電動(dòng)車(chē)電池充電技術(shù)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(dòng)車(chē)因有其方便、簡(jiǎn)捷、費(fèi)用低等特殊性,受到廣泛的青睞,也因此推動(dòng)了電動(dòng)車(chē)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(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問(wèn)題也相繼突現(xiàn),其中最為突出的除安全問(wèn)題外也即質(zhì)量問(wèn)題了.
   被人們喻稱(chēng)為電動(dòng)車(chē)心臟的蓄電池壽命問(wèn)題又成為質(zhì)量問(wèn)題中的重中之重.經(jīng)?？梢月?tīng)到用戶(hù)說(shuō):騎電動(dòng)車(chē)省力也不一定省錢(qián)啊!一年要換一組電池也就要幾百元錢(qián)了.因此,延長(zhǎng)電池使用期限也就成為相關(guān)人員孜孜以求的目標(biāo),總不能因電池問(wèn)題而制約電動(dòng)車(chē)行業(yè)的發(fā)展吧!
   現(xiàn)階段,電動(dòng)車(chē)主流電池還是已經(jīng)發(fā)展了幾十年,相對(duì)技術(shù)比較成熟的鉛酸電池,由于電動(dòng)車(chē)電池所必需面對(duì)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(hù)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(yán)重的限制了蓄電池的使用期限,頻繁使用難有順利超過(guò)包用期(一年)的.
充電技術(shù)
“電池不是用壞的,而是充壞的”,的確不當(dāng)?shù)某潆姺绞綄?yán)重影響電池的使用期限,而對(duì)于使蓄電池重新獲得能量的充電器,就我國(guó)國(guó)情,可以說(shuō),在上世紀(jì)九十年代之前大部分使用的還是無(wú)控制、無(wú)保護(hù)的工頻變壓器降壓加整流這樣簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單所謂的充電器,使用時(shí)往往需人員值守,人工調(diào)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(shù)的迅猛發(fā)展,特別是電動(dòng)車(chē)行業(yè)的發(fā)展,結(jié)合成本等因素用開(kāi)關(guān)電源及電子自動(dòng)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(guò)這些年的使用,普通三段式所存在的不足越來(lái)越被行業(yè)人員所察覺(jué),它雖然有所說(shuō)的智能控制,只是對(duì)于充電時(shí)的電壓、電流的控制而忽略了對(duì)電池充電無(wú)比重要的脈動(dòng)成分和溫度特征,對(duì)付電動(dòng)車(chē)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(guò)充、欠充、失水、硫化、失衡、熱失控等結(jié)癥.那么,有無(wú)更好的充電模式呢?目前呼聲最高的莫過(guò)于脈沖充電技術(shù).
脈沖充電
   據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)脈沖充電分為:負(fù)脈沖、正脈沖、正負(fù)脈沖,也可以分為低頻、高頻和變頻(掃頻)等.
負(fù)脈沖:即在充電時(shí),間斷的對(duì)電池脈沖放電.理論上在充電時(shí)蓄電池中產(chǎn)生的極化電壓會(huì)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(dāng)停止充電時(shí),電阻極化消失濃差極化和電化學(xué)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(xué)極化將迅速消失,同時(shí)蓄電池內(nèi)溫度也因放電而降低.因此,在蓄電池充電過(guò)程中,適時(shí)地暫停充電,并且適當(dāng)?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(shí)為減少失水,降低溫度,降低充電限壓且電路構(gòu)成簡(jiǎn)單,負(fù)脈沖充電成為目前許多廠家的首選.然而,其對(duì)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(fù)脈沖只不過(guò)是間歇充電,或充電電流沒(méi)中斷時(shí)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(duì)電池因硫化而容量降低的修復(fù)效果明顯,是目前市場(chǎng)上電池修復(fù)機(jī)的主要工作途徑 .理論上正脈沖去硫化機(jī)理為:電池放電時(shí)其負(fù)極的鉛與硫酸反應(yīng)生成硫酸鉛,剛生成的硫酸鉛以可溶、導(dǎo)電的離子態(tài)存在,如沒(méi)有及時(shí)給以充電還原,硫酸鉛分子就會(huì)相互結(jié)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(lái)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(huì)呈現(xiàn)導(dǎo)電狀態(tài),在電流的強(qiáng)氧化還原作用下重新生成鉛和硫酸,參加電化學(xué)反應(yīng).如果脈沖寬度足夠短,就可以在保證擊穿粗大硫酸鉛結(jié)晶的條件下,同時(shí)發(fā)生的微充電來(lái)不及形成析氣.這樣,就可在無(wú)損電池的前提下實(shí)現(xiàn)脈沖消除硫化.
   實(shí)現(xiàn)脈沖去硫化的最佳時(shí)段為充電后期,即三段式的涓流保壓段,此時(shí)加以的高壓脈沖電流被吸收分流相對(duì)少.因?yàn)槊}沖寬度比較窄,還有其它物質(zhì)的分流,作用于去硫化的能量有限,短時(shí)的脈沖去硫化修復(fù)作用是有限的,長(zhǎng)期使用脈沖修復(fù)式充電器效果會(huì)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(cè)存在著脈沖電流幅度小(<2A)、脈沖寬度大(秒級(jí)),脈沖時(shí)段短(廣東的一廠家定時(shí)約60秒),而很多聲稱(chēng)脈沖充電器的經(jīng)檢測(cè)根本找不到脈沖波形,純屬炒作、欺騙消費(fèi)者.
   對(duì)于正負(fù)脈沖、高頻脈沖(8.333KHz)、變頻脈沖,或是成本高、或是技術(shù)原因(真正有效的脈沖充電器要很好的消除脈沖時(shí)的雜音、干擾,就非常不易),還處于概念階段,市場(chǎng)上難覓產(chǎn)品.曾有面市也因?yàn)閮r(jià)格高使用戶(hù)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(dá)2.35V就開(kāi)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(dòng)車(chē)電池為密封閥控式,少量的析氧會(huì)在負(fù)極重新化合為水——氧循環(huán).而過(guò)多的析氧、氫,會(huì)增加密封電池內(nèi)部的氣壓,以至于打開(kāi)閥門(mén)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(yīng),產(chǎn)生的熱量會(huì)使電池溫度升高,而溫度的升高會(huì)使電池析氧臨界電壓降低,此時(shí)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(huì)造成熱失控.如果此時(shí)所產(chǎn)生的高熱無(wú)法排除,特別是夏天,高熱高溫會(huì)使電池塑料外殼軟化,再加之電池內(nèi)部的高氣壓,這時(shí)的電池也就鼓了.
  并不是所有的電動(dòng)車(chē)電池,在三段式的常規(guī)參數(shù)下都會(huì)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(shù)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(wèn)題,很多廠家推出了防充鼓的策略:增大轉(zhuǎn)折電流、負(fù)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(chǔ)上增加定時(shí)關(guān)機(jī)功能.定時(shí)方式大體分為二種:
1、全程定時(shí),開(kāi)始充電為定時(shí)起點(diǎn),定時(shí)8~10小時(shí)關(guān)機(jī),理論依據(jù)為:正常充電為8~10小時(shí),要是發(fā)生熱失控,要充鼓電池往往大于8~10小時(shí),而此時(shí)關(guān)機(jī)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(shí)就充足進(jìn)入恒壓段,要是此時(shí)發(fā)生熱失控,離關(guān)機(jī)可是還有5~7小時(shí)......
2、以三段式充電恒壓(限壓)時(shí)電流下降至轉(zhuǎn)折點(diǎn)(進(jìn)入涓流段)為定時(shí)起點(diǎn),一般定時(shí)2~3小時(shí)關(guān)機(jī).理論依據(jù)為:產(chǎn)生熱失控往往是進(jìn)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(jìn)入恒壓段,這種情況下,要充鼓電池的時(shí)間也要大于2~3小時(shí).但是,如果產(chǎn)生熱失控比較早,充電電流在沒(méi)有降至轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)就開(kāi)始反升,此時(shí)的定時(shí)還沒(méi)開(kāi)始工作呢!......
失衡
電動(dòng)車(chē)電池為鉛酸電池多格串聯(lián)而成,常見(jiàn)的36V有18格,48V的24格.行業(yè)公認(rèn)鉛酸電池單體的深充深放循環(huán)壽命為600次左右,但一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)是,這些單體一旦組合成電池組,即便這個(gè)電池組在很正常的條件下使用,它的循環(huán)壽命也會(huì)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(guò)嚴(yán)格配組,假設(shè)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(kāi)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(diǎn)的格,每次用三段式恒壓充電機(jī)就難以完全充足電,因?yàn)槌潆姍C(jī)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(guò)了設(shè)定值,總電壓已達(dá)到設(shè)定值,此時(shí)充電器降壓轉(zhuǎn)為涓流段.都說(shuō)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(yīng)付自放電而已.串聯(lián)電池使用時(shí)放電是每格均等的,電量少的格就會(huì)過(guò)早進(jìn)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(shí)接受能力也會(huì)比正常的弱,得到的電量也就更加少.如此反復(fù)充放電,欠充會(huì)造成硫化,過(guò)放造成軟化,少電量的格越用越壞,電量越來(lái)越少,產(chǎn)生嚴(yán)重失衡.串聯(lián)電池的電量是以最低電量格來(lái)確定整體容量的,一格的失衡也就導(dǎo)致電池整體容量的迅速下降.
   要提高電動(dòng)車(chē)電池組的使用期限,解決失衡又成為了整體技術(shù)工程中的重中之重.
   現(xiàn)有技術(shù),在串聯(lián)充電中,只有高壓小電流的過(guò)充電才是無(wú)損均衡充電的唯一出路.
結(jié)論
   影響電動(dòng)車(chē)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(zhì)量問(wèn)題,也有使用環(huán)境、充電問(wèn)題.
   一個(gè)理想的充電器也就應(yīng)該同時(shí)具備:
1、減少失水:a降低恒壓值;b負(fù)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(guò)充電去硫化.
3、防充鼓:a降低恒壓值;b升高轉(zhuǎn)折電流值;c提前降低恒流值,以減少發(fā)熱量;d定時(shí)關(guān)機(jī).
4、均衡:a高壓小電流過(guò)充電;b高壓大電流正脈沖補(bǔ)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(kāi)發(fā)制作的,第三代SM系列數(shù)碼脈沖修復(fù)充電器,很好的解決了電動(dòng)車(chē)電池充電技術(shù)所面臨的諸多難題,堪稱(chēng)普通三段式的終結(jié)者.