充电电池主要指标文档格式.docx
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以镍氢电池为例,IEC标准规定电池充满电后,在温度为20±
C、湿度为65±
20%条件下,开路搁置28天,0.2C放电时间不得小于3小时(即剩余电量大于60%)。
锂离子电池和干电池的自放电要小得多。
6.高率放电性能
即大电流放电能力。
数码相机、电动工具、电动玩具等用电器具尤其需要大电流放电性能优秀得电池。
大电流放电性能主要和电池的材料及制作工艺有关。
电池容量测试电路
测试各种电池容量的测试方法是将电池通过固定电阻放电,在放电的同时监测电池的端电压,当端电压下降到一定值时停止放电,并记录下放电时间,根据放电时间的长短来判断电池容量的大小。
因放电时间较长(一般需10~24小时),*人工监则与计时既繁琐又不便,且易出现失误。
为此,本人设计了此自动计时电路。
自动计时的原理是:
LCD显示时钟(或电子表)通电后正常计时,计时过程中如使其时基晶振的一端为低电平,则电路停振,LCD显示屏上的计时时间会保持不变。
撤去外加低电平后LCD时钟又恢复正常走时。
利用上述原理设计的电池容量测试电路如图所示。
四运放接成电压比较器用于监测电池端电压,本电路一次可同时测试四个电池,利用四个LCD台钟自动记录放电时间。
在测试之前,先调节R2设定电池放电的终止电压VA。
RL1~RL4是电池放电电阻,其阻值随电池的型号、规格而异。
当电池放电到端电压低于设定值VA时,运放输出高电平,LED点亮,晶体管导通,LCD台钟时基电路停振,显示屏上保留了电池的放电时间,从而省去了人工值守的麻烦。
放电容量的一种新的计量方法
前
言
随着环保意识的逐渐加强,世界各国竞相开展环保汽车的研制,我国也正在投入资金开发以电池为动力的电动汽车。
而电动车必不可少的仪器就是电池容量计,就象普通汽车的油量表一样,告诉使用者电池还剩余多少容量,能够行驶多少公里。
实际上,不仅电动车需要电池容量计,许多使用电池的场合都对此有迫切的要求。
传统的对电池监视的手段仅仅是一块电压表,而电压却不能准确反映电池的容量,经常出现电压正常,却无容量的现象。
作为使用者常常感到困惑的就是不知电池还能使用多久,因此影响到许多关键场合的使用,还易出现误判引起事故。
因此研制一台反映电池容量的仪器就显得十分必要了。
目前国外已有同类产品问世,但可能由于技术保密的原因,未见介绍其实现的方法。
本文以电动车为使用对象,提出了一种采用电量计量方法实现的电池容量计,可在一定条件下计量电池容量。
它基于这样一种原理,即对电池充进能量和放出能量进行计算并乘以相应的损失系数从而指示电池的容量(该系数应考虑到充电效率及电池放电电流大小以及其它因素对电池容量的影响)。
2基本原理
电池的容量除了一些电池本身的因素外,主要取决于充电量和放电量,显然如果始终能记录下电池的充放电情况就可以测出容量。
我们设想在传统的单一电池上装备这种称之为电池容量计的仪器以达到显示容量的目的。
该容量计动态监视电池充进电量的总和及放出总电量并运算后直观显示。
影响电池容量的其它因素综合为一个损失系数,该系数乘以充放电量的算数和即为电池剩余容量。
由于电池的种类、大小、性能不尽相同,损失系数是不相同的,主要*试验获得,故这里不讨论系数问题,只研究完成计量电量功能的电路。
电池充放电有多种方式,恒流、限压、脉冲、负脉冲等等,所以简单地用电流乘以时间计量容量的方式无法适应除恒流外的其他方式,而积分方式又不能适应负脉冲充电的需要,同时它需要时间参数,亦不太适合。
显然电池容量计的设计应满足多数的充放电方式。
无论何种充电方式,其影响电池容量的关键参数即为电流和时间,负脉冲充电情况下只是同时有负电流。
为此我们设计了如下工作方式的电池容量计电路,原理方框图见图1。
首先监测电池的充放电电流,将其转换为电压信号后放大,送入电压频率转换器使其变为频率信号,最后送入计数器记录脉冲的个数,通过一定方式将计数值显示出来,这就构成了一台电池容量计。
实际上,频率的高低代表了电流的大小,电流大则频率高,在同一时间内记录的脉冲个数就多,反之亦然。
而充放时间亦反映在对脉冲的计数上,时间长则计数个数多。
如此,就利用计数方式完成了对电池充放电量的计算。
图1电池容量计原理框图
绝对值放大器和可逆计数器二者的结合,实现了对充电中放电间隙(即负脉冲充电)的计量,同时用一套电路完成了充放电两个方向的计算。
充电时正向计数,放电时反向计数(减数),用电流的流向控制可逆计数器的计数方向。
3方案论证及技术关键的解决
3.1电流取样
电流取样的目的是将电流信号变为电压信号,一般有三种方式:
(1)取样电阻;
(2)分流器;
(3)霍尔器件(包括互感器类)。
从电动车电池使用来看,电流较大,显然使用取样电阻并不合适,而分流器又太重且体积也较大,不太适用,故霍尔器件较为适用。
其优点是线性程度优于0.1%,适于范围较大的跟踪,动态性能好,响应时间小于1μs,这样可即时跟踪汽车起动的瞬时电流。
另外,其尺寸小,重量轻适于在汽车上安装。
它的缺点是价格稍贵,但对于汽车上使用的电池价格来讲完全可以忽略。
由于选用可以购买到的成熟产品,电路较简单不再列出。
3.2绝对值放大器
由于充放电电流方向不同,采用绝对值放大器,它将霍尔器件输出的正负信号统一放大为正信号,然后送往压频转换器。
绝对值放大器的设计方法较多,从电源上来看,有单电源、双电源两种方式,采用的运放个数有一个和多个。
本机由于采用霍尔器件且为双向电流,故单电源没有优点,而单运放的放大器,电阻取值太多,精度要求高,并且对负载亦应考虑,不太适用。
本机采用由二运放构成的绝对值放大器,选用低失调、低漂移的运算放大器0P-07,精度高且性能不受负载影响,这里苛求绝对值放大器的精度,不是为系统精度作贡献,而是从另外一点考虑的。
这就是前面提到的,就电池容量计而言,对电池监测的最好办法应是同电池一体,始终监视电池状况。
而这就要求电池没有充放电流时,放大器的输出为零,否则经过长期搁置后,容量计由于放大器误差的关系指示充满或放光,产生误判。
以高精度、低失调、低漂移设计完成后的样机,满度误差为1mv,零度误差小于1mv。
参见图2。
图2绝对值放大器原理图
3.3压频转换器
压频转换器是电池容量计的核心部分,负责将放大的信号转换为频率信号,它的线性度和精度直接影响到整机。
实现压频转换的方法也有很多种。
从形式上看,有分立元件和专用集成芯片两种形式,一般的分立元件精度、体积、调整复杂程度均高于集成芯片,但其价格较低,而专用芯片在线性度、电压稳定度、精度等指标相对可接受的价格而言有所降低。
我们考虑到体积和充放电全程跟踪及性能价格比的问题,选择了VFC32为电压频率转换器件,该器件较好的线性度为全程跟踪精度提供了保证,并以较少的元件使体积缩小,电路原理见图3。
图3压频转换器原理图
3.4可逆计数器
计数器部分全部采用CMOS电路,一是功耗低,这对依*电池本身供电显得极为重要;
二是其电平与运放电平匹配,并使显示范围增大。
见图4。
图4可逆计数器原理图
采用了14级脉冲进位二进制计数器4020一片,4位可逆二进制计数器4516二片,构成21级计数器。
其中高7位计数器数值有效作为计数值并输出,而低14位则仅用来计数并不用作输出,且4020是单向计数,无减法功能。
此种设计有两大优点:
(1)4020是高集成度的计数器,可代替3片半4516来使用,这样大大缩小了体积。
(2)当作加法时,4020可精确到最低位;
作减法时,误差为低十四位,但这个十四位也是一次性的最大误差,无累加性,因为电路上采用了异步、同步计数混用的方法。
当减去14个数(虽然4020是加),4020输出异步脉冲4516减"
1"
,如同作真正减法一样,而4020的数值是不能输出的,这使得结果十分精确。
3.5控制电路
该部分包含有预置电路、防溢出电路、计数方向控制电路。
本样机为适用范围宽,在计数器的预置和控制电路上均增加了拨动开关,这样可以通过拨动开关设置计数部分初值和终值,可达到检测使用已知电池电容的目的,比较方便。
同时为防计数器双向溢出,分别设置防溢出电路,使计数器计到零和满值时均不再计数,以防错误。
通过对电流流向的比对,输出脉冲控制可逆计数器的计数,构成方向控制电路。
3.6显示
显示有数字式、指针式两种方式。
为保证直观的显示,同时尽可能沿用普通汽车的仪表,仍采用汽车上原有指示电池电压的电压表。
而在电压表上设置一个开关,通过它来切换电压、容量的指示,这样较为方便。
这需要将计数器的二进制数转化为电压。
显然用D/A转换是可以的,但电路复杂程度上升,成本也有所提高。
故为了简化电路我们仅借用D/A转换网络的思想,利用权电阻T形网络将4516的7位数值变换成模拟量输出,推动电压表指示,见图5。
图5
显示电路原理图
3.7工作电源部分
电池容量计不同于其它仪器的是它只能使用电池作为电源,而由于电池电压的变化及波动,直接使用显然是不合适的,为此必须由电池引出产生二次电源。
首先霍尔器件需电源±
12V,电路控制计数等部分也亦借用±
12V,另外我们考虑到为了使容量指示更直观清晰,其最大电压范围应大些,同时也能充分利用其电压表有效指示。
其电压表范围为40V,而电池电压最高为30V,故设定容量指示最大指示为28V,这就需要电源电压为30V。
由于电池起动时有大电流放电,使电压波动十分厉害,约15~30V,为适应其变化,同时减小容量计自身功耗,提高效率,设计全部采用开关电源。
首先+12V的获得是采用LM2575降压调整器,该芯片输入电压可达40V,固定振荡频率52kHz,电压、电流调整率较好,适应容量计的要求。
-12V是利用+12V为输入,通过34063DC/DC变换器加以变换而成。
这样损失了部分功率。
我们原设计用M2575HV(输入电压60V)由电池电压直接引入,但由于60V的LM2575HV未能买到,只得作罢。
将来如有批量,可定货。
好在-12V功率有限,损失较小。
30V一组电源,其电压高,电流小,如采用普通DC变换器如2575或其他器件,体积过大,且磁心元件等都大为浪费,得不偿失。
故我们在设计中一直在寻找简洁的方法,最后经试验决定利用555振荡器升压并采用倍压整流的方法将12V提升至30V,效果极好,见图6。
4产品的设计与计算
4.1电压/频率关系的设定
电压0~10V对应频率0~10kHz
图6
30V电源原理图
电流0~1000A对应电压0~10V
这几个值的选取,综合考虑了霍尔元件、放大器、F/V转换设计的最佳值及试验样机的需要。
4.2计数位数
4020-14位4516两片共8位,加起来为22位,仅采用21位,其计数个数为:
221=2.097152×
106。
对10kHz的计数时间
T=(221×
1/104)秒=3.49分。
当10kHz对应1000A时,对45Ah电池来讲
T=C/I=45/1000=0.045h=2.7分<
3.49分
,
可见计时已够,满度计时安时数为
(221×
1/104)×
1000/3600=58.25Ah。
4.3误差的计算
前14级计数时间为△T=214,总计时为T=221,相对误差△T/T=214/221=0.78%。
可见前14级误差极小,尚不足1%,且其仅在做减法时一次性出现,可以忽略。
故采用一片4020代替三片4516是合理的。
5性能测试结果
整机测试,条件为充放电流15A,电压(代表容量)指示满容量为28.002V,电池容量放尽后,电压(代表容量)指示为0V,指示容量与实际容量误差为3%,符合设计要求。
6结论
在输出容量等于输入容量乘以损失系数的模式下,本文以电动车为使用对象,对输入取样、绝对值放大、压频转换、显示及工作电源各部分作了深入细致的阐述,进行了非常有益的探索,是目前计量电池容量的有效方法之一,适用于无记忆效应、性能相对稳定的电池。
实现蓄电池快速充电的技术途径
1.改进电池设计降低欧姆内阻
按照ALABC规定的快速充电目标,若要求100Ah起动用铅蓄电池在5min内将电池容量由20%充至50%,即充入电量为100×
(0.5-0.2)=30Ah,则充电电流应不小于30÷
(5÷
60)=360A,即3.6
(A),此时电池欧姆降为360×
6×
=0.216V,电池电压达到1.97+0.216+0.030+0.006=2.23V,未到析气电压,电池可以安全充电。
水平式密封铅蓄电池欧姆内阻更小,112Ah单格电池0.3mΩ
,则电池容量在5min内由20%充至50%需要充电电流为112×
(0.5-0.2)÷
60)=403A,用此电流充电时的电池欧姆降为403×
3×
=0.121V,它比起动用电池要低。
显然,水平密封铅蓄电池在充至析气电压时可以充入更多的电量,即它的快速充电性能更好。
我们以前的工作已经得到,铅蓄电池若采用铜拉网负板栅,则会显著地降低板册电阻;
这不仅有利于提高活性物质利用率和电池比功率,而且还改善了电池快速充电性能。
看来采用铜拉网负板栅的铅蓄电池会给电动车带来很大好处。
2.提高反应离子扩散速度
这是为了提高铅蓄电池的扩散电流密度,也就是推迟电池在充电过程中极限扩散电流出现的时间,即延迟电池电压达到析气电压的时间,从而允许加大充电电流,快速充电。
减薄极板厚度、增加活性物质孔率、增加板栅跟活性物质的接触面积,这些措施均有利于反应物和生成物的扩散过程,减小浓差极化,提高了允许的充电电流值,实现快速充电。
但从电池寿命考虑,极板也不能做得太薄。
3.改革蓄电池的充电方法
脉冲快速充电方法的理论基础就是通过在充电电流中叠加一定频率、宽度、高度的负脉冲或短时间的中停充电,使参加反应的
离子来得及生成并提高其浓度,又使生成的
和
离子来得及从电极表面附近移开,其综合效果是降低了浓差极化,允许加大充电电流缩短充电时间。
应当指出,铅蓄电池在充电过程中端电压是不断升高的,也就是说在不同的充电阶段蓄电池的极化分布情况是不同的,因而在设计脉冲充电装置时,应当根据电池充电时允许达到的电压值来自动调节充电电流和时间;
同时还必须按照负脉冲放电过程中电池电压下降值来自动调节负脉冲的宽度和高度。
这样虽然充电电流很大,但由于适时地有效地采取了降低浓差极化的措施,蓄电池电压上升就慢,使蓄电池充入更多的电量。
目前开发的智能化充电装置就是考虑到这些情况后进行设计的。
4.快速充电对电池寿命的影响
大电流快速充电对电池寿命的影响是好还是坏众论纷纭;
出现这种不同的看法不足为怪。
这首先是由于电池寿命不是一致的,在我们的试验中观察到,即使是从生产线上同时制取的一批电池,其循环寿命甚至可相差1倍;
再者,长时期的寿命试验过程中,很难保证各批电池的试验条件完全一致。
虽然一般认为大电流充电会缩短电池寿命,但在文献中却报道了在有适当冷却的情况下,阀控式密封铅蓄电池的循环寿命却因大电流充电而有改善。
我们的试验表明,在保持电池充电电压低于析气电压的条件下,大电流快速充电并没有给电池寿命带来不利影响。
电动车电池在使用过程中,可以不必每次充电都充至额定容量的100%,但每隔一星期(最好不超过半个月)应将电池充足电。
尤其在不使用电动车时,更应当将电池充足电后保存。
这样会有利于延长电池的使用寿命。
结论
(1)铅蓄电池价格便宜,使用可*,且寿命长,电池本身又在不断更新和发展,因而近期内它仍然是电动车的切实可行的动力源。
(2)电池欧姆内阻是大电流充电时引起电池电压升高的主要因素;
必须改进电池结构降低内阻方可满足电动车对电池快速充电的要求。
(3)采用脉冲充电和智能化充电装置,有利于降低浓差极化,提高充电效率。
中国国家电池标准与行业电池标准目录
资料来源:
电池协会
序号
标准编号
标准名称
备注
1
GB/T
2829-1987
周期检查计数抽样程序及抽样表
2
2828.1-2003
计数抽样检验程序
第1部分:
按接收质量限(AQL)检索的逐批检验抽样计划
3
3929-1983
标准电池
4
8897-1996
原电池总则
已作废
8897.1-2003
原电池
第1部分:
总则
GB
8897.2-2005
第2部分:
外形尺寸和技术要求
5
QB/T
1495-1992
原电池(规格与电性能)
20155-2006
电池中汞、镉、铅含量的测定
6
467-1997
(高纯阴极铜)
7
470-1997
锌锭
8
1919-1994
工业氢氧化钾
9
1978-1988
电池锌板
转行标
10
2945-1992
氯化铵
11
3519-1995
微晶石墨
12
3610-1997
电池锌饼
13
3781-1993
乙炔碳黑技术条件
14
3781.8-1993
乙炔碳黑盐酸吸液量的测定
15
3781.9-1993
乙炔碳黑电阻率的测定
16
7112-1998
R03、R1、R6、R14、R20型锌锰干电池
LR03、LR1、LR6、LR14、LR20型碱性锌锰干电池
2005年8月1日作废
17
10758-1989
碱锰扣式电池(改为QB/T
3747-1999)
18
11100-1989
冲压电池壳用硬质合金毛坯
19
12689-1990
锌及锌合金化学分析方法
20
13011-1991
锌锰干电池生产防尘毒技术规程
21
14949-1994
锰矿石化学分析方法
22
1185-1991
LR20、LR14、LR6型碱性锌锰干电池
23
1186-1991
6F22型锌锰干电池
24
1246-1991
电池铁壳成型机
25
1694-1993
电池机械产品型号编制方法
26
1732-1993
R40型锌锰干电池
27
1758-2000
电池贴标机
28
1819-1993
R6纸板电池生产线
29
1820-1993
调粉机
30
1971.1-1994
干电池正极帽
普通铜帽
31
1972-1994
LR03、LR1型碱性锌锰干电池
32
1973-1994
电池用碳棒
33
2106-1995
电池用电解二氧化锰
34
2303-1997
浆层纸
35
2459.1-1999
LR6、LR03碱性锌锰电池
正极钢壳
36
2459.2-1999
负极底
37
2459.3-1999
密封圈
38
2459.4-1999
集流体
39
2459.5-1999
紧固帽和支撑片
40
3747-1999
碱锰扣式电池(原为GB/T
10758-1989)
41
2576-2002
无汞碱性锌-二氧化锰电池用锌粉
42
2629-2004
无汞碱性锌-二氧化锰电池用电解二氧化锰
43
SH/T
0419-1994
绝缘沥青
44
SJ/T
9550.6-1993
碱锰扣式电池质量分等标准
不适用,待修订
45
9550.7-1993
R20S、R20C、R20P型锌锰干电池质量分等标准
46
9550.8-1993
R14S、R14C、R14P型锌锰干电池质量分等标准
47
9550.9-1993
R6S、R6C、R6P型锌锰干电池质量分等标准
48
9550.10-1993
R40型锌锰干电池质量分等标准
不适用,待修订
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- 充电电池 主要 指标