電気自動車の充電器と蓄電池に関する知識

充電器の分類:

充電器は、主電源周波数 (50Hz) 変圧器が組み込まれているかどうかに基づいて、主に 2 つのタイプに分類できます。貨物用三輪車充電器は通常、主電源周波数の変圧器を使用するため、ユニットが大きくなり、消費電力が増加し、信頼性と手頃な価格が実現します。逆に、電動自転車や電動バイクは、いわゆるスイッチング モード電源充電器を使用します。これはエネルギー効率とコスト効率に優れていますが、故障しやすいものです。
スイッチングモード充電器の正しい手順は次のとおりです。充電中は、最初にバッテリーを接続し、次に主電源を接続します。フル充電したら、バッテリープラグを外す前に主電源を切ってください。充電中にバッテリープラグを取り外すと、特に充電電流が高いとき (赤いライトで示される)、充電器に重大な損傷を与える可能性があります。
一般的なスイッチング モード充電器は、さらにハーフブリッジ タイプとシングル パルス タイプに分類されます。シングルパルス充電器は、フォワード設計またはフライバック設計に分類されます。ハーフブリッジ設計はコストは高くなりますが、優れた性能を提供し、負のパルスを組み込んだ充電器でよく使用されます。フライバック タイプはより経済的であり、大きな市場シェアを占めています。

マイナスパルスチャージャーについて
鉛蓄電池には1世紀以上の歴史があります。当初、世界的な慣行は主に従来の見解と操作手順に準拠しており、0.1C (C はバッテリー容量を示す) のレートで充電および放電すると寿命が延びると考えられていました。急速充電の課題に対処するために、米国のマックス氏は 1967 年に研究結果を世界的に発表しました。これには、充電一時停止中に放電間隔を挟みながら、1C レートを超えるパルス電流で充電することが含まれていました。放電により分極の減少が促進され、電解液の温度が低下し、プレートの電荷受け入れ容量が向上します。
1969年頃、中国の科学者はマックス氏の3つの原則に基づいて複数の急速充電器ブランドの開発に成功しました。充電サイクルは次のように進行しました: 高電流パルス充電 → 充電回路の中断 → バッテリーの短時間の放電 → 放電の停止 → 充電回路の再確立 → 高電流パルス充電...
2000 年頃、この原理は電気自動車の充電器に適用されました。充電中、回路は中断されず、低抵抗の短絡を利用してバッテリーを瞬間的に放電しました。充電回路は短絡中もアクティブのままであるため、その中でインダクタが直列接続されていました。通常、短絡は 1 秒以内に 3 ～ 5 ミリ秒続きます (1 秒 = 1000 ミリ秒)。インダクタンス内の電流は急激に変化できないため、短い短絡時間が充電器の電力変換セクションを保護します。充電電流の方向をプラスとすると、当然、放電はマイナスになります。その結果、電気自動車業界は「マイナスパルス充電器」という用語を作り、バッテリー寿命などを延長できると主張しました。

3段充電器について
近年、電気自動車にはいわゆる三段充電器が広く採用されています。最初のステージは定電流ステージ、2 番目は定電圧ステージ、3 番目はトリクルステージと呼ばれます。電子工学の観点から、これらはより正確に次のように説明されます。
- 第 1 段階: 充電電流制限段階
- 第 2 段: 高定電圧段
- 第 3 段階: 低定電圧段階 第 2 段階と第 3 段階の間の移行中に、それに応じてパネルのインジケーターのライトが変化します。ほとんどの充電器は、第 1 段階と第 2 段階では赤色のライトを表示し、第 3 段階では緑色に切り替わります。この段階間の移行は充電電流によって決まります。特定のしきい値を超えると第 1 段階と第 2 段階がアクティブになり、それを下回ると第 3 段階がトリガーされます。この閾値電流は、遷移電流またはスイッチング電流と呼ばれます。
ブランド車に付属しているものを含む初期の充電器は、インジケーターの変化は見られますが、実際には真の 3 ステージ ユニットではなく、定電圧の電流制限充電器でした。通常、これらは 44.2V 付近の単一の安定した電圧値を維持しました。これは、当時の高比重硫酸塩電池には十分でした。
3段階充電器の3つの重要なパラメータについて
最初の重要なパラメータは、トリクルフェーズ中の低い定電圧値です。 2 番目は、第 2 フェーズ中の高い定電圧値です。 3 つ目は遷移電流です。これら 3 つのパラメーターは、バッテリーの数、その容量 (Ah)、温度、バッテリーの種類によって影響されます。参照しやすいように、電動自転車用の最も一般的な 3 段階充電器 (12V 10Ah バッテリー 3 個を直列に接続) の使用を説明します。
まず、トリクルフェーズ中の低い定電圧値であり、基準電圧は約 42.5V です。値を高くするとバッテリーの脱水が起こり、過熱や変形の危険性が高まります。値が低いと完全充電が妨げられます。南部地域では、この値は 41.5V 未満である必要があります。ゲル電池の場合は 41.5V 未満である必要があり、南部地域ではさらにわずかに低くなります。このパラメータは比較的厳密であり、基準値を超えてはなりません。
次に、約 44.5V の基準電圧を使用して、第 2 段階の高い定電圧値を検討します。値を高くすると、急速な完全充電が容易になりますが、充電後の段階で電流が十分に減少せず、バッテリーの脱水状態が発生し、バッテリーの過熱や変形が発生する可能性があります。値が低いと急速な完全充電は妨げられますが、トリクル段階への移行は容易になります。最初の値ほど厳密に規制されていませんが、それでも過度に高くすべきではありません。

最後に変換電流ですが、参考値は約300mAです。値を高くすると、熱変形が減少するためバッテリーの寿命が長くなりますが、急速充電が妨げられます。 (素人向けの) 値を低くすると充電が容易になりますが、長時間の高電圧充電によりバッテリーの脱水が起こり、熱変形が発生する可能性があります。特に個々のセルが故障した場合、充電電流を閾値電流以下に下げることができないと、正常なセルが損傷する可能性があります。指定された基準範囲では、±50mA または ±100mA の偏差が許容されますが、200mA を下回ってはなりません。
現在、46.5V の高い定電圧値、41.5V の低い定電圧値、および 500mA を超える過渡電流を特徴とする、多数の低コストのフライバック充電器が市場で入手可能です。
4 つの 12V バッテリー (合計 48V) を扱う充電器の場合、最初の 2 つのパラメーターは、前述の電圧基準値を 3 で割って 4 を掛けることによって計算されます。高い定電圧は約 59.5V、低い定電圧は約 56.5V です。
バッテリー容量が 10Ah を超える場合は、第 3 パラメータ（電流値）を適切に増加する必要があります。たとえば、17Ah バッテリには最大 500mA が必要になる場合があります。

バッテリー故障のメカニズム: 水の枯渇。硫酸化;アノードの軟化。そして、アノードからの活物質の脱落。

過充電回復。バッテリーの寿命が主な懸念事項ではない場合、この回復方法はすぐに結果をもたらします。深い放電と再充電のサイクルによりバッテリー容量が増加する可能性があることは、世界的に認識されている事実です。ただし、これによりバッテリーの寿命が短くなる可能性があります。このサイトの多くの投稿は、過充電によって表面のα-酸化鉛が正極板上のβ-酸化鉛にどのように変換され、それによって容量が増加するかのみに焦点を当てています。修理中にこのアプローチを採用すると、不可逆的な容量損失が発生する危険があります。再生のためにメーカーに返品されたバッテリーの中には、そのような方法で処理されたものもあります。
個人的な実践に基づいて、製造時のプレート形成プロセスと並行して、電流と期間を厳密に制限する場合、効果的な過放電と過充電の回復により優れた結果が得られると私は信じています。鍵となるのは、すべてのケースに均一に逆充電を適用しないことです。最近のケースを考えてみましょう。知人のラオサンの店を訪れた際、電動バイクから最近取り外した 4 つの 17Ah バッテリーに遭遇しました。彼らは中古電池回収業者に（120元で）売るつもりだった。私は処分しないようにアドバイスし、修理が可能であることを示唆し、査定のために持ち帰った。簡単な要約は次のとおりです。
例 3: 前述の 4 つの電池は、Tianneng 社ではありませんが、浙江省の長興市で製造されました。新しく取り外したばかりなので、追加のテストや充電は行われませんでした。開放電圧は次のとおりです。 ユニット 1: 13.42V。ユニット 2: 13.36V;ユニット 3: 13.18V;ユニット 4: 12.4V。明らかに、電解質が不足していました。ケースを開けた後、最初の 3 つのバッテリーの各セルには 6ml と追加の 4ml の電解液が注入され、セル 4 には 6ml と追加の 2ml が注入されました。 2 時間休んだ後、最初は 10A で充電が開始され、2 分後に 3A に低下し、30 分後に降圧モードに切り替わりました。ガスの生成が徐々に始まりました。セル 1 ～ 3 はすべてのコンパートメントで比較的一貫したガス生成を示しましたが、セル 4 は 5 つのコンパートメントでほぼ同時にガス生成を示しました。しかし、ガスの生成が始まった後も、アノード近くの区画では依然として大量のガスが生成されませんでした。充電が停止しました。容量テストの結果、セル 1 ～ 3 は新しい条件に近づいているのに対し、セル 4 の出力は 1.5Ah にすぎないことが判明しました。セル 1 ～ 3 の各セルに 4 ミリリットルの水を加え、すべてのセルがガスを発生するまで段階的に充電します。セル 4 を個別に 1 時間充電し、5A で放電します。モニター端子電圧: 13.2V から 10.5V に低下するまでに 20 分かかり、8.32V に到達するまでに 5 分もかかりませんでした。 5A で放電を続け、約 8.15V を 1 時間維持してからテストを停止します。なぜ停止するのですか？結論は、アノードに隣接するセルに欠陥があり、容量が約 1.5Ah であるという結論でした。簡単な理論的説明: 13.2V から 10.5V への 20 分間の低下は、欠陥のあるセル (すでに 1.7V を大幅に下回っていた) の容量が 1.5Ah 未満であることを示しました。 5A の放電を続けると、故障したセルは 0V まで低下しました。残りの 5 つの正常なセル (10V) が故障したセルを逆充電しました。障害のあるセルが逆充電で 2V 近くに達すると、長期間にわたって安定しました。バッテリーの端子電圧は、5 つの正常なセルの合計から障害のあるセルの逆電圧を引いた値、10V - 2V = 8V に等しくなります。 5 つの正常なセルに損傷を与えるため、さらに放電する必要はありません。故障したセルを特定するには: これらのバッテリーの電解液注入ポートは 10Ah ユニットよりも大幅に小さくなっています。自家製の鉛メッキツールを使用すると、故障したセルを数秒以内に特定できます。この場合、5 つのセルでガスの発生が見られましたが、アノード近くのセルではガスの発生が見られませんでした。テストの結果、このセルには欠陥があり、部分的にセルが分離していることが確認されました。隔離処理により、このセルの容量は 10Ah に回復しました。これで修理は完了です。セル 1 ～ 3 はほぼ新品の容量を示し、セル 4 は 10Ah に達します (5 つの機能セルは集合的にセル 1 ～ 3 のほぼ新品の容量と一致します)。

カバーを開けずにサルフェーションを確認する方法
バッテリーを開けずに硫酸化を測定する方法は次のとおりです。約 0.05C に設定された調整可能な定電流源を使用してバッテリーを充電します。なお、硫酸化とは以下の条件を指します。 12V バッテリーを例にとると、初期電圧は 15V を超え (偏差が大きいほど硫化が深刻であることを示します)、充電時間が増加するにつれて電圧は低下し、15V に近づきます。定電圧充電に切り替えると、電流は増加傾向を示します。これは私の実際の経験に基づいていますが、標準的な文献では通常、過剰な発熱、早期のガス発生、容量の低下などの症状のみが言及されています。私は、この分野を専門とする数名の訪問大学生にこの診断方法を現場で実演し、さまざまな硫酸化度の鉛蓄電池を比較しました。調整可能な定電流源は、私の 1978 年設計の「ニュースター多機能充電器」で、私の教科書「白黒テレビインスタレーション」の付録に含まれています。当初はディスクリートのリニアコンポーネントを備えた 36V トランスを使用していましたが、後に電子スイッチ制御の定電流を備えた集積回路リニア設計にアップグレードされました。

ケーシングを開けずに水分損失を評価

カバーを開けずに水の損失を測定するには、次の 2 つの条件が同時に必要です。 1) 12V バッテリーの開放電圧が 13.2V を超えています。 2) 容量の減少。これらの原理は小学生でも理解できます。基礎となる理論には 2 つの重要な点が含まれます。1) 開路電圧は硫酸濃度と相関します。水分の損失により酸濃度が増加し、端子電圧が上昇します。 2) 水分の損失により電解質レベルが低下し、反応物質の量が減少し、容量が減少します。条件に関するさらなる明確化: 前述の値は、充電後 30 分後の 12V 電気自動車バッテリーの開回路電圧を指します。自動車用バッテリーの場合、値はもっと低くする必要があります。電気自動車のバッテリーであっても、ブランドは重要です。たとえば、パナソニックのバッテリーは、浙江長興バッテリーと比較して硫酸比重が低いため、価値が低くなります。また、独断的になってはいけないとも述べています。たとえば、一見標準電圧に見えるが容量が低いバッテリーには、通常、5 つのセルに水が不足しており、1 つのセルが部分的に外れています。

取り返しのつかない基準
修復不可能な基準 (通常の使用で鉛が硫化したバッテリーの場合):
1. 外部の変形、亀裂、または漏れが見られる場合は修理不可能です。
2. 内部故障、機械的損傷、または過充電されたプレートがカーボンブラックに変色している​​場合は修復不可能です。特徴的な症状：充電中に電圧が急激に上昇し、放置すると電圧が大幅に低下します。
3. 不良な CEL (セルエラーライト)、単一セルの故障、または内部自己放電が発生した場合は修復不可能です。 (フォークリフトの取り外し可能なバッテリーの場合、個々のセルを交換してバッテリーを復元できます。)