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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,近年來被越來越廣泛的應用。如今電池不僅可用于個人電子設備、傳統汽油汽車和不間斷電源(UPS),還被用于電動汽車和新能源的儲能設備當中。然而市場上多樣的電池種類給消費者甚至是工程師們帶來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,歷史最長的充電電池之一。主要的優勢在于其可接受略高于自身開路電壓的充電電壓,可提供瞬間的高電流,較寬的使用溫度及低廉的價格。由于其較高的可靠性,常常被用在汽車或UPS系統當中。鉛酸電池的缺點在于其自身的放電速率高,壽命短,因此不適合用于長期儲能。

      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種類。各種鋰電池皆有其特點。如鈷酸鋰(LCO)電池具有較高的能量密度,適用于個人電子設備。磷酸鋰鐵(LiFePO4)電池則有較長的使用壽命且溫度較穩定,所以常被用作儲能應用。鋰電池最大的缺點則是其容易在使用中溫度過高而導致燃燒,所以更需要謹慎地控制充放電的過程。
       

      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單元電池并聯和串聯組成的。常見的電池電壓為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。充電循環的第一階段為恒流充電(圖一‘stage 1’),該階段充電器會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,充電器就會轉換到恒壓充電模式(圖一‘stage 2’),充電器在該階段會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會逐漸降低,電流降低至額定電流的約10%時,充電器進入浮充模式(圖一 ‘stage 3’),充電器自動降低輸出電壓到事先設定的浮充電壓,從而保證電池不過度充電。此時充電已基本完成,但是鉛酸電池還是會持續拉電以彌補自放電的消耗。


      圖一 三段式充電曲線
       

      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。需注意不同廠商生產的相同化學成分鋰電池也往往有不同的額定電壓及電流??蛻粜韪鶕姵匾幐駷闇?。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浮充模式的二段式充電(圖二)

      圖二 二段式充電曲線
       

      單元電池的不平衡是高電量鋰電池的一大問題。由于生產時無法保證電池的完全一致,單元電池會有不同的等效串聯電阻(ESR)。有較小ESR的單元電池會最快充飽或放完電,所以也會最快衰退并報廢。單元電池的不平衡不僅會大大縮短整個電池的壽命,且有可能導致電池過熱并造成安全隱患。為解決這一問題,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并平衡各單元電池。平衡電池的方式分為被動平衡與主動平衡。被動平衡是給相對電量較高的電池放電。主動平衡則是通過給每個單元電池單獨充電以確保相同的荷電狀態。運用主動平衡方式的BMS往往僅需使用恒壓電源充當其充電器,無需前文所提到的充電曲線功能。
       

      明緯充電器方案

      同前文所述,不同化學成分的電池,甚至不同的生產廠商所生產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要求。
      以近期推出的HEP-1000系列為例。HEP-1000-48的出廠設定為48V,最高1008W的恒壓電源,可用于配備有主動平衡BMS的鋰電池。用戶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軟件更改到36至60V與3.5至17.5A之間,以滿足其他類型的鉛酸電池需要。

      圖三 HEP-1000-48 三段式充電軟件接口

      用戶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避免高電流導致的高溫和較低的恒壓點以保證不會過度充電。

      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電池壽命及優化可用電量。


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