電池充電
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電池充電,正確的方式!

電池是一種電化學裝置,它將能量存儲在化學鍵合結構中,並以電子的形式釋放由電池的化學放電反應產生的能量。 電池充電提供電子來重整存儲在電池活性材料中的化學鍵。 這是所有化學物質的真實電池充電,包括本博客中提到的那些:鉛酸,鎳氫化物,鎳鎘和鋰離子變體。 在這篇博客中,我們將討論12伏電池的最佳充電程式。
作為一般規則,有三種主要類型的充電:
• 恒壓
• 恆流
• 恆定功率(錐度充電)

所有充電配置檔和所有充電設備都使用這些基本方法的變體,通常是組合使用。
電池充電速率取決於每秒流入電池的電子數(電流)。 像光一樣的電流速度是固定的,因此為了增加充電速率,必須增加電流密度或每秒流動的安培數。 如果將電子推入AM的力增加,即電壓,則電子的流動增加。 更高的伏特 = 更多的安培。

不同電池類型的電壓和內阻取決於它們的化學性質,充電電壓也會相應地變化。 在這篇博客中,我們將考慮鉛酸電池,鋰離子電池,鎳鎘電池和鎳氫電池的化學成分。

從鉛酸開始,我們可以描述儲存和放電電子的化學反應,被描述為”雙硫酸鹽理論”

  • PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O

在這種反應中,電解質,稀硫酸,在放電過程中與正極和負極板反應時轉化為水。 負極板被氧化,因為它放棄電子形成硫酸鉛,正極從氧化鉛還原為硫酸鉛,因為它接受電子將二氧化鉛轉化為硫酸鉛。 在此期間,水的產生導致酸性電解質的稀釋和板之間電位差的降低。 這會產生較低的電解質SG和較低的電池電壓。 在電池充電時,這種情況會反轉。 因此,電池電壓和電解質SG這兩個參數是鉛酸電池充電狀態的測量值。

12伏鉛酸電池充電需要的電壓高於電池充滿電時的剩餘電壓,對於新的淹沒電池,通常在12.60到12:84之間,對於新的VRLA電池,通常在12:84到13.08之間。 鉛酸電池有四種基本變體:平板淹沒,管狀淹沒和VRLA版本,即AGM(平板)和GEL(主要是管狀)。 電池類型、其應用和相關充電方法如表1所示。

電池類型 正常電池充電方式
一種鉛酸電池平板充水式充電方法 恆流錐度充電
恆流/恒壓錐度充電
恒壓錐度充電
一種鉛酸電池管板充填方法 恆流錐度充電
恆流/恒壓錐度充電
恒壓錐度充電
一種鉛酸閥控式密封鉛酸蓄電池(AGM SMF)的充電方法 恆流/恒壓充電
恒壓充電
恆流/恒壓脈衝充電
一種鉛酸管狀凝膠閥控式密封鉛酸蓄電池充電方法 恆流/恒壓充電
恒壓充電
恆流/恒壓脈衝充電
一種鎳鎘電池的充電方法 恆流緩慢,定時器無控制
具有 dT/dT 截止功能的恆流
-dV/dT 截止時的恆流
一種鋰離子電池充電方法 具有最終電流截止的恆流
帶電壓截止的恆流
恆定電壓,最終電流截止

表1 – 不同電池類型及不同類型電池化學成分的相關電池充電方法

  • CC = 恒流
  • CV = 恒壓
  • dT/dt = 溫度斜率
  • -dV/dt – 負電壓斜率

所列的充電方式說明如下:

  • 恆流充電
    在這種類型的充電中,電壓隨著電池充電的完成而上升。 電流被限制在將電池電壓和溫度保持在較低水準的值。 通常,有一個定時器來關閉充電器,以防止過度的氣體和水損失,並減少正電網腐蝕圖。 1a. 這種充電方法不適用於密封或低維護淹沒的鉛酸電池。
  • 恒壓、限流錐度充電
    通過電壓限制充電,氣體排放的問題被最小化甚至根除。 在圖1b中,我們看到電壓達到峰值,對於12伏電池,通常在13.38至14.70伏之間。 很明顯,一旦達到最大充電電壓,電流就會迅速下降。 這種類型的充電通常需要很長時間,因為後期充電階段的電流水準很低。 它通常用於充電週期較長的 UPS 或備用電源。
  • 錐度電荷
    這是充電器最簡單的形式,通常基於變壓器,可提供恆定的功率輸出,即瓦特。 電流隨著電壓的增加而下降,從而保持電池的恆定功率輸入。 圖1c顯示了一條典型的曲線,其中電流隨著電池電壓的增加而逐漸消失。 反向電動勢也會隨著充電狀態SOC的增加而增加,這意味著由於電池無法消耗更多功率,電流將降至非常低的水準。
  • 這種類型的充電器不適用於鉛酸密封免維護電池,因為產生的氣體量取決於電池電壓。 在這種情況下,充電電壓可能高達16或17伏,這將導致嚴重的氣體析出並打開泄壓閥,隨後會失去水分。
圖1電池充電配置檔
圖1電池充電配置檔
圖 – 2 電壓限制脈衝電池充電
圖 – 2 電壓限制脈衝電池充電
  • 兩級電流和電壓限制充電
    另一個流行的充電配置檔如圖所示。 1d. 這樣,電壓在大容量相位中允許上升,直到達到充氣電壓。 然後電流下降到一個低固定水準,以降低電壓,逐漸上升到氣體水準。 通常,存在與初始批量相充電時間相關的時間截止時間。 這樣可以實現固定的充氣週期和基於電池充電狀態的固定安培小時輸入
圖3 鋰離子電池的典型電池充電演算法
圖3 鋰離子電池的典型電池充電演算法
圖4 Ni-Cad的典型電荷曲線 (a) 和鎳氫 (b) 細胞
圖4 Ni-Cad的典型電荷曲線 (a) 和鎳氫 (b) 細胞
  • 具有均衡恆流脈衝的電壓限制大容量充電。
    無花果。 圖2是表示常用脈衝充電方法。 這通常對VRLA電池的使用者有益,因為他們的電池充滿電的時間有限。 在這種方法中,存在CC和CV階段,其中施加了大部分電荷。
  • 脈衝通常是10到20秒的電流突發,帶有電壓限制,然後是長達幾分鐘的暫停。 由於電壓滯後於電流,電流持續時間有限,因此在消電之前不會達到峰值水準。 通過這種方式,氣體的演化受到限制,電流脈衝之間的暫停時間允許氣體重新組合成水,防止乾涸。

到目前為止,這些評論都是針對鉛酸電池的。 鋰離子、鎳鎘和鎳氫電池的充電需要與鉛酸電池不同的電池充電演算法。 從鋰離子電池開始,需要注意的一點是,不同的鋰離子陰極有不同的充電電壓。 鋰離子-FePO4在3處工作。 每節電池2V,而鋰電池每節電池4.3V。 這意味著您不能為這兩個電池使用相同的充電器。

但是,所有類型的鋰離子電池的一般原理都是相同的,並且與鉛酸電池完全不同。 由於在充電和放電過程中沒有化學反應,因此在充電器輸出或BMS(電池管理系統)限制的非常高的速率下傳輸速度很快。 通常,在具有電壓截止的恆流下,0.1C至1C的速率是常見的。 圖3顯示了鋰離子電池的典型充電曲線。 當最小電流達到1C安培值的2-3%左右時,充電期也可以結束。

NiMH和NiCd也具有不同的充電模式和對充電的非常不同的回應,無論是對其他化學物質還是對彼此。 圖4顯示了兩種Ni-Cad的典型充電模式 (a) 和鎳氫 (二) 雖然兩種鎳變體具有相同的靜止和工作電壓,但充電電壓可能會有很大差異。 兩種類型的充電器都不能依賴電壓作為充電終止機制。 因此,充電器只需使用一級或兩級恆流充電器,其端接基於時間,電壓斜率和斜率的溫度變化。 對充電特性的檢查表明,當充電達到100%完成時,溫度升高和同時電壓回應下降。

這些特性用於確定充電結束。 由於絕對電壓隨溫度而變化,並且對於兩種類型的電池都是不同的。 負電壓斜率(-dV/dt)的開始或溫度斜率的快速增加(dT/dt)是最常用的特性。 如果使用定時方法,則電流應非常低,以防止過充電和氧氣損失。 在某些情況下,特別是對於電池或電池失去平衡的情況,最好在使用定時器方法充電之前將每節電池放電至0.9-1.0伏。

電池充電器如何工作?

所有充電器都吸收交流電(AC)電網電源並將其轉換為直流電。 在此過程中,會有一些交流紋波需要保持在3%以下。 市場上的一些電池充電器具有過濾紋波的功能,否則會在充電過程中損壞電池。 在任何情況下,最好使用3相電源,因為單相電流具有10%的紋波。

所有充電器都吸收交流電(AC)電網電源並將其轉換為直流電。 在此過程中,會有一些交流紋波需要保持在3%以下。 市場上的一些電池充電器具有過濾紋波的功能,否則會在充電過程中損壞電池。 在任何情況下,最好使用3相電源,因為單相電流具有10%的紋波。

恒壓充電器

恆定電壓允許電池充電器的全部電流流入電池,直到電源達到其預設電壓。 一旦達到該電壓水準,電流將逐漸減小到最小值。 電池可以一直連接到電池充電器,直到準備使用,並保持在該”浮動電壓”,涓流充電以補償正常的電池自放電。

恒壓 恆流

恒壓/恆流(CVCC)是上述兩種方法的組合。 充電器將電流量限制在預設水準,直到電池達到預設電壓水準。 然後,當電池充滿電時,電流會降低。 鉛酸蓄電池採用恆流恒壓(CC/CV)充電方式。 穩壓電流提高端電壓,直到達到充電電壓上限,此時電流由於飽和而下降。

不同類型的電池充電器

現有的電池充電技術依靠微處理器(計算機晶元)進行充電,使用3個步驟的調節充電。 這些是「智慧充電器」。。 這些都是現成的。 鉛酸電池充電的三個步驟是轉換的主要電流輸入,並在連續週期內浮動充電。 定期 均衡充電 以保持均勻性是必要的。 使用電池製造商關於充電程式和電壓的建議,或使用高品質的微處理器控制的充電器,以保持電池容量和使用壽命。
“智慧充電器”的輪廓考慮了當代充電技術,並且還從電池中獲取資訊,以最小的觀察提供最大的充電效益。

閥控式密封鉛酸 (VRLA) – 凝膠電池和 AGM 電池需要不同的電壓設置。 這是為了避免充氣和乾燥。 閥控式鉛酸 (VRLA) 電池中的氧復合過程需要較低的電壓設置,以避免析氫和電池乾涸。
凝膠電池的最大充電電壓為14.1或14.4伏,低於濕電池或AGM VRLA型電池完全充電所需的電壓。 在凝膠電池中超過此電壓會導致電解質凝膠中出現氣泡並造成永久性損壞。

電池充電器的額定電流建議將充電器的大小調整為電池容量的25%的最大電流。 一些電池指定10%的容量使用較低的電流更安全,儘管需要更長的時間。

恆流-恒壓(CCCV)充電法是一個不錯的選擇。 恆流增加終端電壓,直到達到充電電壓上限,此時電流由於飽和而下降。 大型固定電池的充電時間為12–16小時或更長時間(36小時)。 鉛酸電池速度較慢,充電速度不能像其他電池系統那樣快。 使用CCCV方法,鉛酸電池分三個步驟充電,[1]恆流充電,[2]恆壓和[3]浮充完成充電。

恆流充電應用大部分充電,約佔所需充電時間的一半;頂充繼續以較低的充電電流提供飽和,連續浮充補償自放電造成的損耗。 在恆流充電期間,電池在5-8小時內充電至約70%;剩下的30%充滿了持續7-10小時的恆定電壓。 第三步中的浮充使電池保持充滿電。

電池充電,12V電池會過充電嗎?

在所有這些化學品中,過度充電都會造成損壞或安全風險。 在鉛酸電池的情況下,過充電電壓受到限制,多餘的電流在水,氫氣和氧氣的分解以及熱量的產生中消散。 增加電流不會增加電壓,它會增加氣體和水的損失率並導致溫度升高。 一些過充電是可以容忍的,特別是當需要電池或電池均衡時。

對於鋰離子電池,由於電池中集成了BMS,因此很難過度充電。 一旦達到終止電壓或溫度變得過高,這將切斷電流供應。 這是一個必要的預防措施,因為鋰離子電池含有揮發性電解質,該電解質將在較高溫度下釋放。 來自電解質的蒸汽在鋰離子電池中著火,使過充電非常危險。 鎳鎘和鎳氫電池不應過度充電,因為它們會失去氧氣,從而失去電解質,即使它們是密封的版本。

電池的SOC有幾個指標:在其端子處測量的剩餘電壓,電解質的比重(淹沒的開路電池)或阻抗值。 它們對於每種電池的化學性質都是不同的,因此,最好分別查看每種類型:
1.鉛酸。
比重。
板與硫酸在充電和放電時的反應決定了電池中酸與水的比例。

當充電時,硫酸的濃度很高,當放電時較低(等式1)。 由於酸的密度為1.84,水的密度為比重的1,因此電解質的SG在充電時增加,在放電時降低。
該反應具有一階關係,這意味著濃度的變化是線性的,因此SG的測量直接指示了電池的SOC,圖。 5.

圖5 12 V鉛酸蓄電池的電壓和SG與SOC的變化
圖5 12 V鉛酸蓄電池的電壓和SG與SOC的變化
圖6 正確獲取比重計讀數的方法
圖6 正確獲取比重計讀數的方法

需要注意的一點是:當電池充電正在進行中以及處於批量或預充氣階段時,這不適用。 如果不攪拌電解質,電荷時產生的緻密酸將下沉,使大部分電解質更加稀釋,直到達到每節電池2.4伏的電壓。 從這一點開始,在板塊上釋放的氣體將產生攪拌作用以混合酸。

靜止電壓:這可以是SOC的指示,並且與電池的比重關係如下:

  • 靜止伏特 = SG + 0.84

例如,比重為1.230的2V電池的靜止電壓為1.230 + 0.84 = 2.07伏

使用這種關係可以合理準確地指示電池SOC,但是,不同的電池對SG具有不同的工作範圍,因此與頂部SG為1.28的OPzS相比,VRLA SG的頂部充電條件可能是1.32。 溫度也會影響SG,從而影響電池電壓。 溫度對開路電壓的影響見表2。

另一個因素是,由於在充電時形成硫酸,新充電的電池在板旁邊具有高濃度的酸。 這就是為什麼充電后的電壓在一段時間內保持高電平的原因,在穩定在一致的值之前,可能長達48小時。 除非對電池進行短暫的放電,否則它必須休息以允許酸濃度的均衡,然後再進行電壓讀數。

SOC 測量所需的工具
它們包括用於電壓測量的直流電壓表或萬用表以及用於比重讀數的液體比重計。
對於被淹沒的電池,除了放電測試之外,液體比重計是確定充電狀態的最佳方法。 使用比重計確實需要一些練習,應該非常小心。 該過程是將電池放置在合適的位置,以便可以在視線水準處獲取液體比重計的讀數(上圖6)。

對於密封電池,不能使用比重計,因此測量剩餘伏特是唯一的選擇。 該方法適用於密封和淹沒式鉛酸蓄電池。
為此,萬用表應設置在適當的最大電壓,以確保其能夠讀取超過12伏的電壓,但也產生至少2個小數位的精度。 使用均衡器 2、電壓可在溫度調整後使用,以估計SG,從而估計電池的SOC,前提是製造商對充滿電的電池的SG值是已知的。

在使用電壓或液體比重計測量荷電狀態SOC的兩種情況下,都需要應用溫度補償。 BCI提供的表2給出了比重計和電壓表讀數的適當調整。

表2電解液比重和電壓讀數隨溫度變化的補償

電解質溫度華氏度(°F) 電解液溫度攝氏度(°C) 對比重計的 SG 讀數進行加減 對數位電壓表的讀數進行加減
160° 71.1° +.032 +.192 V
150° 65.6° +.028 +.168 V
140° 60.0° +.024 +.144 V
130° 54.4° +.020 +.120 V
120° 48.9° +.016 +.096 V
110° 43.3° +.012 +.072 V
100° 37.8° +.008 +.048 V
90° 32.2° +.004 +.024 V
80° 26.7° 0 0 V
70° 21.1° -.004 -.024 V
60° 15.6° -.008 -.048 V
50° 10° -.012 -.072 V
40° 4.4° -.016 -.096 V
30° -1.1° -.020 -.120 V
20° -6.7° -.024 -.144 V
10° -12.2° -.028 -.168 V
-17.6° -.032 -.192 V

2. 鋰離子、鎳氫和鎳鎘。
對於所有這些化學品,SOC測量都面臨著嚴峻的挑戰。 它們都具有非常平坦的放電曲線,完全充電和放電狀態之間的電壓差非常小。 鎳鎘和鎳氫電池內的充放電反應不會明顯改變電解質的SG,並且所有鋰離子化學都與完全密封的電池一起工作。 這使得對使用中的電池進行靜態或隨機抽查幾乎是不可能的,當然對於非專業用戶來說也是如此。 這些化學品的當前最先進的電荷狀態SOC測量基於其操作過程中的動態讀數。

它們可以基於安培小時計數、對放電電流甚至恆流脈衝的電壓回應。 測量設備通常內置於昂貴或複雜的設備中,例如電動汽車或工業機器,在這些設備中,有必要知道可用的運行時間。 在不太複雜的設備(如手動電動工具)中,注意到工具停止或運行速度較慢是唯一可用的指示。

市售阻抗譜儀測試儀可測量電池的內部阻抗以預測其充電狀態。 這些設備依賴於基於測試數百個處於不同充電狀態和不同年齡的電池的演算法來預測SOC。 結果特定於特定電池的化學性質和年齡。 為使演算法完成的測試越多,演算法就越準確。

電池充電時,電池會過充電嗎?

但是,您決定測量充電狀態,有適用於所有類型電池的規則。 這些是為了防止電池的過放電,這可能導致單個電池通過導致它們進入反向甚至負電壓而損壞。 過度充電不太明確,因為在鉛酸的情況下,有時需要這樣做來平衡電池或銀行中的單個電池。 然而,過度充電會導致氣體,失水和正極板的腐蝕,這都會縮短電池壽命。

對於鎳基電池來說 ,水的損失是最常見的問題,再次導致使用壽命的縮短。 在鋰化學的情況下,由於集成的BMS在預設電壓下自動切斷電流輸入,因此通常不可能過充電。 在某些設計中,有一個內置保險絲,可防止過度充電。 但是,這通常會使電池不可逆地無法運行。

電池充電,過度充電如何避免呢?

電池充電的決定取決於使用環境和放電程度。 作為所有化學品的一般規則,電池不應低於80%的DOD,以最大限度地延長其使用壽命。 這意味著電池的最終SOC應從測量點計算到其日常運行結束。 例如,如果SOC在操作開始時為40%,並且在操作結束時將使用其容量的70%,則在允許電池繼續之前,應先對電池進行充電。

要做出此決定,必須確定電池中剩餘的容量或運行時間。 這並不簡單,因為電池容量由放電速率決定。 放電率越高,可用容量越小。 鉛酸電池非常容易受到這種情況的影響,如圖8所示。

鋰離子和鎳鎘電池在較高放電率下確實具有降低的容量,但它們並不像鉛酸那樣明顯。 無花果。 圖9示出了3種不同放電速率對鎳氫電池可用容量的影響。 在這種情況下,0.2C(5小時費率),1C(1小時費率)和2C(1/2小時費率)。

在所有情況下,電壓曲線都保持非常平坦,但水準會降低,直到放電期結束時電壓突然崩潰。

圖 7. 放電率對鉛酸蓄電池端電壓和容量的影響
圖 7. 放電率對鉛酸蓄電池端電壓和容量的影響
電池充電 - 圖8。 鎳氫電池的運行時間和電壓隨放電速率的變化
圖 8. 鎳氫電池的運行時間和電壓隨放電速率的變化

電池充電 - 計算電池充電和放電時間

計算電池充電和放電時間
要確定處於特定充電狀態的任何電池的放電時間,必須知道特定放電速率下的電流和電池容量。 工作時間可以通過使用每種電池化學的經驗法則來粗略計算。

瞭解特定放電速率下的有效容量將使運行時間預測如下:

電池標準容量(安培小時)= C
放電電流(安培) = D
放電係數 = D/C = N
放電率(安培) = NC
放電速率下的容量 D(安培小時)= CN
充滿電的電池的放電時間(小時)= CN /D
使用充電狀態的估計百分比,可以計算運行時間:
運行時間 = 充電狀態百分比 x CN /(100xD) = 小時

充電時間的計算很複雜,因為它取決於電池的充電狀態,電池類型,充電器的輸出和充電器類型。 有必要知道電池的充電狀態,以確定需要放入電池中充電的安培小時。 發生這種情況的速率取決於充電器額定值及其充電方式。 顯然,如果充電器有足夠的輸出,鋰離子電池可以在幾個小時內從完全平坦的狀態充電。

由於電壓限制和氣相電流降低,對充電器輸出有限制的密封鉛酸電池將花費更長的時間。 確定充電狀態后,您可以計算出需要多少安培小時才能放回電池中。 了解充電器特性將有助於根據充電速率進行時間計算,同時牢記所使用的充電模式。

另一個因素是環境溫度(天氣條件),它會影響充電電壓和充電器消耗的電流。 較高的溫度會降低充電電壓,但也會增加消耗的電流。 對於浮充電池,需要應用溫度電壓補償。 Microtex 可以在溫度與標準 25°C 相差很大的情況下提供所需的調整建議。

關於電池充電的最後一句話!

正確的電池充電並瞭解其充電狀態並不簡單。 通常,購買電池時沒有供應商的建議或備用服務。 這就是為什麼從信譽良好的供應商那裡購買將客戶滿意度放在首位的原因。 有關任何電池充電維護或安裝的建議,最好的做法是聯繫專業值得信賴的供應商。

一如既往,Microtex,一家歷史悠久的國際電池製造商,擁有完美的客戶滿意度記錄,隨時為您提供説明。 他們是為數不多的幾家擁有為幾乎所有工業和消費類應用提供電池供應和服務的知識和產品的公司之一。 如果電池充電導致電池電量不足,請聯繫不會降低電池電量的人員。
對於所有電池充電,請
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