电池充电
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电池充电,正确的方法!

电池是一种电化学装置,它在化学键结结构中储存能量,并以电池的化学放电反应产生的电子形式释放能量。 电池充电提供电子以重新形成存储在电池活性材料中的化学键。 这是所有化学物质的真正电池充电,包括本博客中提到的那些:铅酸、镍金属氢化物、镍镉和锂离子变体。 在本博客中,我们将讨论 12 伏电池的最佳充电程序。
作为一般规则,有三种主要的收费类型:
• 恒压 (CV)
• 恒流 (CC)
• 恒定功率(锥形充电)

所有充电配置文件和所有充电设备都使用这些基本方法的变体,通常是组合使用。
电池充电速率取决于每秒流入电池的电子数量(电流)。 电流的速度与光速一样是固定的,因此要增加充电速率,必须增加电流密度或每秒流过的安培数。 如果将电子推入 AM 的力增加,即电压,则电子流增加。 更高的电压 = 更多的安培。

不同电池类型的电压和内阻取决于其化学性质,充电电压也会相应变化。 在这篇博客中,我们将考虑铅酸电池、锂离子电池、镍镉电池和镍金属氢化物电池的化学成分。

从铅酸开始,我们可以描述储存和释放电子的化学反应,称为“双硫酸盐理论”

  • PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O…………………………………………..eq. 1

在此反应中,电解液,即稀硫酸,在放电过程中与正极板和负极板发生反应时,会转化为水。 负极板在放出电子形成硫酸铅时被氧化,正极板从氧化铅还原为硫酸铅,因为它接受电子将二氧化铅转化为硫酸铅。 在此期间,水的产生导致酸性电解质的稀释和极板之间电位差的减小。 这会产生较低的电解液 SG 和较低的电池电压。 在电池充电时,情况正好相反。 因此,电池电压和电解液 SG 这两个参数是铅酸电池充电状态的测量值。

对 12 伏铅酸电池进行充电时,充满电时需要高于电池剩余电压的电压,对于新的富液式电池通常在 12.60 到 12:84 之间,对于新的 VRLA 电池通常在 12:84 到 13.08 之间。 铅酸电池有四种基本变体:平板浸没式、管式浸没式和 VRLA 版本,它们是 AGM(平板)和 GEL(主要是管状)。 表 1 给出了电池类型、它们的应用和相关的充电方法。

电池类型 普通电池充电方式
铅酸蓄电池平板浸液式充电方法 恒流锥形充电
恒流/恒压锥形充电
恒压锥形充电
铅酸蓄电池管状极板满液式充电方法 恒流锥形充电
恒流/恒压锥形充电
恒压锥形充电
铅酸阀控式铅酸蓄电池(AGM SMF)充电方法 恒流/恒压充电
恒压充电
恒流/恒压脉冲充电
铅酸管状凝胶阀控式铅酸蓄电池充电方法 恒流/恒压充电
恒压充电
恒流/恒压脉冲充电
镍镉电池充电方法 恒流慢,定时器无控制
具有 dT/dT 截止的恒定电流
-dV/dT 截止的恒定电流
锂离子电池充电方法 具有最终电流截止的恒定电流
恒流电压截止
具有最终电流截止的恒定电压

表 1 – 不同电池类型以及不同化学类型电池的相关电池充电方法

  • CC = 恒流
  • CV = 恒压
  • dT/dt = 温度斜率
  • -dV/dt – 负电压斜率

列出的收费方式,描述如下:

  • 恒流充电
    在这种类型的充电中,电压随着电池充电完成而上升。 电流被限制在将电池电压和温度保持在低水平的值。 一般情况下,有一个定时器来关闭充电器,以防止过度放气和失水,减少正极板腐蚀。 1a. 这种充电方法不适用于密封或低维护的富液式铅酸电池。
  • 恒压、限流锥形充电
    通过电压限制充电,气体逸出的问题被最小化甚至根除。 在图 1b 中,我们看到电压达到峰值,对于 12 伏电池,通常在 13.38 和 14.70 伏之间。 很明显,一旦达到最大充电电压,电流就会迅速下降。 由于后期充电阶段的电流水平较低,这种类型的充电通常需要很长时间。 一般用于充电时间长的UPS或备用电源。
  • 锥形电荷
    这是充电器的最简单形式,通常基于变压器,可提供恒定的功率输出,即瓦特。 电流随着电压的增加而下降,从而保持对电池的恒定功率输入。 图 1c 显示了一条典型曲线,其中电流随着电池电压的增加而衰减。 反电动势也随着充电状态 SOC 增加,这意味着电流将下降到非常低的水平,因为电池无法吸收更多电力。
  • 这种类型的充电器不适用于铅酸密封免维护电池,因为产生的气体量取决于电池电压。 在这种情况下,充电电压可能高达 16 或 17 伏,这会导致严重的气体逸出并打开泄压阀,随后失水。
图 1 电池充电配置文件
图 1 电池充电配置文件
图 – 2 电压限制脉冲电池充电
图 – 2 电压限制脉冲电池充电
  • 两阶段限流限压充电
    另一种流行的充电曲线如图 1 所示。 1天。 这样,允许电压在体相中上升,直到达到放气电压。 然后电流下降到一个较低的固定水平,以降低逐渐上升到放气水平的电压。 通常,有一个与初始体相充电时间相关的截止时间。 这可以根据电池的充电状态实现固定的充气时间和固定的安培小时输入
图 3 典型的锂离子电池充电算法
图 3 典型的锂离子电池充电算法
图 4 Ni-Cad 的典型充电曲线 (a) 和镍氢 (b) 细胞
图 4 Ni-Cad 的典型充电曲线 (a) 和镍氢 (b) 细胞
  • 具有均衡恒流脉冲的电压限制大容量充电。
    无花果。 图2是常见脉冲充电方法的表示。 这对 VRLA 电池用户来说通常是有益的,因为他们的电池充满电的时间有限。 在这种方法中,有大量电荷被施加的 CC 和 CV 阶段。
  • 脉冲通常是 10 到 20 秒的电流突发,带有电压限制,然后是长达几分钟的暂停。 由于电压滞后于持续时间有限的电流,因此它在消失之前不会达到峰值水平。 通过这种方式,气体逸出受到限制,电流脉冲之间的停顿时间允许气体重新组合成水,从而防止变干。

迄今为止的评论都是针对铅酸电池的。 锂离子、镍镉和镍氢电池的充电需要与铅酸电池不同的电池充电算法。 从锂离子电池开始,需要立即注意的是,不同的锂离子阴极有不同的充电电压。 锂离子 -FePO4 在 3 下运行。 每个电池为 2V,而 Li-Co 为每个电池 4.3v。 这意味着您不能为这两种电池使用相同的充电器。

但是,所有类型的锂离子电池的一般原理都相同,与铅酸电池有很大不同。 由于在充电和放电过程中没有化学反应,因此在充电器输出或 BMS(电池管理系统)限制的非常高的速率下,传输速度很快。 通常,在具有电压截止的恒定电流下,0.1C 到 1C 的比率是常见的。 图 3 显示了锂离子电池的典型充电曲线。 当最小电流达到 1C 安培值的 2-3% 左右时,也可以结束充电期。

NiMH 和 NiCd 还具有不同的充电模式和对充电的非常不同的响应,无论是对其他化学物质还是彼此之间。 图 4 显示了两种 Ni-Cad 的典型充电模式 (a) 和镍氢 (b)。 尽管两种镍变体具有相同的静止电压和工作电压,但充电电压可能会有很大差异。 两种类型的充电器都不能依赖电压作为充电终止机制。 为此,充电器简单地使用具有基于斜率的时间、电压斜率和温度变化的终止的一级或二级恒流充电器。 对充电特性的检查表明,当充电达到 100% 完成时,会同时出现温度上升和电压响应下降。

这些特性用于确定充电结束。 由于绝对电压随温度变化并且对于两种类型的电池都是不同的。 负电压斜率 (-dV/dt) 的开始或温度斜率的快速增加 (dT/dt) 是最常用的特性。 如果使用计时方法,那么电流应该非常低以防止过度充电和氧气损失。 在某些情况下,尤其是电池或电池不平衡时,最好在使用定时器方法充电之前将每个电池放电至 0.9-1.0 伏。

电池充电器如何工作?

所有充电器都汲取交流电 (AC) 电网电源并将其转换为直流电。 在这个过程中,会有一些交流纹波需要控制在3%以内。 市场上的一些电池充电器具有过滤波纹的功能,否则会在充电过程中损坏电池。 在任何情况下,最好使用三相电源,因为单相电流具有 10% 的纹波。

所有充电器都汲取交流电 (AC) 电网电源并将其转换为直流电。 在这个过程中,会有一些交流纹波需要控制在3%以内。 市场上的一些电池充电器具有过滤波纹的功能,否则会在充电过程中损坏电池。 在任何情况下,最好使用三相电源,因为单相电流具有 10% 的纹波。

恒压充电器

恒压允许电池充电器的全部电流流入电池,直到电源达到其预设电压。 一旦达到该电压水平,电流将逐渐减小到最小值。 在准备使用之前,电池可以一直连接到电池充电器,并将保持在该“浮动电压”,涓流充电以补偿正常的电池自放电。

恒压恒流

恒压/恒流(CVCC)是以上两种方式的结合。 充电器将电流量限制在预设水平,直到电池达到预设电压水平。 当电池充满电时,电流会降低。 铅酸蓄电池采用恒流恒压(CC/CV)充电方式。 调节电流会升高端电压,直到达到充电电压上限,此时电流会因饱和而下降。

不同类型的电池充电器

现有的电池充电技术依靠微处理器(计算机芯片)进行充电,采用 3 步调节充电。 这些就是“智能充电器”。 这些都很容易获得。 铅酸电池充电的三个步骤是转换的主要电流输入,以及连续一段时间的浮充。 需要定期均衡充电以保持均匀性。 使用电池制造商关于充电程序和电压的建议或使用高质量微处理器控制的充电器来保持电池容量和使用寿命。
“智能充电器”在设计时考虑到了当代充电技术,还从电池中获取信息,以最少的观察提供最大的充电效益。

VRLA – 凝胶和 AGM 电池需要不同的电压设置。 这是为了避免放气和变干。 阀控式铅酸 (VRLA) 电池中的氧气复合过程需要较低的电压设置,以避免析氢和电池干涸。
凝胶电池的最大充电电压为 14.1 或 14.4 伏,低于完全充电所需的湿式或 AGM VRLA 型电池。 在凝胶电池中超过此电压会导致电解质凝胶中出现气泡和永久性损坏。

电池充电器的额定电流建议将充电器的最大电流设为电池容量的 25%。 一些电池指定容量的 10% 使用较低的电流更安全,但需要更长的时间。

恒流-恒压 (CCCV) 充电方法是一个不错的选择。 恒定电流会增加端电压,直到达到充电电压上限,此时电流会因饱和而下降。 大型固定电池的充电时间为 12-16 小时,甚至更长(36 小时)。 铅酸电池速度较慢,无法像其他电池系统那样快速充电。 使用 CCCV 方法,铅酸电池分三个步骤充电,[1] 恒流充电,[2] 恒压和 [3] 充电完成后的浮充。

恒流充电应用了大部分电荷,大约占所需充电时间的一半;顶部充电以较低的充电电流继续并提供饱和,连续浮充补偿自放电造成的损失。 恒流充电时,5-8小时可充至70%左右;剩余的 30% 充满了持续 7-10 小时的恒压。 第三步中的浮充电使电池保持在满电状态。

电池充电,你能把12V的电池过充吗?

在所有这些化学物质中,过度充电都会造成损坏或安全风险。 在铅酸电池的情况下,过充电电压是有限的,多余的电流会在水分解、氢气和氧气释放以及产生热量的过程中消散。 增加电流不会增加电压,它会增加气体和失水率并导致温度升高。 特别是当需要电池或电池均衡时,可以容忍一些过充电。

对于锂离子电池,由于电池中包含 BMS,因此难以过度充电。 一旦达到终止电压或温度变得过高,这将切断电流供应。 这是必要的预防措施,因为锂离子电池含有挥发性电解质,在较高温度下会释放出来。 锂离子电池中电解液的蒸汽会着火,使过度充电非常危险。 NiCad 和 NiMH 电池不应过度充电,因为它们会失去氧气和电解质,即使它们是密封版本。

电池的 SOC 有几个指标:在其端子处测得的静止电压、电解液的比重(满溢开式电池)或阻抗值。 它们因电池化学成分而异,因此,最好分别查看每种类型:
1.铅酸。
比重。
充电和放电时极板与硫酸的反应决定了电池中酸与水的比例。

当加入硫酸浓度高时,当排放时它较低(方程式 1)。 因为酸的密度是1.84,水的密度是比重的1,所以电解液的SG在充电时增加,在放电时减少。
该反应具有一阶关系,这意味着浓度的变化是线性的,因此 SG 的测量给出了电池 SOC 的直接指示,图 3。 5.

图 5 12 V 铅酸电池的电压和 SG 随 SOC 的变化
图 5 12 V 铅酸电池的电压和 SG 随 SOC 的变化
图 6 正确读取比重计读数的方法
图 6 正确读取比重计读数的方法

一个注意事项:这不适用于正在进行电池充电和批量充电或预充气阶段的情况。 没有电解液搅拌,充电时产生的浓酸会下沉,使大部分电解液更稀,直到达到每个电池 2.4 伏的电压。 从这一点开始,板中产生的气体将产生搅拌作用以混合酸。

静止电压:这可以是 SOC 的指示,与电池的比重有以下关系:

  • 静止电压 = SG + 0.84 ……………………………………………………………..eq 2

例如,比重为 1.230 的 2V 电池的静止电压为 1.230 + 0.84 = 2.07 伏

使用这种关系可以给出电池 SOC 的相当准确的指示,但是,不同的电池具有不同的 SG 工作范围,因此与具有 1.28 顶部 SG 的 OPzS 相比,VRLA SG 的最高充电条件可能是 1.32。 温度也会影响 SG,从而影响电池电压。 温度对开路电压的影响见表 2。

另一个因素是新充电的电池在充电时会形成硫酸,因此极板附近的酸浓度很高。 这就是为什么充电后电压会在一段时间内保持高位,可能长达 48 小时,然后才会稳定在一个一致的值。 除非对电池进行短暂放电,否则在读取电压读数之前,它必须休息以平衡酸浓度。

SOC测量所需的工具
这些包括用于电压测量的直流电压表或万用表和用于比重读数的比重计。
对于充满电的电池,除放电测试外,比重计是确定充电状态的最佳方法。 比重计的使用确实需要一些练习,并且应该非常小心地进行。 程序是将电池放置在合适的位置,以便可以在眼睛高度读取比重计读数(上面的图 6)。

对于密封电池,不可能使用比重计,因此测量剩余电压是唯一的选择。 该方法适用于密封铅酸蓄电池和富液铅酸蓄电池。
为此,应将万用表设置为适当的最大电压,以确保它可以读取 12 伏以上的电压,而且还可以产生至少 2 个小数位的精度。 使用等式 2,电压可以在温度调整后用于估计SG,从而估计电池的SOC,前提是制造商对充满电的电池的SG值是已知的。

在使用电压或比重计测量荷电状态、SOC 的两种情况下,都需要应用温度补偿。 BCI 提供的表 2 给出了对比重计和电压计读数的适当调整。

表 2 电解液比重和电压读数随温度的补偿

电解液温度华氏 (°F) 电解液温度摄氏度 (°C) 添加或减去比重计的 SG 读数 添加或减去数字电压表的读数
160° 71.1° +.032 +.192 伏
150° 65.6° +.028 +.168 伏
140° 60.0° +.024 +.144 伏
130° 54.4° +.020 +.120 伏
120° 48.9° +.016 +.096 伏
110° 43.3° +.012 +.072 伏
100° 37.8° +.008 +.048 伏
90° 32.2° +.004 +.024 伏
80° 26.7° 0 0 伏
70° 21.1° -.004 -.024 伏
60° 15.6° -.008 -.048 伏
50° 10° -.012 -.072 伏
40° 4.4° -.016 -.096 伏
30° -1.1° -.020 -.120 伏
20° -6.7° -.024 -.144 伏
10° -12.2° -.028 -.168 伏
-17.6° -.032 -.192 伏

2. 锂离子、镍氢和镍镉。
对于所有这些化学物质,SOC 测量提出了严峻的挑战。 所有都具有非常平坦的放电曲线,完全充电和放电状态之间的电压差非常小。 NiCd 和 NiMH 电池内的充放电反应不会明显改变电解质的 SG,并且所有锂离子化学物质都在完全密封的电池中运行。 这使得对使用中的电池进行静态或随机抽查几乎是不可能的,对于非专业用户来说当然是不可能的。 这些化学物质的当前最先进状态充电状态、SOC 测量基于其操作期间获取的动态读数。

它们可以基于安时计数、对放电电流的电压响应,甚至是恒定电流脉冲。 测量设备通常内置于昂贵或复杂的设备中,例如电动汽车或工业机器,在这些设备中需要知道可用的运行时间。 在手动工具等不太复杂的设备中,注意到工具停止或运行速度较慢是唯一可用的迹象。

有市售的阻抗谱测试仪可以测量电池的内部阻抗以预测其充电状态。 这些设备依赖于一种基于测试数百个处于不同充电状态和不同年龄的电池来预测 SOC 的算法。 结果特定于特定电池的化学性质和年龄。 为使算法进行的测试越多,算法就越准确。

电池充电时,你会过度充电吗?

但是,您决定测量充电状态,有适用于所有类型电池的规则。 这些是为了防止电池过度放电,这可能会导致单个电池单元反向损坏,甚至产生负电压。 过度充电不太明确,因为在铅酸的情况下,有时需要这样做以平衡电池组中的电池单元或单个电池。 然而,过度充电会导致漏水和正极板腐蚀的气体,这两者都会降低电池寿命。

对于镍基电池,失水是最常见的问题,再次导致使用寿命缩短。 在锂化学的情况下,由于内置的 BMS 在预设电压下自动切断电流输入,因此通常不可能过度充电。 在某些设计中,有一个内置保险丝可以防止过度充电。 然而,这通常会使电池不可逆转地无法工作。

电池充电、过充如何避免?

对电池充电的决定取决于使用环境和放电程度。 作为所有化学物质的一般规则,电池不应低于 80% DOD,以最大限度地延长其使用寿命。 这意味着应从测量点到其日常运行结束计算电池的最终 SOC。 例如,如果操作开始时 SOC 为 40%,并且在操作结束时将使用其容量的 70%,则应在允许电池继续之前对电池进行充电。

要做出此决定,必须确定电池的剩余容量或剩余运行时间。 这并不简单,因为电池容量由放电率决定。 放电率越高,可用的容量就越少。 铅酸电池很容易受到这种影响,如图 8 所示。

基于锂离子和镍镉的电池在较高的放电率下确实具有降低的容量,但它们不如铅酸明显。 无花果。 图 9 显示了 3 种不同放电率对 NiMH 电池可用容量的影响。 在这种情况下,0.2C(5 小时费率)、1C(1 小时费率)和 2C(1/2 小时费率)。

在所有情况下,电压曲线都保持非常平坦,但处于降低的水平,直到放电期结束时电压突然崩溃。

图 7。 放电倍率对铅酸蓄电池端电压和容量的影响
图 7。 放电倍率对铅酸蓄电池端电压和容量的影响
电池充电 - 图 8。 镍氢电池运行时间和电压随放电率的变化
图 8。 镍氢电池运行时间和电压随放电率的变化

电池充电 - 计算电池充电和放电时间

电池充放电次数的计算
要确定处于特定充电状态的任何电池的放电时间,必须知道特定放电率下的电流消耗和电池容量。 使用每种电池化学的经验法则可以粗略地计算出运行时间。

了解特定放电速率下的有效容量将能够按如下方式预测运行时间:

电池的标准容量(安培小时)= C
放电电流(安培)= D
放电系数 = D/C = N
放电率(安培)= NC
放电率 D 时的容量(安培小时)= CN
充满电的电池的放电时间(小时)= CN / D
使用充电状态的估计百分比,可以计算运行时间:
运行时间 = % 充电状态 x CN /(100xD) = 小时

充电时间的计算很复杂,因为它取决于电池的充电状态、电池类型、充电器的输出和充电器类型。 有必要了解电池的充电状态,以确定需要放入电池进行充电的安培小时数。 发生这种情况的速度取决于充电器的额定值及其充电方式。 很明显,如果充电器有足够的输出,锂离子电池可以在几个小时内从完全没电状态充电。

由于电压限制和充气阶段的电流降低,具有充电器输出限制的密封铅酸电池将需要更长的时间。 确定充电状态后,您可以计算需要将多少安培小时重新装入电池。 了解充电器特性将有助于根据充电速率进行时间计算,同时牢记所使用的充电模式。

另一个因素是环境温度(天气条件),它会影响充电电压和充电器消耗的电流。 较高的温度会降低充电电压,但也会增加消耗的电流。 对于浮充的电池,需要根据温度进行电压补偿。 当温度与标准 25°C 相差很大时,Microtex 可以提供所需的调整建议。

关于电池充电的最后一句话!

正确的电池充电并了解其充电状态并非易事。 购买电池时通常没有从供应商处获得建议或提供后备服务。 这就是为什么从将客户满意度放在首位的信誉良好的供应商处购买很重要的原因。 如需有关任何电池充电维护或安装的建议,最好的做法是联系值得信赖的专业供应商。

与往常一样,Microtex 是一家历史悠久的国际电池制造商,拥有完美的客户满意度记录,随时为您提供帮助。 他们是少数拥有为几乎所有工业和消费应用供应和维修电池的知识和产品的公司之一。 如果您的电池充电让您的电池电量下降,请联系不会充电的人。
对于所有电池充电,请与 Microtex 联系。

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