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膠體電池產(chǎn)生熱失控的原因及其解決方法

保證8小時、最多10小時的充電時間,出路一是提高充電恒壓電壓,另外就是提高進(jìn)入浮充的的充電電流。事實上,提高進(jìn)入浮充電電流的方式,往往帶來電池欠充電,形成電池容量慢性下降。而對于這種電池慢性下降,如果沒有特殊的處理方法電池容量也難以恢復(fù)。形成電池壽命提前終結(jié)。
1•;3  膠體電池失效模式的特殊性
從解剖國內(nèi)大陸電動自行車電池的失效模式證明,90%的失效電池同時伴有嚴(yán)重失水現(xiàn)象。膠體電池失水少于普通電池,所以其壽命應(yīng)該長于普通電池。
膠體電池內(nèi)部自放電在貯存期間不比普通的電池大,這可以通過貯存以后容量下降比對可以證明。
在同樣的電池內(nèi)壓條件下,膠體電池析氣失水少于普通電池。而每次開閥析氣都會帶走部分熱量。膠體電池開閥少于普通電池,失水少是其優(yōu)點,但是析氣失水少,開閥少,帶走電池內(nèi)部的熱量就少,所以電池內(nèi)部溫升就高于普通電池。而電池內(nèi)部溫升高,自放電也大,產(chǎn)生的熱量就更高。因此在夏季環(huán)境溫度較高的條件下,由于析氣電平的下降,析氣量最近,同時溫升也高。這樣膠體電池進(jìn)入熱失控的概率就大得多了。
2解決膠體電池?zé)崾Э氐某雎?br /> 2•;1  一般的解決方式
――降低恒壓值。
把普通電池的恒壓值由44V降到43V。
――提高充電轉(zhuǎn)入浮充電壓的電流值。由200mA提高到300mA甚至400mA。
然而,一些進(jìn)入熱失控狀態(tài)的電池,恒壓充電時電流降至600mA~1A就不再下降,有一些甚至上升。2002年夏季,有些膠體電池?zé)崾Э厥Ц哌_(dá)10%!
在環(huán)境溫度低于10℃以下,又出現(xiàn)低溫欠充電現(xiàn)象,引起電池容量下降。
2•;2  特殊的解決方式——“偽恒壓充電”
――采用帶有負(fù)脈沖的充電。
在電化學(xué)中,對于極板來說,充電是放熱反應(yīng),放電是吸熱反應(yīng)。足夠的負(fù)脈沖可以降低極板溫度。如果放電脈沖是充電脈沖最大電流的1.5~2倍,恒流充電期間電池的溫度上升就小,恒壓充電期間,放電脈沖電流不能減少,反而需要保持,這樣電池溫升就相對于沒有負(fù)脈沖的溫升更小。這樣減少進(jìn)入熱失控的條件。
由于恒流充電期間的負(fù)脈沖具有“去極化”作用,達(dá)到恒壓充電以前充入電量就多一些,或者可以減少補(bǔ)足充電時間,或者在相同的充電時間以內(nèi)可以降低進(jìn)入恒壓充電時間的電壓。
——采用dV/dt和精密溫度控制的“偽恒壓充電”電壓。一般采用下列計算公式:
   Vc=n×2.35V+4mV×n×(25℃-Ta)……………………………………………………………………(1式)
式中:Vc——恒壓充電值
     n ——串連單格電池的數(shù)量
     Ta——環(huán)境溫度
   在這樣的控制之下,不僅可以使在環(huán)境溫度高的條件下減少熱失控的可能,同時可以解決環(huán)境溫度低時的欠充電問題。
——充電電流只降不升
熱失控的條件之一是電池內(nèi)部溫升高導(dǎo)致析氣電壓下降,使充電電流增加,從而進(jìn)一步提高電池內(nèi)部溫升。如果控制充電電流不增加,破壞了熱失控的循環(huán)條件,電池就會逐步形成熱平衡,所以也不會進(jìn)入熱失控。
如果充電電流在某一值時不下降或者時間很長,就說明電池將進(jìn)入熱失控。如果在恒壓充電以后,對某數(shù)值的充電電流時間進(jìn)行限制,達(dá)到一定時間以后自動下降,就可以在保證充入電量的前提下,自動降低充電電流,一直到進(jìn)入浮充電的電流值。這樣充電時間隨稍微長些,但不會出現(xiàn)電流上升,也不會出現(xiàn)充電不中止。

3應(yīng)用實例
圖4、圖5和圖6是應(yīng)用澳大利亞電池技術(shù)股份有限公司的ABT6502芯片控制的可調(diào)占空比脈沖充電器的充電曲線。          
在該芯片的控制之下,精確的測量了環(huán)境溫度,依據(jù)(1式)計算出恒壓充電電壓。完全解決了夏季熱失控和冬季欠充電問題。
以2A恒流脈沖充電時,有3.5A~4.2A的放電脈沖去極化。恒壓充電時有4.1A~4.4A的放電脈沖去極化。除了提高電池的充電接受能力以外,同時降低了電池極板的溫升。有利于降低電池?zé)崾Э氐母怕省?br /> 充電電流分40多個等級,當(dāng)充電的開路電壓一旦達(dá)到(1式)規(guī)定的電壓以后,立即降低充電電流。如果充電降低電流以后仍然不能降低開路電壓到(1式)就繼續(xù)降低充電電流,直到使開路電壓低于(1式)規(guī)定的電壓,這樣,充電電流只降不升,完全避免了熱失控現(xiàn)象產(chǎn)生。圖7就是使用具有熱失控前兆的的膠體電池,充電電流在5分鐘之內(nèi)由2A降低到1A的實例。
恒壓充電進(jìn)入浮充充電的電流可以設(shè)定在400mA、312mA、200mA和120mA,本例設(shè)定在312mA。對同樣電池,充電時間         
為425min,較恒壓限流充電器減少了15min。電池溫升4.3溫度。而放電電量基本一致為10.6Ah。
當(dāng)充電電流降低到規(guī)定的的電流時,自動進(jìn)入浮充電壓。           圖7 充電電流的突降
浮充電壓規(guī)定值為:
Vf=2.25V×n+4mV×n(25℃-Ta) ……………………………………………………………………(2式)

4控制熱失控的實際應(yīng)用效果
對某公司的膠體電池在環(huán)境溫度32℃條件下使用恒壓限流充電。充電電流為1.8A、恒壓值為43V。進(jìn)入恒壓以后,電池溫升達(dá)到46℃。電流由1.8A下降到600mA時,電流不再下降,電池溫度開始上升,充電電流也上升,電池開始進(jìn)入了熱失控狀態(tài)。立即停止充電并且對電池進(jìn)行放電,使每只電池達(dá)到10.5V。在相同環(huán)境下重新使用ABT6502控制芯片的脈沖充電器進(jìn)行充電,恒壓值自動調(diào)整流為41.6V,電池最高溫度為37.3℃。440min進(jìn)入40.0V浮充電壓。沒有出現(xiàn)熱失控。重新放電以后,測得電池容量為10.8Ah。再次進(jìn)行恒壓限流充電器充電,仍然出現(xiàn)了熱失控前兆。

5測量中的問題
使用一般的數(shù)字萬用表(或者數(shù)字電壓表)和指針式電流表測量脈沖充電電壓時,往往容易

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