汽车电池与发电机（3）- 电池类型模型与测量
(2020-12-25 12:02:26)下一个
警告：操作电池时严防酸液腐蚀！特别是严防爆炸导致酸液飞溅到眼睛里！
1. 电池类型和性能模型
构造有三类：开口式、胶体GEL和玻璃纤维隔板AGM，后两者是密封的，但仍有微量失水又不能加水。用途也有类：汽车用的启动电池、太阳能用的深度循环电池和工业如Golf车电池，极板由薄到厚，不要混用。
传统汽车用的开口式，高温和充电均可导致失水。每年至少检查一次，取下两盖帽可以用Distilled water、蒸馏水或雨水（下面简称为纯水）补充，没过极板1/4吋为好。裸露的极板很快会硫化，过度放电也会，导致电池性能降低或失效。硫化意味着极板上的硫酸不能在充电时还原到电解液中。充放电及振动会使铅片脱落到底部可能造成短路，铅板枝晶也可短路，有人把电解液完全倒出再加纯水晃动洗涤，去除黑色固体再用。用纯水充电去硫化，或者换电解液，或者15.5-16.5V的充电均衡阶段，都是修复的手段，但是用者必须知道正确的做法。我只建议加纯水。这类电池满电时的电解液比重是1.265-1.28比其它类的稍低。检查前建议用小苏打温水清洗电池表面和桩头，若冒泡表明在与外面的酸液中和。
小容量SLA（Sealed lead acid）电池与开口式一样是硫酸水，结构上保证液体不外漏，盖子有微小的缺口使得气压平衡。胶粘的大密封盖可以撬开，再翘起里面的6个小帽补水 - 失水仍是失效的主因。打开看过一个，内部是白胶皮隔开正负极，铅板不薄。
胶体电池把正负极板用胶包裹，容量比开口式低些，最好的是德国Sonnenschein，但是买不到。市面的都是国产的寿命短，工艺不同，但是国产的未必比美产的差。
AGM电池电解液少，极板较厚，因此容量比上述都低，但是内阻低，寿命长60-100%，适合频繁的启动，例如在红灯时关闭引擎绿灯时又启动的那些车必须要用AGM。由于热容量小，过充电会导致热失控因之损坏，因此要用适合的充电器。
1.1 铅酸蓄电池知识https://www.zhihu.com/question/27798922/answer/42347241
铅酸蓄电池分为密封式免维护电池和非密封式电池两种。两种的放电原理一样，都是：
PbO2（正极） + 2H2SO4 + Pb（负极） = PbSO4 + 2H2O + PbSO4
过氧化铅和硫酸，和铅，一起反应，最后正极和负极都形成了硫酸铅，然后，电解液，也就是俗称的电池水里面就没有硫酸了，变成了水。这个是放电反应。
充电的时候这个反应过程刚好反过来，然后就是正极还原成PbO2，负极还原成Pb，两边释出硫酸根，与还原反应中的水里的氢离子接合就变成硫酸。
充电结束后继续充，非密封式电池的话，硫酸溶液里的H2O就被电离，成为H2和O2，然后就变成气体跑掉了，于是电池水里的水越来越少，到后期反应就进行不下去了，直观的讲就是电怎么TMD越来越少，这个时候你打开电池，加蒸馏水进去，就是给反应物补充H2O。加水对于非密封式或非GEL/AGM电池有些作用，但是随着电池的持续老化，效果越来越差，因为在充放电过程中极板不断氧化还原会逐步脱落，变成碎屑落在电池底部，参加反应的物质逐步减少。还有负极硫酸化，也会导致电池效能越来越低，最后就不堪使用，只能报废。
而对于密封类GEL蓄电池，电解液是硫酸和二氧化硅凝胶，加水不容，没啥作用。AGM电池摇晃不响，加水也没作用。
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 铅酸电池均衡
https://shop.pkys.com/Battery-Equalization_ep_44.html 均衡铅酸电池是一种旨在通过控制过充电来使电池板脱硫的工艺。随着时间的流逝，电池极板趋向于获得硫酸盐涂层，从而阻碍了电解质与极板之间的化学作用。通过在这种受控的过充电中平衡电池，可以吹走板的外层，包括硫酸盐涂层，从而使电池焕发活力，并使板的所有表面积与电解质相互作用。它还会导致电解质起泡，并且在湿电池中将酸混合并均匀地分布在整个电池中。
均衡电池是一种可以使疲惫的电池恢复活力或防止电池变得疲惫的工具。作为一种工具，它当然是一把双刃剑，这种对板外层的去除会减小其尺寸和体积，从而降低其使用寿命。去除的材料将掉到底部，并可能最终使板短路。我发现，决定是否均衡以及多久确定一次的最佳方法是咨询相关电池制造商的信息。即使在电池制造商之间，您也会对进行均衡的方式有不同的意见。我建议每年一至二次。
均衡湿电池
1.首先必须将电池充满电。
2.断开所有负载以防过压损坏设备。拆下安装在电池上的所有水帽以便出气。
3.连接充电控制器并将其设置为均衡电压，矩形铅酸为15.5V，卷绕的15.5-16V。
4.电池将开始大量放气和鼓泡
5.各单元温度不要高于115°F(46.1°C)太多，绝不要超过125°F(51.7°C)。
6.每隔一小时取一次比重，当比重不再升高时，均衡完成。
7.严重酸化的电池可能要花费几个小时比重才能上升。一旦比重上升，电池组电压很可能下降，或者充电电流将增加。一旦接近125°F(51.7°C)，立即降低充电电流。
9.继续测量比重，直到达到1.265。
10.再充电3个小时。加水使电解液保持在板上方。让电池冷却，检查记录每个单元的比重，应为1.265±0.005或更低。检查电池电解质水平，加水使其越过极板。
均衡AGM和其他密封电池
均衡AGM和其他密封电池比较棘手。冒泡的电解质会造成一些损失，电解液蒸汽从排气帽流出。但是，由于无法替换丢失的电解质，因此很明显，需要采取其他策略。我找不到建议均衡凝胶电池的制造商。这些电池对过度充电非常敏感，因此均衡对它们不起作用。但是，尽管我找到了绝对不建议均衡AGM电池的制造商(Trojan)，但也找到了建议均衡AGM电池的制造商(Lifeline)，他们说，只有在电池长期充电不足如低于90%而表现出性能下降时才应这样做。详见原文。
1.3 CCA、CA
https://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_measure_cca_cold_cranking_amp SAE CCA就是电瓶能在–18°C (CA是0°C)30秒放电到7.2V时的电流，IEC是8.4V60秒而DIN是9V30秒。估算CCA值有几种方法：100A负载放电；在10º C (50º F)下 用50%CCA电流对碳堆carbon pile放电15秒，不低于9.6V为合格；测内阻也行，例如CCA=(V-9.9125)/r；电抗法与IEEE标准1118-1996相关，按Randles 模型即电池是R1+（R2//C），加80-100Hz电流信号采样电压信号然后计算G=I/V，而且要考虑相位不同。测得电导值与电瓶样本库的基准值进行比较，CCA和温度值加权，得出经验公式。实践表明，在电瓶充电为70%时电导测试结果与用1/2的CCA值放电的测试较吻合。用多模算法的Cadex Spectro™测试仪则在充电为60%以上结果均可。下文内阻不随电池老化而变的说法很不可信：https://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_measure_internal_resistance，https://batteryuniversity.com/learn/archive/how_does_internal_resistance_affect_performance 又说随温度(0-20C直线变化4倍)和放电剩余容量而变，那末阻抗或其随放电的变化斜率可指示老化。有人说卖家按内阻增加50%来认可Warranty，那就与上述网站上说的矛盾。https://www.pveducation.org/pvcdrom/batteries/lead-acid-batteries?
2. 电池测量与充电器
任何电池的简化数学模型，都是一个理想的电压源(内阻为0)加串联的内阻。电压过低或内阻过大都表明电池有问题，电压高未必没问题。电压和内阻都随温度和充放电而变，但在我们的条件下可认作常量。
判断电池状态需测量大电流下的压降或者内阻。需要一个足够好的万用表Multimeter，例如MM350、HT118A、钳形表HT206D等，我的是Fluke 85，按下MIN/MAX键。Fluke可以同时采样MIN/MAX，HT206D需选MIN，然后点火看Vmin，低于9V说明电池不大好了。详见：https://blog.wenxuecity.com/myblog/36867/202012/18398.html
理想的充电器，输出可到36V5A，可将电池浮充到16.5V，有恒流/浮充/恒压模式，可记录充电量。测试仪可测1/20C时的容量/内阻，放电可达400A(对800CCA电池)。
我用的智能充电器是Turnigy Accucel-6，固件还可下载。做工很好，几年前买的现在Amazon上还有，价格翻倍。联机视频：https://www.youtube.com/watch?v=y8tlWNFJq-g 国产软件：http://www.hitecrcd.com/support/software-downloads更好的如M8S。
电池容量显示仪例如TK15，虽然可以实测充放电AH，但是电池容量0/100%需要手动定标，即全放电后按向下箭头3秒，全充电后或按电池指标AH值按向上箭头3秒；而且似乎是按电压定的。也许可用电度表改？50A表配350A取样电阻用7V恒压供电，把WH读成AH？
Battery Tender(1.5A，HD $30)：据说内置BD438和Atmel uP。只有连接电池时LED才亮，低于10V的电池判定为坏，用万用表交流档量脉冲电压可达44V。•红灯闪烁 -交流电源以及微处理器正常，若持续闪烁说明电池电压低于3V环形端子连接有误。•红灯稳定 -正在充电，将以脉冲方式开始。•绿灯闪烁 -电池电量大于80％，可以停止但建议继续充电。此后将转恒压充电。•绿灯稳定-充电完成，但仍可保持连接以无限期地维持电池，此时为低压恒压充电，电池为100-103%。推荐4.5A的。
蓄电池充电 经典的分3阶段。升压Buck: 0.2C以下充到14.4V；吸收/均衡Absorption/Equalization：15.5V充到电流降为0.05C(汽车可取0.3A)或比重不再升高；浮充Flaoting：0.05C充到电压又降为13.6V。DIY可以简化，例如15V5A电源充18小时。
多类电池充电器：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 电池测试
市面廉价的100A battery load tester不能给出准确的CCA值，但可判断电池是否可用。测量CCA可用Carbon Pile Load Tester，连接后用调节钮迅速调负载电流为电池的CCA值，记下响铃时的电压值，然后断开连接。例如700CCA的电池，左边电流表要调到700CCA或即350A，15秒时右边电压表指针在OK刻度的绿色区域-不同室温允许值稍有差别，说明电池容量不低于700CCA。每用一次要停2分钟让它散热。注：Carbon Pile电阻由一组碳盘和两端金属板构成，旋钮将它们压紧以获得较小的阻值。大多数CCA测试仪都测量内阻来估算。 在1/2CCA加载碳堆15秒，若电压在9.6V以上则认为合格。
100A BATTERY load tester: 就是100A放电10秒（时间长会很热）看端电压。需要禁止汽车点火，比如拔去某熔丝，然后拧动点火钥匙15秒期间读数（要两人）。此期间指针读数指示CCA，如10.9V表示CCA 800，但最低电压不能低于9.2V。CCA 600是8.7～10.6V。如果表针一直降说明电瓶坏。实例：电池电压12.2V（未充满），tester开机10秒后10.8V，按图约等于发动时的9.7V。断开后11.8V。
AE300 内阻测试仪，便宜，按上面的公式CCA=(Vo-9.9125)/r
Condutance tester体积小价格稍高，油管上有个家伙测试过但评论被关掉，估计吐槽的不少，因为load tester通过的在电导测试仪上没通过。
引擎实际启动电流有多大？Youtube说一般家用车400A够了，某人用钳表照相测试2L柴油车是340A。
HD206D钳表，推荐，用max+600A可测最大启动电流(08 Odyssey是350A)，min+V可测启动时最低电压(9.6V以上为优，曾量得Odyssey 7.5V)，后者可准确判断电池状态。测量电池时要注意在引线上和电池桩头上分别测量。
警告：电池正极桩头常密封不良有酸气泄出导致百粉末堆积，桩头下必须加毡垫再喷防腐蚀剂。我曾有桩头接触不良可导致压降1.7V和引擎随机熄火的故障。
小结：传统100A load tester的结果用于340-400A的启动电流当然只是估计值；IEC 61951-1:2005是用两段电流法同时计算内阻；普通内阻测试电流不到50mA且充满电时的内阻据称与电瓶老化程度无关；conductance meter都是用电导加经验值得出结果，未必准确。其实发动时的电压记录可靠些，即我的方法。至于其它的用低负载加统计模型推算电池性能的仪表，都是基于一定模型然后用各种电池的数据校正的，本人读过不少论文，但是没有用过，也不推荐。
3. 汽车应急电源与气泵
3.1 Powerstation PSX3
标称1KA peak 400CCA，其实所用6FM18至多283CCA。用时连线后再开其上开关，将汽车点火。不用时需长接120V保持满电，不会过充。若无AC可用12VDC充电，不要超过2小时，可能过充。12V座直接电池可用于输入输出，有USB 1A输出，电压表、工作灯、气压表。电压表欠阻尼，按下几秒后才能稳定，指示值偏大；测试开关是瞬态的。附近有红绿灯，亮时分别表示充电/充满，若电池故障红灯会快闪。气压表过阻尼。泵开关是自锁的按一下开再按一下关。气压指示附近是工作和电池反接指示。电池6FM-18为12V18AH，不超过283AH，质量比较好的如Peak，内阻只有10毫欧，SBS AGM 16毫欧。约7.13x3.01x6.57"(181x76x166mm)，普通36刀，AGM 36刀，若换22AH的可达420AH(Apex12220)。
以前Costco卖过，我捡了一个电池0V且不能充电。买新因ebay中国卖家反悔没买成，按本系列第4篇修复后用，驱动气泵没问题。手册：https://www.stratusengineering.com/rs232-9-pin-pinout/ 换电池：https://www.youtube.com/watch?v=ABrFNZgXZiA 装时注意：若新电池桩头偏里可在外侧加垫片再加负极输出线，接头需水平。10个螺丝，最下面两个螺丝最长，大开关处螺丝较短。线中接头是活的但透明套管可能会损毁，不动它回装电池有点麻烦。
顺便说说，这类东西，包括贴Dewalt牌的，都是勉强可用，低科技低质量的产品，并非名厂如Dewalt生产。
3.2 锂电池应急电源
聚合物电池循环次数低至200次，拿来做汽车应急问题不大，真要频繁用于手机补电恐怕寿命有限。国内也有用A123 26650铁锂4并4串的，汽车启动时电压掉到8.5V但可以用。传统汽车应急电源是12V 17AH铅蓄电池。我的旧汽车电池不退了，先玩玩再做备用，该比锂电充电宝好。
国产实例：http://wenku.baidu.com/view/0eabf1a5b14e852458fb57ee.html 使用三节KPL875880 3800mAh 3.7V聚合物锂电，常放/瞬放南山130/200A。估计只是一个补充电源，汽车电瓶一点没电未必能用。由电路看是三段锂电保护带均衡：
3.2 气泵
上述PSX3带气泵但读数较实际值低3psi。我还有一个Sears的，但所有的点烟插头设计都不适合大电流早晚过热失效。网上说国产气泵可换双滚珠轴承碳刷电机，再换全金属气泵模块。很多气泵都有活塞磨损问题，要是有多级离心泵加单向阀更好，后者活动部件不像活塞需要压力密封。
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