13,2 V do 10,5 V zajął 20 minut, a osiągnięcie 8,32 V zajęło mniej niż 5 minut. Kontynuuj rozładowywanie przy 5A, utrzymując około 8,15V przez godzinę przed zatrzymaniem testu. Dlaczego się zatrzymać? Nasuwa się wniosek: uszkodzone jest ogniwo sąsiadujące z anodą, o pojemności około 1,5Ah. Krótkie wyjaśnienie teoretyczne: spadek napięcia w ciągu 20 minut z 13,2 V do 10,5 V pokazał, że wadliwe ogniwo (już znacznie poniżej 1,7 V) miało pojemność mniejszą niż 1,5 Ah. Kontynuując rozładowywanie 5A, uszkodzone ogniwo spadło do 0V. Pozostałe pięć zdrowych ogniw (10 V) naładowało wadliwe ogniwo odwrotnie. Kiedy uszkodzone ogniwo osiągnęło prawie 2 V przy odwrotnym ładowaniu, jego stan ustabilizował się na dłuższy czas. Napięcie na zaciskach akumulatora było równe sumie pięciu zdrowych ogniw minus napięcie wsteczne ogniwa uszkodzonego: 10 V - 2 V = 8 V. Dalsze rozładowanie nie jest konieczne, ponieważ uszkodziłoby pięć dobrych ogniw. Aby zidentyfikować wadliwe ogniwo: akumulatory te mają znacznie mniejsze otwory do napełniania elektrolitem niż akumulatory 10Ah. Używając domowego, ołowianego narzędzia, wadliwe ogniwo można określić w ciągu kilku sekund. W tym przypadku pięć ogniw wykazywało wydzielanie gazu, podczas gdy ogniwo w pobliżu anody nie. Testy potwierdziły, że ogniwo to jest wadliwe i powoduje częściowe rozdzielenie komórek. Izolowane leczenie przywróciło pojemność tego ogniwa do 10Ah. Naprawa jest już zakończona. Ogniwa 1–3 wykazują prawie nową pojemność, podczas gdy ogniwo 4 osiąga 10 Ah (pięć funkcjonalnych ogniw łącznie odpowiada niemal nowej pojemności ogniw 1–3).

Metoda sprawdzania zasiarczenia bez otwierania pokrywy
Oto metoda określenia zasiarczenia bez otwierania akumulatora: Naładuj akumulator za pomocą regulowanego źródła prądu stałego ustawionego na około 0,05°C. Należy zauważyć, że na siarczanowanie wskazują następujące warunki. Biorąc za przykład akumulator 12V: napięcie początkowe przekracza 15V (z większym odchyleniem wskazującym na większe zasiarczenie), a wraz ze wzrostem czasu ładowania napięcie maleje, zbliżając się do 15V. Po przełączeniu na ładowanie stałym napięciem prąd będzie wykazywał tendencję rosnącą. Opiera się to na moim praktycznym doświadczeniu, podczas gdy standardowa literatura zazwyczaj wspomina jedynie o objawach, takich jak nadmierne wytwarzanie ciepła, przedwczesne wydzielanie się gazu i zmniejszona wydajność. Zademonstrowałem tę metodę diagnostyczną na miejscu kilku odwiedzającym ją studentom specjalizującym się w tej dziedzinie, porównując akumulatory kwasowo-ołowiowe o różnym stopniu zasiarczenia. Regulowane źródło prądu stałego to mój projekt z 1978 r., „Wielofunkcyjna ładowarka New Star”, zawarty w dodatku do mojego podręcznika Instalacja telewizji czarno-białej. Pierwotnie wykorzystywał transformator 36 V z dyskretnymi elementami liniowymi, później został zmodernizowany do liniowej konstrukcji z układem scalonym i prądem stałym sterowanym elektronicznym przełącznikiem.

Ocena ubytku wody bez otwierania obudowy

Określenie utraty wody bez otwierania pokrywy wymaga jednoczesnego spełnienia dwóch warunków: 1) Napięcie jałowe akumulatora 12V przekracza 13,2V. 2) Zmniejszona pojemność. Nawet uczniowie szkół podstawowych mogą zrozumieć te zasady. Podstawowa teoria obejmuje dwa kluczowe punkty: 1) napięcie w obwodzie otwartym koreluje ze stężeniem kwasu siarkowego; utrata wody zwiększa stężenie kwasu, podnosząc napięcie na zaciskach. 2) Utrata wody obniża poziom elektrolitu, zmniejszając ilość reagującego materiału i zmniejszając wydajność. Dalsze wyjaśnienia dotyczące warunków: Powyższe wartości odnoszą się do napięcia jałowego akumulatora pojazdu elektrycznego 12 V pół godziny po ładowaniu. W przypadku akumulatorów samochodowych wartości powinny być niższe. Nawet w przypadku akumulatorów do pojazdów elektrycznych marka ma znaczenie — na przykład akumulatory Panasonic mają niższą wartość ze względu na niższy ciężar właściwy kwasu siarkowego w porównaniu z akumulatorami Zhejiang Changxing. Stwierdza również, że nie należy popadać w dogmaty: na przykład akumulator o pozornie standardowym napięciu, ale małej pojemności, zazwyczaj ma pięć ogniw pozbawionych wody, a jedno ogniwo jest częściowo odłączone.

Nienaprawialne standardy
Normy nie do naprawienia (dla akumulatorów przy normalnej eksploatacji i zasiarczeniu ołowiu):
1. Nie da się naprawić, jeśli wykazuje zewnętrzne odkształcenie, pęknięcie lub wyciek.
2. Nienaprawialne, jeśli wykazują awarie wewnętrzne, uszkodzenia mechaniczne lub przeładowane płyty, które zamieniają się w sadzę; charakterystyczne objawy: napięcie gwałtownie rośnie podczas ładowania i znacznie spada po postoju.
3. Nie da się go naprawić, jeśli wykazuje słabą kontrolkę CEL (lampka błędu ogniwa), awarię pojedynczego ogniwa lub wewnętrzne samorozładowanie. (W przypadku akumulatorów wymiennych w wózkach widłowych można wymienić pojedyncze ogniwa i przywrócić akumulator.)