Kiến thức về bộ sạc và ắc quy xe điện

Phân loại bộ sạc:

Bộ sạc có thể được phân thành hai loại chính dựa trên việc chúng có kết hợp với máy biến áp tần số nguồn điện lưới (50Hz) hay không. Bộ sạc ba bánh chở hàng thường sử dụng máy biến áp có tần số nguồn điện, dẫn đến bộ sạc lớn hơn, nặng hơn, tiêu thụ nhiều điện năng hơn nhưng vẫn mang lại độ tin cậy và giá cả phải chăng. Ngược lại, xe đạp điện và xe máy sử dụng cái gọi là bộ sạc cung cấp điện ở chế độ chuyển mạch, tiết kiệm năng lượng và tiết kiệm chi phí hơn nhưng dễ bị hỏng hóc.
Quy trình đúng đối với bộ sạc chuyển đổi chế độ là: trong khi sạc, hãy kết nối pin trước, sau đó là nguồn điện lưới; sau khi sạc đầy, hãy ngắt kết nối nguồn điện trước khi tháo phích cắm pin. Rút phích cắm pin trong khi sạc, đặc biệt khi dòng sạc cao (được báo bằng đèn đỏ), có thể làm hỏng bộ sạc nghiêm trọng.
Các bộ sạc ở chế độ chuyển mạch thông thường còn được chia thành loại nửa cầu và loại xung đơn. Bộ sạc xung đơn được phân loại thành thiết kế tiến hoặc lùi. Thiết kế nửa cầu tuy có giá thành cao hơn nhưng mang lại hiệu suất vượt trội và thường được sử dụng trong các bộ sạc có xung âm. Loại Flyback tiết kiệm hơn nên chiếm thị phần đáng kể.

Về bộ sạc xung âm
Pin axit chì có lịch sử kéo dài hơn một thế kỷ. Ban đầu, thông lệ toàn cầu phần lớn tuân thủ các quan điểm và quy trình vận hành truyền thống: sạc và xả ở tốc độ 0,1C (trong đó C biểu thị dung lượng pin) được cho là sẽ kéo dài tuổi thọ. Để giải quyết những thách thức về sạc nhanh, ông Max của Hoa Kỳ đã công bố kết quả nghiên cứu của mình trên toàn cầu vào năm 1967. Nghiên cứu này liên quan đến việc sạc với dòng xung vượt quá tốc độ 1C, xen kẽ với các khoảng thời gian phóng điện trong thời gian tạm dừng sạc. Quá trình phóng điện tạo điều kiện thuận lợi cho việc giảm phân cực, giảm nhiệt độ chất điện phân và tăng cường khả năng chấp nhận điện tích của tấm.
Khoảng năm 1969, các nhà khoa học Trung Quốc đã phát triển thành công nhiều nhãn hiệu sạc nhanh dựa trên ba nguyên tắc của ông Max. Chu kỳ sạc diễn ra như sau: sạc xung dòng điện cao → ngắt mạch sạc → xả pin ngắn → tạm dừng xả → thiết lập lại mạch sạc → sạc xung dòng cao...
Khoảng năm 2000, nguyên tắc này đã được áp dụng cho bộ sạc xe điện. Trong quá trình sạc, mạch vẫn không bị gián đoạn, sử dụng đoản mạch điện trở thấp để xả pin trong giây lát. Vì mạch sạc vẫn hoạt động trong thời gian ngắn mạch nên một cuộn cảm được mắc nối tiếp bên trong nó. Thông thường, hiện tượng đoản mạch kéo dài 3–5 mili giây trong vòng một giây (1 giây = 1000 mili giây). Vì dòng điện trong cuộn cảm không thể thay đổi đột ngột nên thời gian ngắn mạch sẽ bảo vệ phần chuyển đổi nguồn của bộ sạc. Nếu hướng dòng điện sạc được gọi là dương thì dòng phóng điện tự nhiên sẽ trở thành âm. Do đó, ngành công nghiệp xe điện đã đặt ra thuật ngữ 'bộ sạc xung âm', tuyên bố rằng nó có thể kéo dài tuổi thọ pin, v.v.

Về bộ sạc ba giai đoạn
Trong những năm gần đây, xe điện đã áp dụng rộng rãi cái gọi là bộ sạc ba giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên được gọi là giai đoạn dòng điện không đổi, giai đoạn thứ hai là giai đoạn điện áp không đổi và giai đoạn thứ ba là giai đoạn nhỏ giọt. Từ góc độ kỹ thuật điện tử, chúng được mô tả chính xác hơn là:
- Giai đoạn đầu: Giai đoạn giới hạn dòng sạc
- Giai đoạn 2: Giai đoạn điện áp cao không đổi
- Giai đoạn thứ ba: Giai đoạn điện áp không đổi thấp Trong quá trình chuyển đổi giữa giai đoạn thứ hai và thứ ba, các đèn báo trên bảng điều khiển thay đổi tương ứng. Hầu hết các bộ sạc đều hiển thị đèn đỏ trong giai đoạn đầu tiên và thứ hai, chuyển sang màu xanh lục trong giai đoạn thứ ba. Sự chuyển đổi giữa các giai đoạn này được xác định bởi dòng sạc: vượt quá một ngưỡng nhất định sẽ kích hoạt giai đoạn thứ nhất và thứ hai, trong khi giảm xuống dưới ngưỡng đó sẽ kích hoạt giai đoạn thứ ba. Dòng ngưỡng này được gọi là dòng chuyển tiếp hoặc dòng chuyển mạch.
Các bộ sạc ban đầu, bao gồm cả những bộ sạc được cung cấp cho các loại xe có thương hiệu, mặc dù có những thay đổi về chỉ báo, nhưng thực tế là bộ sạc có điện áp không đổi, giới hạn dòng điện chứ không phải là bộ sạc ba giai đoạn thực sự. Thông thường, chúng duy trì một giá trị điện áp ổn định duy nhất khoảng 44,2V, đủ cho pin sunfat có trọng lượng riêng cao vào thời đó.
Về ba thông số chính của bộ sạc ba giai đoạn
Thông số quan trọng đầu tiên là giá trị điện áp không đổi thấp trong pha nhỏ giọt. Thứ hai là giá trị điện áp không đổi cao trong giai đoạn thứ hai. Thứ ba là dòng chuyển tiếp. Ba thông số này bị ảnh hưởng bởi số lượng pin, dung lượng (Ah), nhiệt độ và loại pin. Để dễ tham khảo, chúng tôi sẽ minh họa cách sử dụng bộ sạc ba giai đoạn phổ biến nhất cho xe đạp điện (ba cục pin 12V 10Ah mắc nối tiếp):
Đầu tiên, giá trị điện áp không đổi thấp trong pha nhỏ giọt, với điện áp tham chiếu khoảng 42,5V. Giá trị cao hơn khiến pin bị mất nước, tăng nguy cơ quá nhiệt và biến dạng; giá trị thấp hơn cản trở việc sạc đầy. Ở các khu vực phía Nam, giá trị này phải dưới 41,5V; đối với pin gel, nó phải dưới 41,5V và vẫn thấp hơn một chút ở các khu vực phía Nam. Tham số này tương đối nghiêm ngặt và không được vượt quá giá trị tham chiếu.
Tiếp theo, hãy xem xét giá trị điện áp không đổi cao ở giai đoạn thứ hai, với điện áp tham chiếu khoảng 44,5V. Giá trị cao hơn tạo điều kiện cho việc sạc đầy nhanh chóng nhưng có thể gây mất nước cho pin, dòng điện không giảm đủ trong giai đoạn sạc sau, dẫn đến pin quá nóng và biến dạng. Giá trị thấp hơn cản trở việc sạc đầy nhanh chóng nhưng tạo điều kiện chuyển sang giai đoạn nhỏ giọt. Mặc dù không được quy định chặt chẽ như giá trị đầu tiên nhưng nó vẫn không được cao quá mức.

Cuối cùng, liên quan đến dòng điện chuyển đổi, giá trị tham chiếu là khoảng 300mA. Giá trị cao hơn có lợi cho tuổi thọ của pin bằng cách giảm biến dạng nhiệt, mặc dù nó cản trở việc sạc nhanh. Giá trị thấp hơn (đối với người bình thường) tạo điều kiện thuận lợi cho việc sạc nhưng do sạc điện áp cao kéo dài có thể gây mất nước pin, dẫn đến biến dạng nhiệt. Đặc biệt khi các tế bào riêng lẻ gặp trục trặc, nếu dòng sạc không thể giảm xuống dưới mức ngưỡng, nó có thể làm hỏng các tế bào khỏe mạnh. Phạm vi tham chiếu được chỉ định cho phép độ lệch ±50mA hoặc thậm chí ±100mA, nhưng không được giảm xuống dưới 200mA.
Hiện nay, trên thị trường có nhiều bộ sạc flyback giá rẻ có giá trị điện áp không đổi cao là 46,5V, giá trị điện áp không đổi thấp là 41,5V và dòng điện chuyển tiếp vượt quá 500mA.
Đối với bộ sạc xử lý bốn pin 12V (tổng cộng 48V), hai tham số đầu tiên được tính bằng cách chia giá trị tham chiếu điện áp nói trên cho ba và nhân với bốn. Điện áp không đổi cao xấp xỉ 59,5V và điện áp không đổi thấp xấp xỉ 56,5V.
Nếu dung lượng pin vượt quá 10Ah, thông số thứ ba (giá trị hiện tại) phải được tăng lên một cách thích hợp. Ví dụ: pin 17Ah có thể cần tới 500mA.

Cơ chế hỏng pin: cạn nước; sunfat hóa; làm mềm cực dương; và loại bỏ vật liệu hoạt động khỏi cực dương.

Phục hồi quá tải. Nếu tuổi thọ của pin không phải là mối quan tâm chính thì phương pháp phục hồi này mang lại kết quả ngay lập tức. Chu kỳ xả và sạc sâu có thể làm tăng dung lượng pin, một thực tế được công nhận trên toàn cầu. Tuy nhiên, điều này có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin. Nhiều bài đăng trên trang này chỉ tập trung vào cách sạc quá mức có thể chuyển đổi oxit chì α trên bề mặt thành oxit chì β trên tấm dương, từ đó tăng công suất. Việc sử dụng phương pháp này trong quá trình sửa chữa có nguy cơ gây ra tình trạng mất năng lực không thể khắc phục được. Một số pin được trả lại nhà sản xuất để tân trang đã được xử lý bằng các phương pháp như vậy.
Dựa trên kinh nghiệm cá nhân, tôi tin rằng việc phục hồi quá mức và quá tải hiệu quả có thể mang lại kết quả tuyệt vời khi hạn chế nghiêm ngặt dòng điện và thời lượng, tạo ra sự tương đồng với quá trình hình thành tấm trong quá trình sản xuất. Chìa khóa nằm ở sự sáng suốt, không áp dụng tính phí ngược thống nhất cho mọi trường hợp. Hãy xem xét một trường hợp gần đây: khi đến thăm cửa hàng của người quen Lao San, tôi gặp bốn cục pin 17Ah vừa được tháo ra khỏi một chiếc xe máy điện. Họ dự định bán chúng (với giá 120 nhân dân tệ) cho một người thu gom pin đã qua sử dụng. Tôi khuyên không nên vứt bỏ, cho rằng việc sửa chữa là khả thi và đưa chúng về để đánh giá. Một bản tóm tắt ngắn gọn như sau:
Ví dụ thứ ba: Bốn loại pin nói trên được sản xuất tại Trường Hưng, Chiết Giang, mặc dù không phải do Tianneng sản xuất. Vì chúng mới được gỡ bỏ nên không có thử nghiệm hoặc tính phí bổ sung nào được thực hiện. Điện áp hở mạch như sau: Đơn vị 1: 13,42V; Đơn vị 2: 13,36V; Đơn vị 3: 13,18V; Đơn vị 4: 12,4V. Rõ ràng là họ bị thiếu chất điện giải. Sau khi mở vỏ, mỗi ô trong ba pin đầu tiên nhận được 6ml cộng thêm 4ml chất điện phân, trong khi ô 4 nhận được 6ml cộng thêm 2ml. Sau khi nghỉ ngơi trong hai giờ, quá trình sạc bắt đầu ở mức 10A ban đầu, giảm xuống 3A sau hai phút, sau đó chuyển sang chế độ giảm dần sau nửa giờ. Sản xuất khí dần dần bắt đầu. Các ô 1–3 thể hiện khả năng sản xuất khí tương đối ổn định trên tất cả các ngăn, trong khi ô 4 cho thấy khả năng sản xuất khí ở năm ngăn gần như cùng một lúc. Tuy nhiên, sau khi quá trình sản xuất khí bắt đầu, các ngăn gần cực dương vẫn không tạo ra lượng khí đáng kể. Quá trình sạc đã dừng lại. Kiểm tra công suất cho thấy các ô 1–3 đã tiếp cận tình trạng mới, trong khi ô 4 chỉ mang lại 1,5Ah. Thêm 4 ml nước vào mỗi ô của ô 1–3, sau đó sạc theo từng bước cho đến khi tất cả ô đều tạo ra khí. Sạc riêng ô 4 trong một giờ, sau đó xả ở mức 5A. Giám sát điện áp đầu cuối: mất 20 phút để giảm từ 13,2V xuống 10,5V và chưa đến 5 phút để đạt 8,32V. Tiếp tục xả ở mức 5A, duy trì ở khoảng 8,15V trong một giờ trước khi dừng thử nghiệm. Tại sao dừng lại? Kết luận được đưa ra: tế bào liền kề cực dương bị lỗi, có dung lượng xấp xỉ 1,5Ah. Giải thích ngắn gọn về mặt lý thuyết: việc giảm 20 phút từ 13,2V xuống 10,5V chứng tỏ pin bị lỗi (đã thấp hơn đáng kể 1,7V) có công suất dưới 1,5Ah. Tiếp tục xả 5A, cell bị lỗi giảm xuống 0V. Năm tế bào khỏe mạnh còn lại (10V) sạc ngược lại tế bào bị lỗi. Khi tế bào bị lỗi đạt gần 2V khi sạc ngược, nó sẽ ổn định trong một thời gian dài. Điện áp cực của pin bằng tổng của 5 tế bào khỏe mạnh trừ đi điện áp ngược của tế bào bị lỗi: 10V - 2V = 8V. Việc phóng điện thêm là không cần thiết vì nó sẽ làm hỏng năm tế bào tốt. Để xác định tế bào bị lỗi: những loại pin này có cổng nạp chất điện phân nhỏ hơn đáng kể so với các đơn vị 10Ah. Bằng cách sử dụng một công cụ mạ chì tự chế, tế bào bị lỗi có thể được xác định trong vòng vài giây. Trong trường hợp này, năm tế bào biểu hiện sự tiến hóa khí, trong khi tế bào gần cực dương thì không. Thử nghiệm xác nhận tế bào này bị lỗi, tế bào bị tách một phần. Xử lý riêng biệt đã khôi phục tế bào này về công suất 10Ah. Việc sửa chữa bây giờ đã hoàn tất. Các ô 1–3 thể hiện công suất gần như mới, trong khi Ô 4 đạt 10Ah (năm ô chức năng cùng khớp với công suất gần như mới của Ô 1–3).

Phương pháp kiểm tra sunfat mà không cần mở nắp
Đây là phương pháp xác định độ sunfat mà không cần mở pin: Sạc pin bằng nguồn dòng không đổi có thể điều chỉnh được đặt ở khoảng 0,05C. Lưu ý rằng quá trình sunfat hóa được biểu thị bằng các điều kiện sau. Lấy pin 12V làm ví dụ: điện áp ban đầu vượt quá 15V (với độ lệch lớn hơn cho thấy quá trình sunfat hóa nghiêm trọng hơn) và khi thời gian sạc tăng lên, điện áp giảm xuống, đạt gần 15V. Nếu chuyển sang sạc điện áp không đổi, dòng điện sẽ có xu hướng tăng dần. Điều này dựa trên kinh nghiệm thực tế của tôi, trong khi tài liệu tiêu chuẩn thường chỉ đề cập đến các triệu chứng như sinh nhiệt quá mức, thoát khí sớm và giảm công suất. Tôi đã chứng minh phương pháp chẩn đoán này tại chỗ cho một số sinh viên đại học chuyên về lĩnh vực này đến thăm, so sánh pin axit-chì với các mức độ sunfat hóa khác nhau. Nguồn dòng không đổi có thể điều chỉnh được là thiết kế năm 1978 của tôi, 'Bộ sạc đa chức năng Ngôi sao Mới', có trong phần phụ lục của sách giáo khoa Lắp đặt Tivi Đen Trắng của tôi. Ban đầu sử dụng máy biến áp 36V với các thành phần tuyến tính rời rạc, sau đó nó được nâng cấp lên thiết kế tuyến tính mạch tích hợp với dòng điện không đổi được điều khiển bằng công tắc điện tử.

Đánh giá lượng nước thất thoát mà không cần mở vỏ

Xác định thất thoát nước khi chưa mở nắp đòi hỏi đồng thời hai điều kiện: 1) Điện áp hở mạch của ắc quy 12V vượt quá 13,2V. 2) Giảm công suất. Ngay cả học sinh tiểu học cũng có thể nắm bắt được những nguyên tắc này. Lý thuyết cơ bản bao gồm hai điểm chính: 1) Điện áp mạch hở tương quan với nồng độ axit sulfuric; mất nước làm tăng nồng độ axit, tăng điện áp đầu cuối. 2) Mất nước làm giảm nồng độ chất điện phân, làm giảm lượng chất phản ứng và giảm khả năng phản ứng. Làm rõ thêm về điều kiện: Các giá trị nêu trên đề cập đến điện áp hở mạch của ắc quy xe điện 12V nửa giờ sau khi sạc. Đối với ắc quy ô tô, các giá trị phải thấp hơn. Ngay cả đối với pin xe điện, thương hiệu cũng rất quan trọng - ví dụ, pin Panasonic có giá trị thấp hơn do trọng lượng riêng của axit sulfuric thấp hơn so với pin Chiết Giang Trường Hưng. Nó cũng nói rằng người ta không nên giáo điều: ví dụ, một cục pin có điện áp dường như tiêu chuẩn nhưng dung lượng thấp thường có năm ô thiếu nước, trong đó một ô bị tách ra một phần.

Tiêu chuẩn không thể sửa chữa
Tiêu chuẩn không thể sửa chữa được (đối với pin sử dụng bình thường và chì sunfat):
1.  Không thể khắc phục được nếu có biểu hiện biến dạng, nứt hoặc rò rỉ bên ngoài.
2.  Không thể khắc phục được nếu có sự cố bên trong, hư hỏng cơ học hoặc các tấm sạc quá mức chuyển sang màu đen cacbon; triệu chứng đặc trưng: điện áp tăng nhanh trong quá trình sạc và giảm đáng kể sau khi đứng.
3.  Không thể khắc phục được nếu có biểu hiện CEL (Đèn báo lỗi ô) kém, hỏng một ô hoặc tự phóng điện bên trong. (Đối với ắc quy có thể tháo rời trên xe nâng, có thể thay thế từng ô riêng lẻ và phục hồi ắc quy.)