让电池组保持活力

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  近年来,电动车日益成为人们日常出行首选的交通工具之一。根据国家有关部门统计,目前我国每年生产和销售的电动车大约在2000万辆以上,市场需求非常旺盛。但是电动车却有一些无法回避的问题,比如电池组的整体寿命普遍偏短,大约只能使用1年半到2年左右。尽管部分废旧电池组会被厂家回收利用,但是电池组需要重复制造,极大地浪费了社会资源。众所周知,只要是电池,在制造和回收过程中就会产生大量有害物质,对环境的危害极大。
  为此,我利用课余时间专门进行了调查和技术分析,期望找到电池组普遍短命的问题所在。经过分析,我发现现有的电动车电池在充电时几乎都采用了电池组串联充电的方式,这是一种以牺牲电池组整体使用寿命为代价的充电技术。这样的充电模式极易造成各储能单元间电压分配不均,从而影响电池组整体使用寿命。以铅酸电池为例,假设A、B电池容量略小于C、D(这在实际使用中是极其常见的,几乎无法避免),充电过程如图A所示。
  在图A中,充电电流通过A、B电池中的电解质导电,对C、D继续充电,此时对电池A、B的损伤就开始了。由于A、B电池已充满电量,继续通过的电流在为C、D充电的同时,也在电解A、B电池槽中的水份,释放出氢原子和氧原子,从而导致电解质浓度提高,使电池极板发生腐蚀和电解质盐析现象,进一步降低了电池A和B的储电能力。同时,当A、B电池充满电量时,内阻变大,串联电流变小,导致C、D电池得不到足够的充电电流和充电电压,致使其无法进入正常的充电状态,从而损伤了C、D电池的储电性能。
  鉴于以上情况,我决定采用一种新型的充放电模式——并冲串放式脉冲充电,以有效克服串联充电模式的弊端。以铅酸电池为例,假设以并联方式充电,那么充电过程如图B所示。
  在图B中,由于我们采用了共用一组电源但相对独立的充电线路(1、2、3、4),所以在充电过程中,当A、B充满时,相应的充电电路自动停止对其充电,而C、D由于未充满,相应的充电线路则继续为其充电,直至充满。同时,由于我们在独立充电线路里集成了可以切换线路的电子装置(如双触点继电器),则在该方案中,可以实现关闭总电源后将电池A、B、C、D自动串联起来,对外输出总电压,以供外部用电器使用。
  在老师的帮助下,我完成了充电器的设计和制作。我的发明主要由以下四个部分组成:
  (1)直流数字电源:为系统提供充电电源及控制用电源,其中12V电源用于对控制线路供电,24V电源用于对充电线路供电。
  (2)脉冲发生器:由555时基电路及大功率可控硅组成,以此控制充电线路的充电电流断续,实现脉冲充电。
  (3)独立充电电路:该电路利用运算放大器组成电压比较器,对将预设充电电压和电池两端的电压作运算比较。当电池端电压低于预设电压时,运算放大器输出导通信号,使三极管导通,进而对电池实行充电。当电池端电压等于或高于预设电压时,运算放大器输出截止信号,使三极管停止对电池充电。运算放大器输出端的发光二极管则用于显示电池充电状态,以便使用者了解使用状况。
  (4)自动切换线路:由数字电源独立稳压供电,利用双触点继电器的类似单刀双掷开关的特性,实现各个电池的串并联状态的转换。
  经过对比试验,我们发现在串联方式下充电的电池组整体容量的衰减比较明显,而在并联方式下充电则几乎没有衰减。这为电池组和电动车制造行业节约了大量的资源,也符合国家提倡的低碳节能和绿色环保的方针。我们设计的充电电池组制造简易,成本低廉,便于大规模推广使用,是理想的电池组充电替代方案。
  我不会忘记在遇到问题时四处求教的经历,不会忘记在网上查找资料时的疲惫,不会忘记在手绘设计方案时的辛劳,也不会忘记在使用电烙铁时被烫伤的灼痛,更不会忘记在样品成功后的喜悦与兴奋。在这些奋斗的日子里,有甜有笑,有苦有泪,跌跌撞撞最终走到了现在,我收获了太多感触。我知道创造发明的道路还很长,我会通过自己的努力,大踏步地走下去。
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