Conoscenza dei caricabatterie e degli accumulatori per veicoli elettrici

Classificazione dei caricabatterie:

I caricabatterie possono essere classificati in due tipi principali a seconda che incorporino o meno un trasformatore della frequenza di rete (50 Hz). I caricabatterie per tricicli da trasporto utilizzano in genere trasformatori con frequenza di rete, risultando in unità più grandi e pesanti che consumano più energia ma offrono affidabilità e convenienza. Le biciclette e le moto elettriche, al contrario, utilizzano i cosiddetti caricabatterie con alimentazione a commutazione, che sono più efficienti dal punto di vista energetico ed economici ma soggetti a guasti.
La procedura corretta per i caricabatterie switching è: durante la carica collegare prima la batteria e poi la rete elettrica; a carica completa, scollegare l'alimentazione di rete prima di rimuovere la spina della batteria. Rimuovere la spina della batteria durante la carica, soprattutto quando la corrente di carica è elevata (indicata da una luce rossa), può danneggiare gravemente il caricabatteria.
I comuni caricabatterie a modalità di commutazione si suddividono ulteriormente in tipi a mezzo ponte e a impulso singolo. I caricabatterie a impulso singolo sono classificati come modelli forward o flyback. I design a mezzo ponte, sebbene più costosi, offrono prestazioni superiori e sono spesso utilizzati nei caricatori che incorporano impulsi negativi. I tipi flyback, essendo più economici, detengono una quota di mercato significativa.

Per quanto riguarda i caricabatterie a impulsi negativi
Le batterie al piombo hanno una storia che dura da oltre un secolo. Inizialmente, la pratica globale aderiva in gran parte alle visioni e alle procedure operative tradizionali: si credeva che caricare e scaricare a una velocità di 0,1°C (dove C indica la capacità della batteria) prolungasse la durata della vita. Per affrontare le sfide della ricarica rapida, nel 1967 il signor Max degli Stati Uniti pubblicò i risultati della sua ricerca a livello globale. Ciò prevedeva la ricarica con correnti impulsive superiori a 1°C, intervallate da intervalli di scarica durante le pause di ricarica. La scarica facilita la riduzione della polarizzazione, abbassa la temperatura dell'elettrolita e migliora la capacità di accettazione della carica della piastra.
Intorno al 1969, gli scienziati cinesi svilupparono con successo diversi marchi di caricatori rapidi basati sui tre principi di Max. Il ciclo di carica si svolgeva come segue: carica a impulsi ad alta corrente → interruzione del circuito di carica → breve scarica della batteria → arresto della scarica → ripristino del circuito di carica → carica a impulsi ad alta corrente...
Intorno al 2000 questo principio è stato adattato ai caricabatterie dei veicoli elettrici. Durante la ricarica, il circuito è rimasto ininterrotto, impiegando un cortocircuito a bassa resistenza per scaricare momentaneamente la batteria. Poiché il circuito di carica rimaneva attivo durante il cortocircuito, al suo interno veniva collegato in serie un induttore. Normalmente il cortocircuito dura 3–5 millisecondi in un secondo (1 secondo = 1000 millisecondi). Poiché la corrente all'interno dell'induttanza non può cambiare bruscamente, la breve durata del cortocircuito protegge la sezione di conversione di potenza del caricabatterie. Se la direzione della corrente di carica è definita positiva, la scarica diventa naturalmente negativa. Di conseguenza, l’industria dei veicoli elettrici ha coniato il termine “caricatore a impulsi negativi”, sostenendo che potrebbe prolungare la durata della batteria e così via.

Per quanto riguarda i caricabatterie a tre stadi
Negli ultimi anni, i veicoli elettrici hanno ampiamente adottato i cosiddetti caricabatterie a tre stadi. Il primo stadio è chiamato stadio a corrente costante, il secondo stadio a tensione costante e il terzo stadio di mantenimento. Dal punto di vista dell’ingegneria elettronica, questi sono descritti più accuratamente come:
- Primo stadio: stadio di limitazione della corrente di carica
- Secondo stadio: Stadio ad alta tensione costante
- Terzo stadio: Stadio a bassa tensione costante Durante la transizione tra il secondo e il terzo stadio, le spie del pannello cambiano di conseguenza. La maggior parte dei caricabatterie visualizza una luce rossa durante la prima e la seconda fase, passando al verde durante la terza fase. Questa transizione tra gli stadi è determinata dalla corrente di carica: il superamento di una certa soglia attiva il primo e il secondo stadio, mentre il calo al di sotto innesca il terzo stadio. Questa corrente di soglia è denominata corrente di transizione o corrente di commutazione.
I primi caricabatterie, compresi quelli forniti con i veicoli di marca, sebbene mostrassero cambiamenti negli indicatori, erano in realtà caricabatterie a tensione costante e corrente limitata piuttosto che vere e proprie unità a tre stadi. In genere, queste mantenevano un unico valore di tensione stabile intorno a 44,2 V, che era adeguato per le batterie al solfato ad alto peso specifico dell'epoca.
Per quanto riguarda i tre parametri chiave dei caricabatterie a tre stadi
Il primo parametro critico è il basso valore di tensione costante durante la fase di mantenimento. Il secondo è l'elevato valore di tensione costante durante la seconda fase. La terza è la corrente di transizione. Questi tre parametri sono influenzati dal numero di batterie, dalla loro capacità (Ah), dalla temperatura e dal tipo di batteria. Per comodità di riferimento illustreremo l'utilizzo del più comune caricabatterie a tre stadi per biciclette elettriche (tre batterie da 12V 10Ah in serie):
Innanzitutto, il basso valore di tensione costante durante la fase di mantenimento, con una tensione di riferimento di circa 42,5 V. Un valore più alto provoca la disidratazione della batteria, aumentando il rischio di surriscaldamento e deformazione; un valore inferiore ostacola la ricarica completa. Nelle regioni meridionali tale valore dovrebbe essere inferiore a 41,5V; per le batterie al gel dovrebbe essere inferiore a 41,5 V, e ancora leggermente inferiore nelle zone meridionali. Questo parametro è relativamente severo e non deve superare il valore di riferimento.
Successivamente, consideriamo l'elevato valore di tensione costante nel secondo stadio, con una tensione di riferimento di circa 44,5 V. Un valore più elevato facilita una ricarica rapida e completa, ma può causare la disidratazione della batteria, poiché la corrente non diminuisce sufficientemente nella fase di ricarica successiva, con conseguente surriscaldamento e deformazione della batteria. Un valore inferiore ostacola la ricarica completa rapida ma facilita la transizione alla fase di mantenimento. Sebbene non sia regolamentato in modo così rigoroso come il primo valore, non dovrebbe comunque essere eccessivamente alto.

Per quanto riguarda infine la corrente di conversione, il valore di riferimento è di circa 300mA. Un valore più elevato favorisce la longevità della batteria riducendo la deformazione termica, sebbene ostacoli una ricarica rapida. Un valore inferiore (per i non addetti ai lavori) facilita la ricarica ma, a causa della ricarica prolungata ad alta tensione, può causare la disidratazione della batteria, con conseguente deformazione termica. Soprattutto in caso di malfunzionamento delle singole celle, se la corrente di carica non può essere ridotta al di sotto della corrente di soglia, ciò può danneggiare cellule altrimenti sane. L'intervallo di riferimento specificato consente deviazioni di ±50 mA o addirittura ±100 mA, ma non deve scendere al di sotto di 200 mA.
Attualmente, sul mercato sono disponibili numerosi caricabatterie flyback a basso costo caratterizzati da valori di tensione costante elevati di 46,5 V, valori di tensione costante bassi di 41,5 V e correnti di transizione superiori a 500 mA.
Per un caricabatterie che gestisce quattro batterie da 12 V (48 V totali), i primi due parametri vengono calcolati dividendo i valori di riferimento della tensione sopra menzionati per tre e moltiplicando per quattro. La tensione costante alta è di circa 59,5 V e la tensione costante bassa è di circa 56,5 V.
Se la capacità della batteria supera i 10Ah è necessario aumentare opportunamente il terzo parametro (valore corrente). Ad esempio, una batteria da 17 Ah può richiedere fino a 500 mA.

Meccanismi di guasto della batteria: esaurimento dell'acqua; solfatazione; rammollimento dell'anodo; e distacco di materiale attivo dall'anodo.

Recupero da sovraccarico. Se la durata della batteria non è una preoccupazione primaria, questo metodo di ripristino produce risultati immediati. I cicli di scarica profonda e ricarica possono aumentare la capacità della batteria, un fatto riconosciuto a livello globale. Tuttavia, ciò potrebbe compromettere la durata della batteria. Numerosi post su questo sito si concentrano esclusivamente su come il sovraccarico può convertire l'ossido di piombo α superficiale in ossido di piombo β sulla piastra positiva, aumentando così la capacità. L'utilizzo di questo approccio durante la riparazione rischia di causare una perdita irreversibile di capacità. Alcune batterie restituite ai produttori per la ristrutturazione sono state trattate utilizzando tali metodi.
Sulla base della pratica personale, credo che un efficace ripristino della scarica eccessiva e del sovraccarico possa produrre risultati eccellenti limitando rigorosamente la corrente e la durata, tracciando parallelismi con il processo di formazione della piastra durante la produzione. La chiave sta nel discernimento e non nell’applicazione uniforme dell’inversione contabile in tutti i casi. Consideriamo un caso recente: mentre visitavo il negozio del mio conoscente Lao San, mi sono imbattuto in quattro batterie da 17 Ah recentemente rimosse da una motocicletta elettrica. Volevano venderle (per 120 yuan) a un collezionista di batterie usate. Ho sconsigliato lo smaltimento, suggerendo che la riparazione fosse fattibile, e li ho ripresi per una valutazione. Segue un breve riepilogo:
Esempio tre: le quattro batterie sopra menzionate sono state prodotte a Changxing, Zhejiang, sebbene non da Tianneng. Poiché sono stati appena rimossi, non sono stati eseguiti ulteriori test o ricariche. Le tensioni a circuito aperto erano le seguenti: Unità 1: 13,42 V; Unità 2: 13,36 V; Unità 3: 13,18 V; Unità 4: 12,4 V. Evidentemente avevano pochi elettroliti. Dopo aver aperto l'involucro, ciascuna cella delle prime tre batterie ha ricevuto 6 ml più altri 4 ml di elettrolita, mentre la cella 4 ha ricevuto 6 ml più 2 ml extra. Dopo aver riposato per due ore, la ricarica è iniziata inizialmente a 10 A, ridotta a 3 A dopo due minuti, quindi passata alla modalità step-down dopo mezz'ora. La produzione di gas iniziò gradualmente. Le celle 1-3 hanno mostrato una produzione di gas relativamente costante in tutti i compartimenti, mentre la cella 4 ha mostrato una produzione di gas in cinque compartimenti all'incirca nello stesso momento. Tuttavia, dopo l’inizio della produzione di gas, i compartimenti vicini all’anodo non producevano ancora quantità significative di gas. La ricarica è cessata. I test di capacità hanno rivelato che le celle 1–3 si avvicinavano alla nuova condizione, mentre la cella 4 produceva solo 1,5 Ah. Aggiungere 4 ml di acqua a ciascuna cella delle celle 1–3, quindi caricare gradualmente finché tutte le celle non producono gas. Caricare la cella 4 separatamente per un'ora, quindi scaricarla a 5 A. Monitorare la tensione del terminale: ci sono voluti 20 minuti per passare da 13,2 V a 10,5 V e meno di 5 minuti per raggiungere 8,32 V. Continuare a scaricare a 5 A, mantenendo circa 8,15 V per un'ora prima di interrompere il test. Perché fermarsi? La conclusione è emersa: la cella adiacente all'anodo era difettosa, con una capacità di circa 1,5 Ah. Una breve spiegazione teorica: il calo di 20 minuti da 13,2 V a 10,5 V ha dimostrato che la cella difettosa (già significativamente al di sotto di 1,7 V) possedeva una capacità inferiore a 1,5 Ah. Continuando la scarica di 5A, la cella difettosa è scesa a 0V. Le restanti cinque celle sane (10 V) hanno caricato inversamente la cella difettosa. Quando la cella difettosa ha raggiunto quasi 2 V in carica inversa, si è stabilizzata per un periodo prolungato. La tensione ai terminali della batteria era pari alla somma delle cinque celle sane meno la tensione inversa della cella difettosa: 10 V - 2 V = 8 V. Non è necessaria un'ulteriore scarica, poiché danneggerebbe le cinque celle buone. Per identificare la cella difettosa: queste batterie hanno porte di riempimento dell'elettrolito significativamente più piccole rispetto alle unità da 10 Ah. Utilizzando uno strumento placcato in piombo fatto in casa, è possibile determinare la cella difettosa in pochi secondi. In questo caso, cinque celle hanno mostrato sviluppo di gas, mentre la cella vicino all'anodo no. I test hanno confermato che questa cella era difettosa, con separazione parziale delle celle. Il trattamento isolato ha riportato questa cella alla capacità di 10 Ah. La riparazione è ora completa. Le celle 1–3 mostrano una capacità quasi nuova, mentre la cella 4 raggiunge 10 Ah (le cinque celle funzionali corrispondono collettivamente alla capacità quasi nuova delle celle 1–3).

Metodo per controllare la solfatazione senza aprire il coperchio
Ecco un metodo per determinare la solfatazione senza aprire la batteria: Caricare la batteria utilizzando una fonte di corrente costante regolabile impostata su circa 0,05°C. Si noti che la solfatazione è indicata dalle seguenti condizioni. Prendendo come esempio una batteria da 12 V: la tensione iniziale supera i 15 V (con una deviazione maggiore che indica una solfatazione più grave) e all'aumentare del tempo di ricarica la tensione diminuisce, avvicinandosi ai 15 V. Se si passa alla carica a tensione costante, la corrente mostrerà un trend crescente. Ciò si basa sulla mia esperienza pratica, mentre la letteratura standard in genere menziona solo sintomi come eccessiva generazione di calore, sviluppo prematuro di gas e capacità ridotta. Ho dimostrato questo metodo diagnostico in loco a diversi studenti universitari in visita specializzati nel settore, confrontando batterie al piombo con vari gradi di solfatazione. La sorgente di corrente costante regolabile è il mio progetto del 1978, il “Caricatore multifunzionale New Star”, incluso nell’appendice del mio libro di testo Installazione televisiva in bianco e nero. Originariamente utilizzava un trasformatore da 36 V con componenti lineari discreti, successivamente è stato aggiornato a un design lineare a circuito integrato con corrente costante controllata da interruttore elettronico.

Valutazione della perdita d'acqua senza aprire l'involucro

Per determinare la perdita d'acqua senza aprire il coperchio sono necessarie due condizioni simultanee: 1) La tensione a circuito aperto di una batteria da 12 V supera 13,2 V. 2) Capacità ridotta. Anche gli alunni della scuola primaria possono cogliere questi principi. La teoria sottostante coinvolge due punti chiave: 1) la tensione a circuito aperto è correlata alla concentrazione di acido solforico; la perdita d'acqua aumenta la concentrazione di acido, aumentando la tensione ai terminali. 2) La perdita di acqua abbassa il livello dell'elettrolita, riducendo la quantità di materiale reagente e diminuendo la capacità. Ulteriori chiarimenti sulle condizioni: i valori sopra indicati si riferiscono alla tensione a circuito aperto della batteria di un veicolo elettrico da 12 V mezz'ora dopo la ricarica. Per le batterie per autoveicoli i valori dovrebbero essere più bassi. Anche per le batterie dei veicoli elettrici, il marchio conta: ad esempio, le batterie Panasonic hanno valori inferiori a causa del loro peso specifico dell’acido solforico inferiore rispetto alle batterie Zhejiang Changxing. Si afferma inoltre che non si dovrebbe essere dogmatici: ad esempio, una batteria con voltaggio apparentemente standard ma bassa capacità ha tipicamente cinque celle prive di acqua, con una cella parzialmente staccata.

Standard irreparabili
Standard irreparabili (per batterie con uso normale e solfatazione al piombo):
1.  Irreparabile se presenta deformazioni esterne, crepe o perdite.
2.  Irreparabile se presenta guasti interni, danni meccanici o piastre sovraccaricate che diventano nerofumo; sintomi caratteristici: la tensione aumenta rapidamente durante la ricarica e diminuisce significativamente dopo essere rimasti in piedi.
3.  Irreparabile in caso di CEL (Cell Error Light) scarso, guasto di una singola cella o autoscarica interna. (Per le batterie rimovibili dei carrelli elevatori, è possibile sostituire le singole celle e ripristinare la batteria.)