电动车电池充电技术现状与发展
上海绿遥电子科技有限公司
浙江日久工贸有限公司 吕清江
概论
电动车因有其方便、简捷、费用低等特殊性,受到广泛的青睐,也因此推动了电动车行业的迅速发展,然而,发展至今,大大、小小阻碍着电动车产业发展的问题也相继突现,其中最为突出的除安全问题外也即质量问题了.
被人们喻称为电动车心脏的蓄电池寿命问题又成为质量问题中的重中之重.经常可以听到用户说:骑电动车省力也不一定省钱啊!一年要换一组电池也就要几百元钱了.因此,延长电池使用期限也就成为相关人员孜孜以求的目标,总不能因电池问题而制约电动车行业的发展吧!
现阶段,电动车主流电池还是已经发展了几十年,相对技术比较成熟的铅酸电池,由于电动车电池所必需面对的深循环、多循环、高电压充电、大电流放电、贫(少)液、高浓度电解液、难维护等特殊性,使其易产生失水、硫化、软化、热失控(充鼓)、难均衡等失效现象,严重的限制了蓄电池的使用期限,频繁使用难有顺利超过包用期(一年)的.
充电技术
“电池不是用坏的,而是充坏的”,的确不当的充电方式将严重影响电池的使用期限,而对于使蓄电池重新获得能量的充电器,就我国国情,可以说,在上世纪九十年代之前大部分使用的还是无控制、无保护的工频变压器降压加整流这样简简单单所谓的充电器,使用时往往需人员值守,人工调节充电参数,否则大有充坏电池的可能.到了九十年代,随着电子技术的迅猛发展,特别是电动车行业的发展,结合成本等因素用开关电源及电子自动控制的充电器也迅速普及于民用,相继推出了恒流、限压的二段式和恒流、限压、涓流(保压)的三段式充电器.现在普遍使用的也就这三段式了.经过这些年的使用,普通三段式所存在的不足越来越被行业人员所察觉,它虽然有所说的智能控制,只是对于充电时的电压、电流的控制而忽略了对电池充电无比重要的脉动成分和温度特征,对付电动车电池的特征参数离散、串联格数多、温度影响大等特殊性,其“智能控制”也成为了“呆板作为”.在它控制下的蓄电池或多或少的存在过充、欠充、失水、硫化、失衡、热失控等结症.那么,有无更好的充电模式呢?目前呼声最高的莫过于脉冲充电技术.
脉冲充电
据不完全统计脉冲充电分为:负脉冲、正脉冲、正负脉冲,也可以分为低频、高频和变频(扫频)等.
负脉冲:即在充电时,间断的对电池脉冲放电.理论上在充电时蓄电池中产生的极化电压会阻碍其本身的充电,特别是快充后期,使出气率和温升显著升高,极化电压的大小是随充电电流的变化而改变的.当停止充电时,电阻极化消失浓差极化和电化学极化亦逐渐减弱;而如果为蓄电池提供一条放电通道让其反向放电,则电化学极化将迅速消失,同时蓄电池内温度也因放电而降低.因此,在蓄电池充电过程中,适时地暂停充电,并且适当地加入放电脉冲,就可迅速而有效地消除各种极化电压,从而提高充电速度.因此,快速充电时为减少失水,降低温度,降低充电限压且电路构成简单,负脉冲充电成为目前许多厂家的首选.然而,其对去硫化、均衡作用甚微,且耗能大发热大,也不是理想充电模式.(有些厂家所谓的负脉冲只不过是间歇充电,或充电电流没中断时放电,电池真正放电甚少,效果小,宣传炒作成分大).
正脉冲:高压大电流瞬间正脉冲主要作用为去硫化,对电池因硫化而容量降低的修复效果明显,是目前市场上电池修复机的主要工作途径 .理论上正脉冲去硫化机理为:电池放电时其负极的铅与硫酸反应生成硫酸铅,刚生成的硫酸铅以可溶、导电的离子态存在,如没有及时给以充电还原,硫酸铅分子就会相互结合形成难溶、绝缘的大分子硫酸铅晶体,形成电池的不可拟硫酸盐化——硫化.
从固体物理上来讲,任何绝缘层在足够高的电压下都可以击穿.一旦绝缘层被击穿,粗大的硫酸铅就会呈现导电状态,在电流的强氧化还原作用下重新生成铅和硫酸,参加电化学反应.如果脉冲宽度足够短,就可以在保证击穿粗大硫酸铅结晶的条件下,同时发生的微充电来不及形成析气.这样,就可在无损电池的前提下实现脉冲消除硫化.
实现脉冲去硫化的最佳时段为充电后期,即三段式的涓流保压段,此时加以的高压脉冲电流被吸收分流相对少.因为脉冲宽度比较窄,还有其它物质的分流,作用于去硫化的能量有限,短时的脉冲去硫化修复作用是有限的,长期使用脉冲修复式充电器效果会更好.
目前,已有许多厂家相继推出脉冲式充电器,经不完全检测存在着脉冲电流幅度小(<2A)、脉冲宽度大(秒级),脉冲时段短(广东的一厂家定时约60秒),而很多声称脉冲充电器的经检测根本找不到脉冲波形,纯属炒作、欺骗消费者.
对于正负脉冲、高频脉冲(8.333KHz)、变频脉冲,或是成本高、或是技术原因(真正有效的脉冲充电器要很好的消除脉冲时的杂音、干扰,就非常不易),还处于概念阶段,市场上难觅产品.曾有面市也因为价格高使用户难以接受,推而不广.
电池失水、热失控
在电池充电后期,随着电池电压的不断升高,常规电池常温下单格电压达2.35V就开始析氧,2.42V析氢——电解水.而温度决定析氧、析氢的临界电压,每升高一度则下降0.004V.析气量与高于临界电压的差值、电流成正比.电动车电池为密封阀控式,少量的析氧会在负极重新化合为水——氧循环.而过多的析氧、氢,会增加密封电池内部的气压,以至于打开阀门排气,排出去的主要是氢气和氧气——也就失水.
电池内部的氧循环是放热反应,产生的热量会使电池温度升高,而温度的升高会使电池析氧临界电压降低,此时充电器往往处于恒压段(普通三段式),电池端电压不变,临界析气电压的下降,使电流反升,造成析氧量更大,发热更大,温度更高,如此恶性循环就会造成热失控.如果此时所产生的高热无法排除,特别是夏天,高热高温会使电池塑料外壳软化,再加之电池内部的高气压,这时的电池也就鼓了.
并不是所有的电动车电池,在三段式的常规参数下都会充鼓,也不是都能充足,这就是电池参数的离散性,也就是三段式其固有的技术参数的不足了.要杜绝充鼓现象,就不能用恒流、恒压型的二段、三段式充电器..
目前,为了解决充鼓问题,很多厂家推出了防充鼓的策略:增大转折电流、负脉冲去极化从而降低限压值(增加了充电不足的可能).
有一种所谓“永不充鼓”充电器,究其电路是在普通三段式基础上增加定时关机功能.定时方式大体分为二种:
1、全程定时,开始充电为定时起点,定时8~10小时关机,理论依据为:正常充电为8~10小时,要是发生热失控,要充鼓电池往往大于8~10小时,而此时关机了也就避免了充鼓.但是,如果被充电池并不是全放电状态,可能3~5小时就充足进入恒压段,要是此时发生热失控,离关机可是还有5~7小时......
2、以三段式充电恒压(限压)时电流下降至转折点(进入涓流段)为定时起点,一般定时2~3小时关机.理论依据为:产生热失控往往是进入涓流段后,充电电流随着电池温度的继续升高,不是下降,而有反升,重新进入恒压段,这种情况下,要充鼓电池的时间也要大于2~3小时.但是,如果产生热失控比较早,充电电流在没有降至转折点时就开始反升,此时的定时还没开始工作呢!......
失衡
电动车电池为铅酸电池多格串联而成,常见的36V有18格,48V的24格.行业公认铅酸电池单体的深充深放循环寿命为600次左右,但一个不争的事实是,这些单体一旦组合成电池组,即便这个电池组在很正常的条件下使用,它的循环寿命也会锐减至200次左右,组合电压越高,寿命越低.虽然,电池组在出厂前经过严格配组,假设每只电池都是非常的一致,但是由于每格电池自放电的差异、排气压力的差异、硫酸比重的差异、失水的差异、开阀压差别、制造工艺的差别等等原因,造成每格电量的不均.就如自放电大一点的格,每次用三段式恒压充电机就难以完全充足电,因为充电机是以总电压控制的,虽然未充足电的格电压低,但充足电的格已是超过了设定值,总电压已达到设定值,此时充电器降压转为涓流段.都说涓流段有均衡作用,试想电压都降下去了,电流也只有0.02A左右,只能应付自放电而已.串联电池使用时放电是每格均等的,电量少的格就会过早进入有损低电压(<1.5V),甚至反极,而充电电流也是均等的,有损低电压格充电时接受能力也会比正常的弱,得到的电量也就更加少.如此反复充放电,欠充会造成硫化,过放造成软化,少电量的格越用越坏,电量越来越少,产生严重失衡.串联电池的电量是以最低电量格来确定整体容量的,一格的失衡也就导致电池整体容量的迅速下降.
要提高电动车电池组的使用期限,解决失衡又成为了整体技术工程中的重中之重.
现有技术,在串联充电中,只有高压小电流的过充电才是无损均衡充电的唯一出路.
结论
影响电动车电池寿命的原因主要为:失水、硫化、热失控、失衡等,有电池原有的客观质量问题,也有使用环境、充电问题.
一个理想的充电器也就应该同时具备:
1、减少失水:a降低恒压值;b负脉冲去极化以降低恒压值.
2、去硫化:a高压大电流正脉冲去硫化;b高压小电流过充电去硫化.
3、防充鼓:a降低恒压值;b升高转折电流值;c提前降低恒流值,以减少发热量;d定时关机.
4、均衡:a高压小电流过充电;b高压大电流正脉冲补充电.
由上海绿遥电子科技有限公司、浙江日久工贸有限公司研制开发制作的,第三代SM系列数码脉冲修复充电器,很好的解决了电动车电池充电技术所面临的诸多难题,堪称普通三段式的终结者.
