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        電動(dòng)車蓄電池充電制度的研究

        2021-09-01 14:26:26苑景春陳加成韓振丁平陳冬
        蓄電池 2021年4期
        關(guān)鍵詞:制度

        苑景春,陳加成,韓振,丁平,陳冬

        (浙江南都電源動(dòng)力股份有限公司,杭州 浙江 310000)

        0 引言

        電動(dòng)自行車的循環(huán)使用動(dòng)力來源于充電器對(duì)蓄電池電能的再充恢復(fù),因此充電器的好壞在很大程度上決定了蓄電池的使用壽命[1]。目前,最為常見的動(dòng)力電池充電器為三段式充電器,在充電初期采用恒流方式,當(dāng)電池組電壓達(dá)到設(shè)定電壓后轉(zhuǎn)為恒壓限流充電,當(dāng)充電電流降低到一定值后采用降低電壓的充電方式(即浮充電或涓流充電)。這種類充電器控制要求低,技術(shù)簡(jiǎn)單,但是存在以下問題:① 充電時(shí)間長(zhǎng),充電效率低;② 充電電壓高,充電過程中電池極化較大,產(chǎn)熱大,高溫時(shí)容易出現(xiàn)“熱失控”現(xiàn)象;③ 高充電電壓導(dǎo)致電池失水嚴(yán)重[2],影響電池循環(huán)壽命。

        實(shí)現(xiàn)自行車動(dòng)力鉛酸電池快速充電是未來動(dòng)力電池發(fā)展方向。普通的快充技術(shù)通常是在現(xiàn)有三段式充電的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)單地增大第一段充電電流,縮短第三階段的涓流來實(shí)現(xiàn)電池快速充電。雖然這種快充技術(shù)縮短了充電時(shí)間,提升了充電效率,但是大電流導(dǎo)致電池極化增大,且第二階段高電壓恒壓階段時(shí)間延長(zhǎng),導(dǎo)致電池產(chǎn)熱量和失水量增加,會(huì)嚴(yán)重影響電池的使用壽命。

        本文中,筆者提出了一種新型的多段式快速充電制度,可有效地解決電池快充導(dǎo)致的熱量增大和失水量增加的問題。

        1 試驗(yàn)方法

        選取 3 組 12 V 20 Ah 電池(5 只串聯(lián)),分別用表 1 所示的普通三段式充電制度、普通快充式充電制度和多段式快速充電制度進(jìn)行充電,得到如圖 1 所示充電曲線。充電過程中采用紅外攝像儀器(FlukeTi400+)記錄電池的表面溫度。滿充電后,靜置 1 h,以 10 A 電流放電至 42 V(單只電池1.75 V)。按上述方法進(jìn)行充放電循環(huán)測(cè)試。循環(huán)結(jié)束后,對(duì)電池進(jìn)行稱重,然后采用失重法計(jì)算電池失水量。

        表1 充電制度參數(shù)設(shè)置

        圖1 充電電壓曲線

        2 結(jié)果與討論

        2.1 充放電性能

        充放電性能是電池的關(guān)鍵性能。合適的充放比對(duì)電池的放電和充電維護(hù)很重要,圖 2 是三種充電制度充電量曲線??梢钥闯觯合啾戎?,采用多段式充電制度充入的電量較少,充電時(shí)間適中;采用常規(guī)慢充制度充電量較高,充電時(shí)間最長(zhǎng);采用常規(guī)快充制度的充電量最高,充電時(shí)間較短。圖 3 是三種充電制度的放電量曲線??梢姡捎贸R?guī)快充制度時(shí)放電量最大,用多段式快充制度時(shí)次之,而用常規(guī)慢充制度時(shí)放電量最小。三種充電制度的充放電參數(shù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表 2。根據(jù)充放電量計(jì)算的充放比可知,最大的是采用常規(guī)慢充制度時(shí)的充放比 1.084,其次是采用常規(guī)快充制度時(shí)的充放比 1.064,最小的是采用多段式快充制度時(shí)的充放比 1.048。一般,對(duì)于前期至中期使用的電池,合適的充放比在 1.05 以下。充放比過高表示充入的電量多,而放出的電量少。多余的電量會(huì)轉(zhuǎn)化成電池內(nèi)阻能量的消耗,造成熱量累積,失水,鉛膏脫落,板柵腐蝕等問題。因此,多段式快充制度下充放比是合適的,可保證電池在充足電的同時(shí)又不至于過早產(chǎn)生上述問題。

        表2 三種充電制度實(shí)際充電情況

        圖2 電池充電容量曲線

        圖3 電池放電量曲線

        2.2 充電過程中產(chǎn)熱效應(yīng)

        快充時(shí)電流比較大,所以化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量較大。釋放的大量反應(yīng)熱來不及擴(kuò)散,積聚在電池內(nèi)部。玻璃絲棉隔板是良好的隔熱材料,能夠儲(chǔ)存大量熱量,使電池內(nèi)部溫度迅速上升[3]。常規(guī)快充制度下,一開始用大電流充電,直到較高的恒壓階段后,電流才逐漸減小,所以在大電流充電階段所需時(shí)間較長(zhǎng),熱量積聚較多。為了避免這一點(diǎn),根據(jù)熱量計(jì)算,多段式充電方式可以控制溫升在一定的范圍內(nèi)。根據(jù)電池組成材料的重量和熱容,算出總熱容 C。單位時(shí)間內(nèi)體系熱效應(yīng)為 Q,絕熱條件下電池溫度升高 1 K 所需時(shí)間 t =C/Q,所以溫度升高 T 可算出總時(shí)間 t總。在體系絕熱的條件下,恒流過后,進(jìn)入恒壓階段,電流逐漸降低,放熱減少,但根據(jù)文獻(xiàn)[4],在恒壓充電條件下,溫度每升高 10 ℃,浮充電流會(huì)加倍[5],而且環(huán)境溫度越高對(duì)散熱越不利,所以最好控制溫度在室溫25 ℃ 基礎(chǔ)上最高增加 10 ℃,即 35 ℃ ± 1 ℃ 以內(nèi)。

        第二是可逆反應(yīng)熱和歐姆電阻產(chǎn)生的焦耳熱。與焦耳熱相比,可逆反應(yīng)熱比較小,所以可不予考慮。根據(jù)公式 Q = I2Rt 可知,電流越大,熱量越多。電池的充電過程是一個(gè)電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程。輸入的電能大部分轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,使正負(fù)極充電,而另一部分直接或間接轉(zhuǎn)化為熱能,使電池溫度升高。因此,在電流一定的情況下,控制充電時(shí)間也非常關(guān)鍵。多段式充電制度在幾段恒流充電階段都進(jìn)行了時(shí)間控制,避免出現(xiàn)熱量過渡累積使電池溫升過高的情況。由圖 4 和圖 5 可以看到,兩種快充制度下電池的充電發(fā)熱情況(因?yàn)槌R?guī)慢充時(shí)電池溫升較小,所以不作對(duì)比)。

        圖4 充電熱成像圖

        圖5 電壓與電池溫升曲線

        另外,根據(jù)電池的充電接受能力隨充電時(shí)間的變長(zhǎng)而減小的關(guān)系,多段式快充第二段與第三段的恒電流繼續(xù)降低至 15 A 和 6 A,恒壓階段電流繼續(xù)下降至 1.2 A 左右,最后轉(zhuǎn)為每 10 次循環(huán)后以 0.2 A浮充 120 min。這樣既保證了電池溫升被控制在合理的范圍內(nèi),又保證了電池的充電量不至于過多或不足。

        2.3 循環(huán)性能及失水量對(duì)比

        除了熱量外,蓄電池的充電還要考慮析氣和循環(huán)失水情況。蓄電池充電時(shí)大量析氣,早期失水造成電解液密度過高和電池溫度過高都會(huì)影響蓄電池的使用壽命[6]。為了研究常規(guī)快、慢充和多段式快電對(duì)鉛酸蓄電池壽命的影響,把前面 3 組電池(各5 只裝)分別按照這三種方式進(jìn)行循環(huán)充放電。圖6 為三種充電方式對(duì)應(yīng)的電池循環(huán)壽命曲線。采用常規(guī)慢充和常規(guī)快充制度時(shí),電池分別循環(huán) 321 次和 270 次就到達(dá)了標(biāo)準(zhǔn)要求的 80 % C2容量以下,而采用多段式快充制度時(shí),電池循環(huán)達(dá) 517 次才到達(dá)終止要求。

        圖6 常規(guī)慢充,常規(guī)快充和多階段快充循環(huán)壽命

        通過對(duì)電池循環(huán)前后精確稱重,計(jì)算失水量,得到表 3 所示數(shù)據(jù)。采用常規(guī)慢充制度時(shí)電池平均每次失水 0.0186 g/Ah,采用常規(guī)快充制度時(shí)電池平均每次失水 0.0296 g/Ah,而采用多段式快充制度時(shí)電池平均每次失水為 0.0059 g/Ah??梢钥闯?,采用常規(guī)快充制度時(shí)失水較多。由于電池接受能力是與充電電流成反比關(guān)系的,根據(jù)充電接受能力與析氣的關(guān)系可知,充電接受能力減小導(dǎo)致析氣量增加。常規(guī)快充制度要求在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持大電流充電,使電池溫升較大,從而導(dǎo)致電池析氣嚴(yán)重,失水較多。慢充時(shí)間過長(zhǎng),充電量較多,也導(dǎo)致失水不少。多段式快充需要時(shí)間較短,充電時(shí)電池溫度也不高,因此失水較少。

        表3 電池失水情況

        隨著充電電流的增大,鉛酸蓄電池會(huì)出現(xiàn)析氣反應(yīng)。電流越大,鉛酸蓄電池的析氣反應(yīng)越嚴(yán)重。因此,必須在鉛酸蓄電池發(fā)生大量析氣反應(yīng)之前,對(duì)其進(jìn)行快速充電。析出的氣體來源于副反應(yīng)電解水,由正極產(chǎn)生的氧氣(大部分氧氣會(huì)發(fā)生復(fù)合反應(yīng))和負(fù)極產(chǎn)生的氫氣組成。雖然電解水所需要的理論最小電壓為 1.23 V,但由于過電勢(shì)的因素,實(shí)際需要的電壓是遠(yuǎn)大于這個(gè)值的。一般來說,電壓上升到 2.4 V/單格左右以后氣體就開始大量析出。所以,為了在電池盡可能充足電之前避免發(fā)生大量析氣,控制前兩段的充電電壓均在 2.4 V 以下,即第一段充至 13.5 V/只(2.25 V/單格),第二段充至14.1 V/只(2.35 V/單格),此時(shí)已經(jīng)充進(jìn)去了 80 % 以上的電量,實(shí)現(xiàn)了前述的鉛酸蓄電池發(fā)生大量析氣反應(yīng)之前,對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行快速充電。受到總極化(電化學(xué)極化、濃差極化和歐姆極化)的影響,同時(shí)為了保證充足電,適當(dāng)調(diào)高了第三段的充電電壓,使最高充電電壓在 14.7 V/只(2.45 V/單格)左右。不過此時(shí)的充電電流已經(jīng)很小,根據(jù)馬斯定律中充電接受能力與時(shí)間的關(guān)系,后期蓄電池充電的可接受電流下僅有微量的氣體出現(xiàn),不會(huì)產(chǎn)生較多氣體。

        電池溫升較高,電池失水較多,這些都會(huì)提前導(dǎo)致電池中電解液干涸,板柵與活性物質(zhì)結(jié)合變差等后果,從而使電池的壽命變短。因此,從以上結(jié)果分析可以看出三種充電制度對(duì)電池壽命影響的差異。

        3 結(jié)論

        通過三種充電制度的對(duì)比分析,可以看出多段式快充的優(yōu)勢(shì)在于:①充電快,充電效率較高,對(duì)電池的溫升影響較??;②析氣量少,對(duì)電池的失水影響較小。因此,該充電制度能較好地適用于電動(dòng)車蓄電池,尤其適用于對(duì)充電時(shí)間要求短,對(duì)壽命要求高的物流快遞、送餐等行業(yè)用電動(dòng)車蓄電池。

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