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          應用案例

          可程序充電器于鉛酸與鋰電池充電應用

          導言

          電池是作為最容易使用的能源儲存方式之一,近年來(lái)被越來(lái)越廣泛的應用。如今電池不僅可用于個(gè)人電子設備、傳統汽油汽車(chē)和不間斷電源(UPS),還被用于電動(dòng)汽車(chē)和新能源的儲能設備當中。然而市場(chǎng)上多樣的電池種類(lèi)給消費者甚至是工程師們帶來(lái)選擇電池及充電器的難題。本文將針對最為普遍應用的鉛酸電池和鋰電池作比較,以及提供如何選擇相匹配充電器的方式。
           

          鉛酸電池及鋰電池的特性

          鉛酸電池是使用最為廣泛,歷史最長(cháng)的充電電池之一。主要的優(yōu)勢在于其可接受略高于自身開(kāi)路電壓的充電電壓,可提供瞬間的高電流,較寬的使用溫度及低廉的價(jià)格。由于其較高的可靠性,常常被用在汽車(chē)或UPS系統當中。鉛酸電池的缺點(diǎn)在于其自身的放電速率高,壽命短,因此不適合用于長(cháng)期儲能。

          與鉛酸電池相反,鋰電池的高充放電速率、高能量密度和低自放電速率使其受到儲能應用的青睞。根據正極所使用的不同的材料,鋰電池可被劃分成多個(gè)種類(lèi)。各種鋰電池皆有其特點(diǎn)。如鈷酸鋰(LCO)電池具有較高的能量密度,適用于個(gè)人電子設備。磷酸鋰鐵(LiFePO4)電池則有較長(cháng)的使用壽命且溫度較穩定,所以常被用作儲能應用。鋰電池最大的缺點(diǎn)則是其容易在使用中溫度過(guò)高而導致燃燒,所以更需要謹慎地控制充放電的過(guò)程。
           

          充電方式

          單一的鉛酸電池額定電壓通常在1.8至2.3V。推薦的最大充電電流為0.3C。大部分的市售電池是由多個(gè)單元電池并聯(lián)和串聯(lián)組成的。常見(jiàn)的電池電壓為12V、24V和48V。注意電池所標示的電壓數為其工作電壓范圍的概數。電池的電壓是和其剩余電量成正比的。例如12V的AGM鉛酸電池,其開(kāi)路電壓約為10.8V (約30%電量)至13.8V(約100%電量)。
          由于鉛酸電池的自放電速率較高,所以通常需要使用三段式充電。充電循環(huán)的第一階段為恒流充電(圖一‘stage 1’),該階段充電器會(huì )逐漸提高輸出電壓以保證持續輸出額定的最高電流快速充電。當電池電壓達到充電器所設置的脈沖電壓時(shí),充電器就會(huì )轉換到恒壓充電模式(圖一‘stage 2’),充電器在該階段會(huì )輸出恒定的脈沖電壓并監測輸出電流。輸出電流隨電池電量的增長(cháng)會(huì )逐漸降低,電流降低至額定電流的約10%時(shí),充電器進(jìn)入浮充模式(圖一 ‘stage 3’),充電器自動(dòng)降低輸出電壓到事先設定的浮充電壓,從而保證電池不過(guò)度充電。此時(shí)充電已基本完成,但是鉛酸電池還是會(huì )持續拉電以彌補自放電的消耗。


          圖一 三段式充電曲線(xiàn)
           

          單一的鋰電池額定電壓可在3.2 V 到4.4V之間。最大充電電流可達1C。需注意不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的相同化學(xué)成分鋰電池也往往有不同的額定電壓及電流??蛻?hù)需根據電池規格為準。與鉛酸電池不同,鋰電池不接受高于自身額定電壓的充電壓且自放電速率極低。因此鋰電池常選用無(wú)浮充模式的二段式充電(圖二)

          圖二 二段式充電曲線(xiàn)
           

          單元電池的不平衡是高電量鋰電池的一大問(wèn)題。由于生產(chǎn)時(shí)無(wú)法保證電池的完全一致,單元電池會(huì )有不同的等效串聯(lián)電阻(ESR)。有較小ESR的單元電池會(huì )最快充飽或放完電,所以也會(huì )最快衰退并報廢。單元電池的不平衡不僅會(huì )大大縮短整個(gè)電池的壽命,且有可能導致電池過(guò)熱并造成安全隱患。為解決這一問(wèn)題,高電量的鋰電池均需要配備電池管理系統(BMS)。BMS的基本功能為監測單元電池的荷電狀態(tài)并平衡各單元電池。平衡電池的方式分為被動(dòng)平衡與主動(dòng)平衡。被動(dòng)平衡是給相對電量較高的電池放電。主動(dòng)平衡則是通過(guò)給每個(gè)單元電池單獨充電以確保相同的荷電狀態(tài)。運用主動(dòng)平衡方式的BMS往往僅需使用恒壓電源充當其充電器,無(wú)需前文所提到的充電曲線(xiàn)功能。
           

          明緯充電器方案

          同前文所述,不同化學(xué)成分的電池,甚至不同的生產(chǎn)廠(chǎng)商所生產(chǎn)的相同成分之電池皆有不同的特性,為確保電池的可靠性、持久性與安全性,充電器的充電曲線(xiàn)需要搭配相對應的電池特性。明緯可程序設計充電器可搭配程序編輯器SBP-001提供彈性的解決方案,以應對不同電池的充電曲線(xiàn)要求。
          以近期推出的HEP-1000系列為例。HEP-1000-48的出廠(chǎng)設定為48V,最高1008W的恒壓電源,可用于配備有主動(dòng)平衡BMS的鋰電池。用戶(hù)另外可連接程序編輯器SBP-001和使用相應軟件更改為充電模式;默認的充電曲線(xiàn)為適用于鉛酸電池的三段式充電(圖三),脈沖電壓為57.6V,浮充電壓為55.2V。充電電壓及電流可透過(guò)軟件更改到36至60V與3.5至17.5A之間,以滿(mǎn)足其他類(lèi)型的鉛酸電池需要。

          圖三 HEP-1000-48 三段式充電軟件接口

          用戶(hù)只需要在軟件中選擇二段式充電模式,HEP-1000-48便可用于鋰電池充電,可調整的電壓及電流范圍不變。例如給一顆20Ah,最大充電電壓為56V的磷酸鋰鐵電池充電,使用者可將圖四所示的‘CV’及‘CC’選項調至56V及17.5A。如此可得到最快速的充電方案。使用者也可以選擇較低的恒流點(diǎn)避免高電流導致的高溫和較低的恒壓點(diǎn)以保證不會(huì )過(guò)度充電。

          圖四 HEP-1000-48 二段式充電軟件接口

          總結

          明緯可程序設計式充電器可幫助使用者輕松客制化充電曲線(xiàn)以符合鉛酸電池及鋰電池的要求。根據溫度及電池使用情況做充電電壓及電流的調整亦可增長(cháng)電池壽命及優(yōu)化可用電量。


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