地角天邊
江郎才盡,不足為訓
汽車電池與發電機（3）- 電池類型模型與測量
(2020-12-25 12:02:26)下一個
警告：操作電池時嚴防酸液腐蝕！特別是嚴防爆炸導致酸液飛濺到眼睛裏！
1. 電池類型和性能模型
構造有三類：開口式、膠體GEL和玻璃纖維隔板AGM，後兩者是密封的，但仍有微量失水又不能加水。用途也有類：汽車用的啟動電池、太陽能用的深度循環電池和工業如Golf車電池，極板由薄到厚，不要混用。
傳統汽車用的開口式，高溫和充電均可導致失水。每年至少檢查一次，取下兩蓋帽可以用Distilled water、蒸餾水或雨水（下麵簡稱為純水）補充，沒過極板1/4吋為好。裸露的極板很快會硫化，過度放電也會，導致電池性能降低或失效。硫化意味著極板上的硫酸不能在充電時還原到電解液中。充放電及振動會使鉛片脫落到底部可能造成短路，鉛板枝晶也可短路，有人把電解液完全倒出再加純水晃動洗滌，去除黑色固體再用。用純水充電去硫化，或者換電解液，或者15.5-16.5V的充電均衡階段，都是修複的手段，但是用者必須知道正確的做法。我隻建議加純水。這類電池滿電時的電解液比重是1.265-1.28比其它類的稍低。檢查前建議用小蘇打溫水清洗電池表麵和樁頭，若冒泡表明在與外麵的酸液中和。
小容量SLA（Sealed lead acid）電池與開口式一樣是硫酸水，結構上保證液體不外漏，蓋子有微小的缺口使得氣壓平衡。膠粘的大密封蓋可以撬開，再翹起裏麵的6個小帽補水 - 失水仍是失效的主因。打開看過一個，內部是白膠皮隔開正負極，鉛板不薄。
膠體電池把正負極板用膠包裹，容量比開口式低些，最好的是德國Sonnenschein，但是買不到。市麵的都是國產的壽命短，工藝不同，但是國產的未必比美產的差。
AGM電池電解液少，極板較厚，因此容量比上述都低，但是內阻低，壽命長60-100%，適合頻繁的啟動，例如在紅燈時關閉引擎綠燈時又啟動的那些車必須要用AGM。由於熱容量小，過充電會導致熱失控因之損壞，因此要用適合的充電器。
1.1 鉛酸蓄電池知識https://www.zhihu.com/question/27798922/answer/42347241
鉛酸蓄電池分為密封式免維護電池和非密封式電池兩種。兩種的放電原理一樣，都是：
PbO2（正極） + 2H2SO4 + Pb（負極） = PbSO4 + 2H2O + PbSO4
過氧化鉛和硫酸，和鉛，一起反應，最後正極和負極都形成了硫酸鉛，然後，電解液，也就是俗稱的電池水裏麵就沒有硫酸了，變成了水。這個是放電反應。
充電的時候這個反應過程剛好反過來，然後就是正極還原成PbO2，負極還原成Pb，兩邊釋出硫酸根，與還原反應中的水裏的氫離子接合就變成硫酸。
充電結束後繼續充，非密封式電池的話，硫酸溶液裏的H2O就被電離，成為H2和O2，然後就變成氣體跑掉了，於是電池水裏的水越來越少，到後期反應就進行不下去了，直觀的講就是電怎麽TMD越來越少，這個時候你打開電池，加蒸餾水進去，就是給反應物補充H2O。加水對於非密封式或非GEL/AGM電池有些作用，但是隨著電池的持續老化，效果越來越差，因為在充放電過程中極板不斷氧化還原會逐步脫落，變成碎屑落在電池底部，參加反應的物質逐步減少。還有負極硫酸化，也會導致電池效能越來越低，最後就不堪使用，隻能報廢。
而對於密封類GEL蓄電池，電解液是硫酸和二氧化矽凝膠，加水不容，沒啥作用。AGM電池搖晃不響，加水也沒作用。
https://patentimages.storage.googleapis.com/55/6c/be/04a4301e3f57a8/CN102683758A.pdf
https://patentimages.storage.googleapis.com/ab/b6/87/8a9d8216957a45/CN103280606A.pdf
https://www.batteryequivalents.com/how-to-convert-cold-cranking-amps-cca-to-amp-hours-ah.html
https://www.dianziaihaozhe.com/kc/battery_1922_WITTE/cn/batteryfiles/chapter09.htm
1.2 鉛酸電池均衡
https://shop.pkys.com/Battery-Equalization_ep_44.html 均衡鉛酸電池是一種旨在通過控製過充電來使電池板脫硫的工藝。隨著時間的流逝，電池極板趨向於獲得硫酸鹽塗層，從而阻礙了電解質與極板之間的化學作用。通過在這種受控的過充電中平衡電池，可以吹走板的外層，包括硫酸鹽塗層，從而使電池煥發活力，並使板的所有表麵積與電解質相互作用。它還會導致電解質起泡，並且在濕電池中將酸混合並均勻地分布在整個電池中。
均衡電池是一種可以使疲憊的電池恢複活力或防止電池變得疲憊的工具。作為一種工具，它當然是一把雙刃劍，這種對板外層的去除會減小其尺寸和體積，從而降低其使用壽命。去除的材料將掉到底部，並可能最終使板短路。我發現，決定是否均衡以及多久確定一次的最佳方法是谘詢相關電池製造商的信息。即使在電池製造商之間，您也會對進行均衡的方式有不同的意見。我建議每年一至二次。
均衡濕電池
1.首先必須將電池充滿電。
2.斷開所有負載以防過壓損壞設備。拆下安裝在電池上的所有水帽以便出氣。
3.連接充電控製器並將其設置為均衡電壓，矩形鉛酸為15.5V，卷繞的15.5-16V。
4.電池將開始大量放氣和鼓泡
5.各單元溫度不要高於115°F(46.1°C)太多，絕不要超過125°F(51.7°C)。
6.每隔一小時取一次比重，當比重不再升高時，均衡完成。
7.嚴重酸化的電池可能要花費幾個小時比重才能上升。一旦比重上升，電池組電壓很可能下降，或者充電電流將增加。一旦接近125°F(51.7°C)，立即降低充電電流。
9.繼續測量比重，直到達到1.265。
10.再充電3個小時。加水使電解液保持在板上方。讓電池冷卻，檢查記錄每個單元的比重，應為1.265±0.005或更低。檢查電池電解質水平，加水使其越過極板。
均衡AGM和其他密封電池
均衡AGM和其他密封電池比較棘手。冒泡的電解質會造成一些損失，電解液蒸汽從排氣帽流出。但是，由於無法替換丟失的電解質，因此很明顯，需要采取其他策略。我找不到建議均衡凝膠電池的製造商。這些電池對過度充電非常敏感，因此均衡對它們不起作用。但是，盡管我找到了絕對不建議均衡AGM電池的製造商(Trojan)，但也找到了建議均衡AGM電池的製造商(Lifeline)，他們說，隻有在電池長期充電不足如低於90%而表現出性能下降時才應這樣做。詳見原文。
1.3 CCA、CA
https://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_measure_cca_cold_cranking_amp SAE CCA就是電瓶能在–18°C (CA是0°C)30秒放電到7.2V時的電流，IEC是8.4V60秒而DIN是9V30秒。估算CCA值有幾種方法：100A負載放電；在10º C (50º F)下 用50%CCA電流對碳堆carbon pile放電15秒，不低於9.6V為合格；測內阻也行，例如CCA=(V-9.9125)/r；電抗法與IEEE標準1118-1996相關，按Randles 模型即電池是R1+（R2//C），加80-100Hz電流信號采樣電壓信號然後計算G=I/V，而且要考慮相位不同。測得電導值與電瓶樣本庫的基準值進行比較，CCA和溫度值加權，得出經驗公式。實踐表明，在電瓶充電為70%時電導測試結果與用1/2的CCA值放電的測試較吻合。用多模算法的Cadex Spectro™測試儀則在充電為60%以上結果均可。下文內阻不隨電池老化而變的說法很不可信：https://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_measure_internal_resistance，https://batteryuniversity.com/learn/archive/how_does_internal_resistance_affect_performance 又說隨溫度(0-20C直線變化4倍)和放電剩餘容量而變，那末阻抗或其隨放電的變化斜率可指示老化。有人說賣家按內阻增加50%來認可Warranty，那就與上述網站上說的矛盾。https://www.pveducation.org/pvcdrom/batteries/lead-acid-batteries?
2. 電池測量與充電器
任何電池的簡化數學模型，都是一個理想的電壓源(內阻為0)加串聯的內阻。電壓過低或內阻過大都表明電池有問題，電壓高未必沒問題。電壓和內阻都隨溫度和充放電而變，但在我們的條件下可認作常量。
判斷電池狀態需測量大電流下的壓降或者內阻。需要一個足夠好的萬用表Multimeter，例如MM350、HT118A、鉗形表HT206D等，我的是Fluke 85，按下MIN/MAX鍵。Fluke可以同時采樣MIN/MAX，HT206D需選MIN，然後點火看Vmin，低於9V說明電池不大好了。詳見：https://blog.wenxuecity.com/myblog/36867/202012/18398.html
理想的充電器，輸出可到36V5A，可將電池浮充到16.5V，有恒流/浮充/恒壓模式，可記錄充電量。測試儀可測1/20C時的容量/內阻，放電可達400A(對800CCA電池)。
我用的智能充電器是Turnigy Accucel-6，固件還可下載。做工很好，幾年前買的現在Amazon上還有，價格翻倍。聯機視頻：https://www.youtube.com/watch?v=y8tlWNFJq-g 國產軟件：http://www.hitecrcd.com/support/software-downloads更好的如M8S。
電池容量顯示儀例如TK15，雖然可以實測充放電AH，但是電池容量0/100%需要手動定標，即全放電後按向下箭頭3秒，全充電後或按電池指標AH值按向上箭頭3秒；而且似乎是按電壓定的。也許可用電度表改？50A表配350A取樣電阻用7V恒壓供電，把WH讀成AH？
Battery Tender(1.5A，HD $30)：據說內置BD438和Atmel uP。隻有連接電池時LED才亮，低於10V的電池判定為壞，用萬用表交流檔量脈衝電壓可達44V。•紅燈閃爍 -交流電源以及微處理器正常，若持續閃爍說明電池電壓低於3V環形端子連接有誤。•紅燈穩定 -正在充電，將以脈衝方式開始。•綠燈閃爍 -電池電量大於80％，可以停止但建議繼續充電。此後將轉恒壓充電。•綠燈穩定-充電完成，但仍可保持連接以無限期地維持電池，此時為低壓恒壓充電，電池為100-103%。推薦4.5A的。
蓄電池充電 經典的分3階段。升壓Buck: 0.2C以下充到14.4V；吸收/均衡Absorption/Equalization：15.5V充到電流降為0.05C(汽車可取0.3A)或比重不再升高；浮充Flaoting：0.05C充到電壓又降為13.6V。DIY可以簡化，例如15V5A電源充18小時。
多類電池充電器：https://www.componentshop.co.uk/pdf/ACC6-80W-charger.pdf https://hobbyking.com/en_us/turnigy-accucel-6-80w-10a-balancer-charger-lihv-capable.html
https://www.programmingelectronics.com/arduino-controlled-battery-charger/
1.2 電池測試
市麵廉價的100A battery load tester不能給出準確的CCA值，但可判斷電池是否可用。測量CCA可用Carbon Pile Load Tester，連接後用調節鈕迅速調負載電流為電池的CCA值，記下響鈴時的電壓值，然後斷開連接。例如700CCA的電池，左邊電流表要調到700CCA或即350A，15秒時右邊電壓表指針在OK刻度的綠色區域-不同室溫允許值稍有差別，說明電池容量不低於700CCA。每用一次要停2分鍾讓它散熱。注：Carbon Pile電阻由一組碳盤和兩端金屬板構成，旋鈕將它們壓緊以獲得較小的阻值。大多數CCA測試儀都測量內阻來估算。 在1/2CCA加載碳堆15秒，若電壓在9.6V以上則認為合格。
100A BATTERY load tester: 就是100A放電10秒（時間長會很熱）看端電壓。需要禁止汽車點火，比如拔去某熔絲，然後擰動點火鑰匙15秒期間讀數（要兩人）。此期間指針讀數指示CCA，如10.9V表示CCA 800，但最低電壓不能低於9.2V。CCA 600是8.7～10.6V。如果表針一直降說明電瓶壞。實例：電池電壓12.2V（未充滿），tester開機10秒後10.8V，按圖約等於發動時的9.7V。斷開後11.8V。
AE300 內阻測試儀，便宜，按上麵的公式CCA=(Vo-9.9125)/r
Condutance tester體積小價格稍高，油管上有個家夥測試過但評論被關掉，估計吐槽的不少，因為load tester通過的在電導測試儀上沒通過。
引擎實際啟動電流有多大？Youtube說一般家用車400A夠了，某人用鉗表照相測試2L柴油車是340A。
HD206D鉗表，推薦，用max+600A可測最大啟動電流(08 Odyssey是350A)，min+V可測啟動時最低電壓(9.6V以上為優，曾量得Odyssey 7.5V)，後者可準確判斷電池狀態。測量電池時要注意在引線上和電池樁頭上分別測量。
警告：電池正極樁頭常密封不良有酸氣泄出導致百粉末堆積，樁頭下必須加氈墊再噴防腐蝕劑。我曾有樁頭接觸不良可導致壓降1.7V和引擎隨機熄火的故障。
小結：傳統100A load tester的結果用於340-400A的啟動電流當然隻是估計值；IEC 61951-1:2005是用兩段電流法同時計算內阻；普通內阻測試電流不到50mA且充滿電時的內阻據稱與電瓶老化程度無關；conductance meter都是用電導加經驗值得出結果，未必準確。其實發動時的電壓記錄可靠些，即我的方法。至於其它的用低負載加統計模型推算電池性能的儀表，都是基於一定模型然後用各種電池的數據校正的，本人讀過不少論文，但是沒有用過，也不推薦。
3. 汽車應急電源與氣泵
3.1 Powerstation PSX3
標稱1KA peak 400CCA，其實所用6FM18至多283CCA。用時連線後再開其上開關，將汽車點火。不用時需長接120V保持滿電，不會過充。若無AC可用12VDC充電，不要超過2小時，可能過充。12V座直接電池可用於輸入輸出，有USB 1A輸出，電壓表、工作燈、氣壓表。電壓表欠阻尼，按下幾秒後才能穩定，指示值偏大；測試開關是瞬態的。附近有紅綠燈，亮時分別表示充電/充滿，若電池故障紅燈會快閃。氣壓表過阻尼。泵開關是自鎖的按一下開再按一下關。氣壓指示附近是工作和電池反接指示。電池6FM-18為12V18AH，不超過283AH，質量比較好的如Peak，內阻隻有10毫歐，SBS AGM 16毫歐。約7.13x3.01x6.57"(181x76x166mm)，普通36刀，AGM 36刀，若換22AH的可達420AH(Apex12220)。
以前Costco賣過，我撿了一個電池0V且不能充電。買新因ebay中國賣家反悔沒買成，按本係列第4篇修複後用，驅動氣泵沒問題。手冊：https://www.stratusengineering.com/rs232-9-pin-pinout/ 換電池：https://www.youtube.com/watch?v=ABrFNZgXZiA 裝時注意：若新電池樁頭偏裏可在外側加墊片再加負極輸出線，接頭需水平。10個螺絲，最下麵兩個螺絲最長，大開關處螺絲較短。線中接頭是活的但透明套管可能會損毀，不動它回裝電池有點麻煩。
順便說說，這類東西，包括貼Dewalt牌的，都是勉強可用，低科技低質量的產品，並非名廠如Dewalt生產。
3.2 鋰電池應急電源
聚合物電池循環次數低至200次，拿來做汽車應急問題不大，真要頻繁用於手機補電恐怕壽命有限。國內也有用A123 26650鐵鋰4並4串的，汽車啟動時電壓掉到8.5V但可以用。傳統汽車應急電源是12V 17AH鉛蓄電池。我的舊汽車電池不退了，先玩玩再做備用，該比鋰電充電寶好。
國產實例：http://wenku.baidu.com/view/0eabf1a5b14e852458fb57ee.html 使用三節KPL875880 3800mAh 3.7V聚合物鋰電，常放/瞬放南山130/200A。估計隻是一個補充電源，汽車電瓶一點沒電未必能用。由電路看是三段鋰電保護帶均衡：
3.2 氣泵
上述PSX3帶氣泵但讀數較實際值低3psi。我還有一個Sears的，但所有的點煙插頭設計都不適合大電流早晚過熱失效。網上說國產氣泵可換雙滾珠軸承碳刷電機，再換全金屬氣泵模塊。很多氣泵都有活塞磨損問題，要是有多級離心泵加單向閥更好，後者活動部件不像活塞需要壓力密封。
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