電動車電池充電技術現(xiàn)狀與發(fā)展
                                     上海綠遙電子科技有限公司
                                     浙江日久工貿(mào)有限公司     呂清江
概論
  電動車因有其方便、簡捷、費用低等特殊性,受到廣泛的青睞,也因此推動了電動車行業(yè)的迅速發(fā)展,然而,發(fā)展至今,大大、小小阻礙著電動車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題也相繼突現(xiàn),其中最為突出的除安全問題外也即質量問題了.
   被人們喻稱為電動車心臟的蓄電池壽命問題又成為質量問題中的重中之重.經(jīng)常可以聽到用戶說:騎電動車省力也不一定省錢啊!一年要換一組電池也就要幾百元錢了.因此,延長電池使用期限也就成為相關人員孜孜以求的目標,總不能因電池問題而制約電動車行業(yè)的發(fā)展吧!
   現(xiàn)階段,電動車主流電池還是已經(jīng)發(fā)展了幾十年,相對技術比較成熟的鉛酸電池,由于電動車電池所必需面對的深循環(huán)、多循環(huán)、高電壓充電、大電流放電、貧(少)液、高濃度電解液、難維護等特殊性,使其易產(chǎn)生失水、硫化、軟化、熱失控(充鼓)、難均衡等失效現(xiàn)象,嚴重的限制了蓄電池的使用期限,頻繁使用難有順利超過包用期(一年)的.
充電技術
“電池不是用壞的,而是充壞的”,的確不當?shù)某潆姺绞綄乐赜绊戨姵氐氖褂闷谙?而對于使蓄電池重新獲得能量的充電器,就我國國情,可以說,在上世紀九十年代之前大部分使用的還是無控制、無保護的工頻變壓器降壓加整流這樣簡簡單單所謂的充電器,使用時往往需人員值守,人工調節(jié)充電參數(shù),否則大有充壞電池的可能.到了九十年代,隨著電子技術的迅猛發(fā)展,特別是電動車行業(yè)的發(fā)展,結合成本等因素用開關電源及電子自動控制的充電器也迅速普及于民用,相繼推出了恒流、限壓的二段式和恒流、限壓、涓流(保壓)的三段式充電器.現(xiàn)在普遍使用的也就這三段式了.經(jīng)過這些年的使用,普通三段式所存在的不足越來越被行業(yè)人員所察覺,它雖然有所說的智能控制,只是對于充電時的電壓、電流的控制而忽略了對電池充電無比重要的脈動成分和溫度特征,對付電動車電池的特征參數(shù)離散、串聯(lián)格數(shù)多、溫度影響大等特殊性,其“智能控制”也成為了“呆板作為”.在它控制下的蓄電池或多或少的存在過充、欠充、失水、硫化、失衡、熱失控等結癥.那么,有無更好的充電模式呢?目前呼聲最高的莫過于脈沖充電技術.
脈沖充電
   據(jù)不完全統(tǒng)計脈沖充電分為:負脈沖、正脈沖、正負脈沖,也可以分為低頻、高頻和變頻(掃頻)等.
負脈沖:即在充電時,間斷的對電池脈沖放電.理論上在充電時蓄電池中產(chǎn)生的極化電壓會阻礙其本身的充電,特別是快充后期,使出氣率和溫升顯著升高,極化電壓的大小是隨充電電流的變化而改變的.當停止充電時,電阻極化消失濃差極化和電化學極化亦逐漸減弱;而如果為蓄電池提供一條放電通道讓其反向放電,則電化學極化將迅速消失,同時蓄電池內(nèi)溫度也因放電而降低.因此,在蓄電池充電過程中,適時地暫停充電,并且適當?shù)丶尤敕烹娒}沖,就可迅速而有效地消除各種極化電壓,從而提高充電速度.因此,快速充電時為減少失水,降低溫度,降低充電限壓且電路構成簡單,負脈沖充電成為目前許多廠家的首選.然而,其對去硫化、均衡作用甚微,且耗能大發(fā)熱大,也不是理想充電模式.(有些廠家所謂的負脈沖只不過是間歇充電,或充電電流沒中斷時放電,電池真正放電甚少,效果小,宣傳炒作成分大).
正脈沖:高壓大電流瞬間正脈沖主要作用為去硫化,對電池因硫化而容量降低的修復效果明顯,是目前市場上電池修復機的主要工作途徑 .理論上正脈沖去硫化機理為:電池放電時其負極的鉛與硫酸反應生成硫酸鉛,剛生成的硫酸鉛以可溶、導電的離子態(tài)存在,如沒有及時給以充電還原,硫酸鉛分子就會相互結合形成難溶、絕緣的大分子硫酸鉛晶體,形成電池的不可擬硫酸鹽化——硫化.
  從固體物理上來講,任何絕緣層在足夠高的電壓下都可以擊穿.一旦絕緣層被擊穿,粗大的硫酸鉛就會呈現(xiàn)導電狀態(tài),在電流的強氧化還原作用下重新生成鉛和硫酸,參加電化學反應.如果脈沖寬度足夠短,就可以在保證擊穿粗大硫酸鉛結晶的條件下,同時發(fā)生的微充電來不及形成析氣.這樣,就可在無損電池的前提下實現(xiàn)脈沖消除硫化.
   實現(xiàn)脈沖去硫化的最佳時段為充電后期,即三段式的涓流保壓段,此時加以的高壓脈沖電流被吸收分流相對少.因為脈沖寬度比較窄,還有其它物質的分流,作用于去硫化的能量有限,短時的脈沖去硫化修復作用是有限的,長期使用脈沖修復式充電器效果會更好.
   目前,已有許多廠家相繼推出脈沖式充電器,經(jīng)不完全檢測存在著脈沖電流幅度小(<2A)、脈沖寬度大(秒級),脈沖時段短(廣東的一廠家定時約60秒),而很多聲稱脈沖充電器的經(jīng)檢測根本找不到脈沖波形,純屬炒作、欺騙消費者.
   對于正負脈沖、高頻脈沖(8.333KHz)、變頻脈沖,或是成本高、或是技術原因(真正有效的脈沖充電器要很好的消除脈沖時的雜音、干擾,就非常不易),還處于概念階段,市場上難覓產(chǎn)品.曾有面市也因為價格高使用戶難以接受,推而不廣.
電池失水、熱失控
  在電池充電后期,隨著電池電壓的不斷升高,常規(guī)電池常溫下單格電壓達2.35V就開始析氧,2.42V析氫——電解水.而溫度決定析氧、析氫的臨界電壓,每升高一度則下降0.004V.析氣量與高于臨界電壓的差值、電流成正比.電動車電池為密封閥控式,少量的析氧會在負極重新化合為水——氧循環(huán).而過多的析氧、氫,會增加密封電池內(nèi)部的氣壓,以至于打開閥門排氣,排出去的主要是氫氣和氧氣——也就失水.
  電池內(nèi)部的氧循環(huán)是放熱反應,產(chǎn)生的熱量會使電池溫度升高,而溫度的升高會使電池析氧臨界電壓降低,此時充電器往往處于恒壓段(普通三段式),電池端電壓不變,臨界析氣電壓的下降,使電流反升,造成析氧量更大,發(fā)熱更大,溫度更高,如此惡性循環(huán)就會造成熱失控.如果此時所產(chǎn)生的高熱無法排除,特別是夏天,高熱高溫會使電池塑料外殼軟化,再加之電池內(nèi)部的高氣壓,這時的電池也就鼓了.
  并不是所有的電動車電池,在三段式的常規(guī)參數(shù)下都會充鼓,也不是都能充足,這就是電池參數(shù)的離散性,也就是三段式其固有的技術參數(shù)的不足了.要杜絕充鼓現(xiàn)象,就不能用恒流、恒壓型的二段、三段式充電器..
  目前,為了解決充鼓問題,很多廠家推出了防充鼓的策略:增大轉折電流、負脈沖去極化從而降低限壓值(增加了充電不足的可能).
  有一種所謂“永不充鼓”充電器,究其電路是在普通三段式基礎上增加定時關機功能.定時方式大體分為二種:
1、全程定時,開始充電為定時起點,定時8~10小時關機,理論依據(jù)為:正常充電為8~10小時,要是發(fā)生熱失控,要充鼓電池往往大于8~10小時,而此時關機了也就避免了充鼓.但是,如果被充電池并不是全放電狀態(tài),可能3~5小時就充足進入恒壓段,要是此時發(fā)生熱失控,離關機可是還有5~7小時......
2、以三段式充電恒壓(限壓)時電流下降至轉折點(進入涓流段)為定時起點,一般定時2~3小時關機.理論依據(jù)為:產(chǎn)生熱失控往往是進入涓流段后,充電電流隨著電池溫度的繼續(xù)升高,不是下降,而有反升,重新進入恒壓段,這種情況下,要充鼓電池的時間也要大于2~3小時.但是,如果產(chǎn)生熱失控比較早,充電電流在沒有降至轉折點時就開始反升,此時的定時還沒開始工作呢!......
失衡
電動車電池為鉛酸電池多格串聯(lián)而成,常見的36V有18格,48V的24格.行業(yè)公認鉛酸電池單體的深充深放循環(huán)壽命為600次左右,但一個不爭的事實是,這些單體一旦組合成電池組,即便這個電池組在很正常的條件下使用,它的循環(huán)壽命也會銳減至200次左右,組合電壓越高,壽命越低.雖然,電池組在出廠前經(jīng)過嚴格配組,假設每只電池都是非常的一致,但是由于每格電池自放電的差異、排氣壓力的差異、硫酸比重的差異、失水的差異、開閥壓差別、制造工藝的差別等等原因,造成每格電量的不均.就如自放電大一點的格,每次用三段式恒壓充電機就難以完全充足電,因為充電機是以總電壓控制的,雖然未充足電的格電壓低,但充足電的格已是超過了設定值,總電壓已達到設定值,此時充電器降壓轉為涓流段.都說涓流段有均衡作用,試想電壓都降下去了,電流也只有0.02A左右,只能應付自放電而已.串聯(lián)電池使用時放電是每格均等的,電量少的格就會過早進入有損低電壓(<1.5V),甚至反極,而充電電流也是均等的,有損低電壓格充電時接受能力也會比正常的弱,得到的電量也就更加少.如此反復充放電,欠充會造成硫化,過放造成軟化,少電量的格越用越壞,電量越來越少,產(chǎn)生嚴重失衡.串聯(lián)電池的電量是以最低電量格來確定整體容量的,一格的失衡也就導致電池整體容量的迅速下降.
   要提高電動車電池組的使用期限,解決失衡又成為了整體技術工程中的重中之重.
   現(xiàn)有技術,在串聯(lián)充電中,只有高壓小電流的過充電才是無損均衡充電的唯一出路.
結論
   影響電動車電池壽命的原因主要為:失水、硫化、熱失控、失衡等,有電池原有的客觀質量問題,也有使用環(huán)境、充電問題.
   一個理想的充電器也就應該同時具備:
1、減少失水:a降低恒壓值;b負脈沖去極化以降低恒壓值.
2、去硫化:a高壓大電流正脈沖去硫化;b高壓小電流過充電去硫化.
3、防充鼓:a降低恒壓值;b升高轉折電流值;c提前降低恒流值,以減少發(fā)熱量;d定時關機.
4、均衡:a高壓小電流過充電;b高壓大電流正脈沖補充電.
  
   由上海綠遙電子科技有限公司、浙江日久工貿(mào)有限公司研制開發(fā)制作的,第三代SM系列數(shù)碼脈沖修復充電器,很好的解決了電動車電池充電技術所面臨的諸多難題,堪稱普通三段式的終結者.