Pengetahuan tentang Pengisi Daya Kendaraan Listrik dan Baterai Penyimpanan

Klasifikasi Pengisi Daya:

Pengisi daya dapat dikategorikan menjadi dua jenis utama berdasarkan apakah pengisi daya tersebut dilengkapi transformator frekuensi listrik (50Hz). Pengisi daya sepeda roda tiga angkutan biasanya menggunakan trafo dengan frekuensi listrik, sehingga menghasilkan unit yang lebih besar dan lebih berat yang mengonsumsi lebih banyak daya namun menawarkan keandalan dan harga yang terjangkau. Sebaliknya, sepeda dan sepeda motor listrik menggunakan apa yang disebut pengisi daya catu daya mode peralihan, yang lebih hemat energi dan hemat biaya tetapi rentan terhadap kegagalan.
Prosedur yang benar untuk mengganti pengisi daya mode adalah: selama pengisian daya, sambungkan baterai terlebih dahulu, baru kemudian sumber listrik; setelah terisi penuh, putuskan sambungan listrik sebelum melepas steker baterai. Melepaskan steker baterai saat mengisi daya, khususnya saat arus pengisian tinggi (ditunjukkan dengan lampu merah), dapat merusak pengisi daya secara parah.
Pengisi daya mode peralihan yang umum dibagi lagi menjadi tipe setengah jembatan dan pulsa tunggal. Pengisi daya pulsa tunggal dikategorikan sebagai desain maju atau flyback. Desain setengah jembatan, meskipun biayanya lebih tinggi, menawarkan kinerja yang unggul dan sering digunakan pada pengisi daya yang dilengkapi pulsa negatif. Tipe flyback, karena lebih ekonomis, mempunyai pangsa pasar yang signifikan.

Mengenai Pengisi Pulsa Negatif
Baterai timbal-asam memiliki sejarah lebih dari satu abad. Awalnya, praktik global sebagian besar menganut pandangan tradisional dan prosedur pengoperasian: pengisian dan pengosongan daya pada suhu 0,1C (dimana C menunjukkan kapasitas baterai) diyakini dapat memperpanjang umur baterai. Untuk mengatasi tantangan pengisian cepat, Mr. Max dari Amerika Serikat menerbitkan temuan penelitiannya secara global pada tahun 1967. Hal ini melibatkan pengisian daya dengan arus pulsa yang melebihi laju 1C, diselingi dengan interval pengosongan selama jeda pengisian daya. Pengosongan memfasilitasi pengurangan polarisasi, menurunkan suhu elektrolit, dan meningkatkan kapasitas penerimaan muatan pelat.
Sekitar tahun 1969, ilmuwan Tiongkok berhasil mengembangkan beberapa merek pengisi daya cepat berdasarkan tiga prinsip Mr. Max. Siklus pengisian berlangsung sebagai berikut: pengisian pulsa arus tinggi → memutus sirkuit pengisian → pengosongan baterai sebentar → menghentikan pengosongan → membangun kembali sirkuit pengisian → pengisian pulsa arus tinggi...
Sekitar tahun 2000, prinsip ini diadaptasi untuk pengisi daya kendaraan listrik. Selama pengisian daya, sirkuit tetap tidak terputus, menggunakan sirkuit pendek dengan resistansi rendah untuk mengosongkan daya baterai untuk sementara. Karena sirkuit pengisian daya tetap aktif selama hubungan arus pendek, sebuah induktor dihubungkan secara seri di dalamnya. Biasanya, arus pendek berlangsung 3–5 milidetik dalam satu detik (1 detik = 1000 milidetik). Karena arus dalam induktansi tidak dapat berubah secara tiba-tiba, durasi hubung singkat yang singkat melindungi bagian konversi daya pengisi daya. Jika arah arus pengisian disebut positif, maka debit secara alami menjadi negatif. Akibatnya, industri kendaraan listrik menciptakan istilah 'pengisi daya pulsa negatif', yang mengklaim bahwa hal itu dapat memperpanjang masa pakai baterai dan sebagainya.

Mengenai Pengisi Daya Tiga Tahap
Dalam beberapa tahun terakhir, kendaraan listrik telah banyak mengadopsi apa yang disebut pengisi daya tiga tahap. Tahap pertama disebut tahap arus konstan, tahap kedua disebut tahap tegangan konstan, dan tahap ketiga disebut tahap tetesan. Dari perspektif teknik elektronik, hal ini lebih tepat digambarkan sebagai:
- Tahap pertama: Mengisi tahap pembatas arus
- Tahap kedua: Tahap tegangan konstan tinggi
- Tahap ketiga: Tahap tegangan konstan rendah Selama transisi antara tahap kedua dan ketiga, lampu indikator panel berubah sesuai dengan itu. Kebanyakan pengisi daya menampilkan lampu merah pada tahap pertama dan kedua, lalu berubah menjadi hijau pada tahap ketiga. Transisi antar tahap ini ditentukan oleh arus pengisian: melebihi ambang batas tertentu akan mengaktifkan tahap pertama dan kedua, sedangkan penurunan di bawahnya akan memicu tahap ketiga. Arus ambang batas ini disebut arus transisi atau arus switching.
Pengisi daya awal, termasuk yang disertakan dengan kendaraan bermerek, meskipun menunjukkan perubahan indikator, sebenarnya adalah pengisi daya bertegangan konstan dan terbatas arus, bukan unit tiga tahap yang sebenarnya. Biasanya, baterai ini mempertahankan nilai tegangan stabil tunggal sekitar 44,2V, yang cukup untuk baterai sulfat dengan gravitasi spesifik tinggi pada masa itu.
Mengenai tiga parameter utama pengisi daya tiga tahap
Parameter penting pertama adalah nilai tegangan konstan rendah selama fase tetesan. Yang kedua adalah nilai tegangan konstan yang tinggi selama fasa kedua. Yang ketiga adalah arus transisi. Ketiga parameter ini dipengaruhi oleh jumlah baterai, kapasitasnya (Ah), suhu, dan jenis baterai. Untuk kemudahan referensi, kami akan mengilustrasikan penggunaan pengisi daya tiga tahap yang paling umum untuk sepeda listrik (tiga baterai 12V 10Ah secara seri):
Pertama, nilai tegangan konstan rendah selama fase tetesan, dengan tegangan referensi sekitar 42,5V. Nilai yang lebih tinggi menyebabkan dehidrasi baterai, meningkatkan risiko panas berlebih dan perubahan bentuk; nilai yang lebih rendah menghalangi pengisian penuh. Di wilayah selatan, nilai ini harus di bawah 41,5V; untuk baterai gel, tegangannya harus di bawah 41,5V, dan sedikit lebih rendah lagi di wilayah selatan. Parameter ini relatif ketat dan tidak boleh melebihi nilai referensi.
Selanjutnya perhatikan nilai tegangan konstan tinggi pada tahap kedua, dengan tegangan referensi kurang lebih 44,5V. Nilai yang lebih tinggi memfasilitasi pengisian penuh secara cepat namun dapat menyebabkan dehidrasi baterai, dengan arus yang gagal berkurang secara memadai pada fase pengisian selanjutnya, yang mengakibatkan baterai menjadi terlalu panas dan berubah bentuk. Nilai yang lebih rendah menghambat pengisian penuh secara cepat namun memfasilitasi transisi ke tahap tetesan. Meskipun tidak diatur secara ketat seperti nilai pertama, namun tetap tidak boleh terlalu tinggi.

Terakhir, mengenai arus konversi, nilai referensinya kira-kira 300mA. Nilai yang lebih tinggi akan menguntungkan umur panjang baterai dengan mengurangi deformasi termal, meskipun hal ini menghambat pengisian cepat. Nilai yang lebih rendah (untuk orang awam) memudahkan pengisian daya, tetapi karena pengisian tegangan tinggi yang berkepanjangan, dapat menyebabkan dehidrasi baterai, yang menyebabkan deformasi termal. Khususnya ketika sel-sel individual tidak berfungsi, jika arus pengisian tidak dapat dikurangi di bawah arus ambang batas, hal ini dapat merusak sel-sel yang sehat. Rentang referensi yang ditentukan memungkinkan penyimpangan ±50mA atau bahkan ±100mA, tetapi tidak boleh berada di bawah 200mA.
Saat ini, banyak pengisi daya flyback berbiaya rendah tersedia di pasaran dengan nilai tegangan konstan tinggi 46,5V, nilai tegangan konstan rendah 41,5V, dan arus transisi melebihi 500mA.
Untuk pengisi daya yang menangani empat baterai 12V (total 48V), dua parameter pertama dihitung dengan membagi nilai referensi tegangan yang disebutkan di atas dengan tiga dan mengalikannya dengan empat. Tegangan konstan tinggi kira-kira 59,5V, dan tegangan konstan rendah kira-kira 56,5V.
Jika kapasitas baterai melebihi 10Ah, parameter ketiga (nilai saat ini) harus ditingkatkan secara tepat. Misalnya, baterai 17Ah mungkin memerlukan hingga 500mA.

Mekanisme kegagalan baterai: penipisan air; sulfasi; pelunakan anoda; dan pelepasan bahan aktif dari anoda.

Pemulihan harga yang berlebihan. Jika masa pakai baterai bukan merupakan perhatian utama, metode pemulihan ini akan memberikan hasil langsung. Siklus pengosongan dan pengisian ulang yang dalam dapat meningkatkan kapasitas baterai, sebuah fakta yang diakui secara global. Namun, hal ini dapat membahayakan masa pakai baterai. Banyak postingan di situs ini yang hanya berfokus pada bagaimana pengisian berlebih dapat mengubah permukaan oksida timbal-α menjadi oksida timbal-β pada pelat positif, sehingga meningkatkan kapasitas. Menerapkan pendekatan ini selama perbaikan berisiko menyebabkan hilangnya kapasitas yang tidak dapat diubah. Beberapa baterai yang dikembalikan ke produsen untuk perbaikan telah diproses menggunakan metode tersebut.
Berdasarkan praktik pribadi, saya percaya bahwa restorasi over-discharge dan over-charge yang efektif dapat memberikan hasil yang sangat baik ketika arus dan durasi dibatasi secara ketat, yang sejalan dengan proses pembentukan pelat selama produksi. Kuncinya terletak pada kearifan, tidak menerapkan pembebanan terbalik secara seragam di semua kasus. Pertimbangkan kasus baru-baru ini: ketika mengunjungi toko kenalan saya, Lao San, saya menemukan empat baterai 17Ah yang baru saja dilepas dari sepeda motor listrik. Mereka bermaksud menjualnya (seharga 120 yuan) ke pengumpul baterai bekas. Saya menyarankan untuk tidak membuangnya, menyarankan agar perbaikan dapat dilakukan, dan membawanya kembali untuk dinilai. Ringkasan singkatnya berikut ini:
Contoh Tiga: Keempat baterai tersebut diproduksi di Changxing, Zhejiang, meskipun bukan oleh Tianneng. Karena baru dilepas, tidak ada pengujian atau pengisian daya tambahan yang dilakukan. Tegangan rangkaian terbuka adalah sebagai berikut: Unit 1: 13.42V; Unit 2: 13.36V; Unit 3: 13.18V; Unit 4: 12.4V. Terbukti, mereka kekurangan elektrolit. Setelah casing dibuka, setiap sel dalam tiga baterai pertama menerima 6ml ditambah tambahan 4ml elektrolit, sedangkan sel 4 menerima 6ml ditambah tambahan 2ml. Setelah istirahat selama dua jam, pengisian daya dimulai pada 10A pada awalnya, dikurangi menjadi 3A setelah dua menit, kemudian dialihkan ke mode step-down setelah setengah jam. Produksi gas secara bertahap dimulai. Sel 1–3 menunjukkan produksi gas yang relatif konsisten di semua kompartemen, sedangkan sel 4 menunjukkan produksi gas di lima kompartemen pada waktu yang hampir bersamaan. Namun, setelah produksi gas dimulai, kompartemen di dekat anoda masih tidak menghasilkan gas dalam jumlah besar. Pengisian daya terhenti. Pengujian kapasitas menunjukkan bahwa sel 1–3 mendekati kondisi baru, sedangkan sel 4 hanya menghasilkan 1,5Ah. Tambahkan 4 mililiter air ke setiap sel sel 1–3, lalu isi daya secara bertahap hingga semua sel menghasilkan gas. Isi daya sel 4 secara terpisah selama satu jam, lalu kosongkan pada 5A. Tegangan terminal monitor: butuh 20 menit untuk turun dari 13.2V menjadi 10.5V, dan kurang dari 5 menit untuk mencapai 8.32V. Lanjutkan pengosongan pada 5A, pertahankan sekitar 8,15V selama satu jam sebelum menghentikan pengujian. Mengapa berhenti? Kesimpulan yang muncul: sel yang berdekatan dengan anoda rusak, dengan kapasitas sekitar 1,5Ah. Penjelasan teoretis singkat: penurunan 20 menit dari 13,2V ke 10,5V menunjukkan sel yang rusak (sudah jauh di bawah 1,7V) memiliki kapasitas kurang dari 1,5Ah. Melanjutkan pelepasan 5A, sel yang rusak turun menjadi 0V. Lima sel sehat yang tersisa (10V) mengisi ulang sel yang rusak. Ketika sel yang rusak mencapai hampir 2V pada pengisian terbalik, sel tersebut menjadi stabil untuk waktu yang lama. Tegangan terminal baterai sama dengan jumlah lima sel sehat dikurangi tegangan balik sel rusak: 10V - 2V = 8V. Pembuangan lebih lanjut tidak diperlukan karena akan merusak lima sel yang baik. Untuk mengidentifikasi sel yang rusak: baterai ini memiliki port pengisian elektrolit yang jauh lebih kecil dibandingkan unit 10Ah. Dengan menggunakan alat berlapis timah buatan sendiri, sel yang rusak dapat ditentukan dalam hitungan detik. Dalam kasus ini, lima sel menunjukkan evolusi gas, sedangkan sel di dekat anoda tidak. Pengujian memastikan sel ini rusak, dengan pemisahan sel sebagian. Perawatan terisolasi mengembalikan sel ini ke kapasitas 10Ah. Perbaikan kini telah selesai. Sel 1–3 menunjukkan kapasitas yang hampir baru, sedangkan Sel 4 mencapai 10Ah (lima sel fungsional secara kolektif cocok dengan kapasitas yang hampir baru pada Sel 1–3).

Metode pemeriksaan sulfasi tanpa membuka penutup
Berikut adalah metode untuk menentukan sulfasi tanpa membuka baterai: Isi daya baterai menggunakan sumber arus konstan yang dapat diatur hingga sekitar 0,05C. Perhatikan bahwa sulfat ditunjukkan oleh kondisi berikut. Mengambil baterai 12V sebagai contoh: tegangan awal melebihi 15V (dengan deviasi yang lebih besar menunjukkan sulfasi yang lebih parah), dan seiring bertambahnya waktu pengisian, tegangan menurun, mendekati 15V. Jika dialihkan ke pengisian tegangan konstan, arus akan menunjukkan tren meningkat. Hal ini didasarkan pada pengalaman praktis saya, sedangkan literatur standar biasanya hanya menyebutkan gejala seperti timbulnya panas berlebihan, pelepasan gas prematur, dan berkurangnya kapasitas. Saya telah mendemonstrasikan metode diagnostik ini di lokasi kepada beberapa mahasiswa universitas yang berspesialisasi dalam bidang tersebut, membandingkan baterai timbal-asam dengan berbagai tingkat sulfasi. Sumber arus konstan yang dapat disesuaikan adalah desain saya tahun 1978, 'Pengisi Daya Multifungsi Bintang Baru', yang disertakan dalam lampiran buku teks saya Instalasi Televisi Hitam Putih. Awalnya menggunakan trafo 36V dengan komponen linier diskrit, kemudian ditingkatkan menjadi desain linier sirkuit terpadu dengan arus konstan yang dikontrol saklar elektronik.

Menilai kehilangan air tanpa membuka casing

Menentukan kehilangan air tanpa membuka penutup memerlukan dua kondisi simultan: 1) Tegangan rangkaian terbuka baterai 12V melebihi 13,2V. 2) Berkurangnya kapasitas. Bahkan siswa sekolah dasar pun dapat memahami prinsip-prinsip ini. Teori yang mendasarinya melibatkan dua poin utama: 1) Tegangan rangkaian terbuka berkorelasi dengan konsentrasi asam sulfat; kehilangan air meningkatkan konsentrasi asam, meningkatkan tegangan terminal. 2) Kehilangan air menurunkan kadar elektrolit, mengurangi jumlah bahan yang bereaksi dan mengurangi kapasitas. Klarifikasi lebih lanjut mengenai kondisi: Nilai di atas mengacu pada tegangan rangkaian terbuka baterai kendaraan listrik 12V setengah jam setelah pengisian. Untuk aki otomotif, nilainya harus lebih rendah. Bahkan untuk baterai kendaraan listrik, merek juga penting—misalnya, baterai Panasonic memiliki nilai yang lebih rendah karena berat jenis asam sulfatnya lebih rendah dibandingkan dengan baterai Zhejiang Changxing. Aturan ini juga menyatakan bahwa seseorang tidak boleh bersikap dogmatis: misalnya, baterai dengan voltase yang tampaknya standar tetapi berkapasitas rendah biasanya memiliki lima sel yang kekurangan air, dengan satu sel terlepas sebagian.

Standar yang Tidak Dapat Diperbaiki
Standar yang tidak dapat diperbaiki (untuk baterai dengan penggunaan normal dan timbal sulfat):
1.  Tidak dapat diperbaiki jika mengalami deformasi eksternal, retak, atau bocor.
2.  Tidak dapat diperbaiki jika menunjukkan kerusakan internal, kerusakan mekanis, atau pelat yang terisi daya berlebihan berubah menjadi karbon hitam; gejala khas: tegangan meningkat dengan cepat selama pengisian dan turun secara signifikan setelah berdiri.
3.  Tidak dapat diperbaiki jika menunjukkan CEL (Cell Error Light) yang buruk, kegagalan sel tunggal, atau self-discharge internal. (Untuk baterai yang dapat dilepas pada forklift, sel individual dapat diganti dan baterai dipulihkan.)