Metoda szybkiego ładowania
Aby zmaksymalizować szybkość reakcji chemicznych w akumulatorach, skrócić czas potrzebny do osiągnięcia pełnego naładowania oraz zminimalizować lub zmniejszyć polaryzację płytek dodatnich i ujemnych, poprawiając w ten sposób wydajność akumulatorów, w ostatnich latach szybko rozwinęła się technologia szybkiego ładowania. Poniżej przedstawiono kilka powszechnie stosowanych metod szybkiego ładowania. Metody te opracowano w oparciu o optymalną krzywą ładowania, starając się, aby rzeczywista krzywa ładowania była jak najbardziej zbliżona do optymalnej krzywej ładowania.
Metoda ładowania impulsowego
Metoda ładowania impulsowego najpierw ładuje akumulator prądem impulsowym, następnie zatrzymuje ładowanie na pewien czas, a następnie ponownie ładuje akumulator prądem impulsowym, powtarzając ten cykl, jak pokazano na rysunku 11-5. Impuls ładowania całkowicie ładuje akumulator, a przerwy zapewniają czas na rekombinację tlenu i wodoru powstałego w reakcjach chemicznych i wchłonięcie, w naturalny sposób eliminując polaryzację stężenia i polaryzację omową. Zmniejsza to ciśnienie wewnętrzne akumulatora, dzięki czemu następna runda ładowania prądem stałym przebiega płynniej i umożliwia akumulatorowi wchłonięcie większej ilości ładunku. Przerywane impulsy zapewniają akumulatorowi wystarczający czas reakcji, redukując wydzielanie gazu i poprawiając współczynnik akceptacji prądu ładowania akumulatora.
Ładowanie impulsowe może poprawić wydajność ładowania i rozładowywania akumulatora, zaoszczędzić czas ładowania i wydłużyć żywotność akumulatora, ale muszą zostać spełnione pewne warunki.
Ponieważ akumulatory litowe-jonowe opierają się głównie na ruchu posuwisto-zwrotnym jonów litu na katodzie, anodzie i elektrolicie podczas ładowania i rozładowywania, zwiększenie szybkości ruchu jonów i współczynnika dyfuzji jest niezbędne do osiągnięcia celu, jakim jest oszczędność czasu ładowania i poprawa wydajności ładowania. Niewłaściwa szybkość lub rozkład ładowania nie tylko nie pozwoli osiągnąć zamierzonego celu, ale także przyspieszy starzenie się akumulatora. Jak pokazano na rysunku 11-2, im wyższa szybkość ładowania, tym mniejsza pojemność, którą można ładować.
Analiza charakterystyki elektrochemicznej pokazuje, że szybkość ładowania akumulatorów litowo-jonowych jest ograniczona głównie szybkością dyfuzji jonów litu oraz właściwościami materiałów elektrody dodatniej i ujemnej. Korzystając z równania (11-3), można ustalić równanie dyfuzji litowo-jonowej.
We wzorze CL oznacza stężenie-jonów litu; x oznacza odległość dyfuzji; t oznacza czas dyfuzji; a DLi reprezentuje współczynnik dyfuzji-jonów litu.
Badania wykazały, że akumulatory litowo-jonowe wykazują dwa szybkie okresy starzenia podczas testów cyklicznych:
1) Okres tworzenia warstwy SEI (interfaza stałego elektrolitu), proces zużywający część dostępnych jonów litu w celu utworzenia warstwy SEI na powierzchni elektrody.
2) Na koniec każdego cyklu ładowania opór migracji jonów litu w fazie ciekłej wewnątrz akumulatora jest stosunkowo mały, natomiast współczynnik dyfuzji w fazie stałej jest stosunkowo niewielki. Dlatego też, jeśli prąd ładowania jest zbyt duży na końcu cyklu ładowania, duża liczba jonów litu skupi się na powierzchni elektrody, co może łatwo doprowadzić do powstania litu metalicznego i zmniejszenia zawartości jonów litu.
Tworzenie się filmu SEI ma znaczący wpływ na żywotność baterii. Jeśli nie można wytworzyć dobrej warstwy SEI, mimo że akumulator może mieć wysoką wydajność ładowania/rozładowania i użyteczną pojemność na początkowych etapach ładowania/rozładowania, pojemność gwałtownie spada wraz ze wzrostem liczby cykli, zwłaszcza w trybach ładowania impulsowego o niskim-prądzie. Dlatego też utrata-jonów litu w pierwszym etapie jest nieunikniona. Jednak prąd podczas ładowania impulsowego nie powinien być zbyt wysoki. Nadmierny prąd spowoduje nierównomierne tworzenie się warstwy SEI, szybkie pogrubienie warstwy SEI i znaczny wzrost rezystancji, zmniejszając liczbę użytecznych jonów i prowadząc do utraty pojemności.
Ładowanie impulsowe wykorzystuje przede wszystkim przerwy w ładowaniu lub odwrotne rozładowanie, aby wyeliminować polaryzację podczas procesu ładowania. Polaryzacja jest ściśle powiązana z rodzajem baterii, procesem produkcyjnym i właściwościami materiału, a jej różnice są złożone. Dzięki ciągłemu udoskonalaniu technologii akumulatorów polaryzacja została dobrze kontrolowana. Dlatego zalety konwencjonalnych trybów ładowania impulsowego nie są tak wyraźne. Konieczne jest połączenie odpowiednich parametrów charakterystycznych akumulatora w celu monitorowania-w czasie rzeczywistym oraz dostosowanie amplitudy i cyklu ładowania impulsowego, aby utrzymać akumulator w optymalnych warunkach pracy-w inteligentnym trybie ładowania opisanym później.
Metoda szybkiego ładowania Reflex™
Metoda szybkiego ładowania ReflexTM jest technologią opatentowaną w Stanach Zjednoczonych, początkowo przeznaczoną głównie do ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych. Ta metoda ładowania łagodzi problem efektu pamięci w akumulatorach niklowo-kadmowych, znacznie skracając w ten sposób czas szybkiego ładowania. W porównaniu do metod ładowania impulsowego, największą cechą metody szybkiego ładowania ReflexTM jest dodanie ujemnego impulsu. Jego mechanizm wykorzystuje efekt „bariery” zapewniany przez impuls ujemny, aby wyeliminować pęcherzyki powstające na powierzchni elektrody podczas procesu reakcji, redukując wzrost temperatury i wzrost rezystancji wewnętrznej podczas ładowania akumulatora. Umożliwia to możliwie najpełniejsze przekształcenie energii elektrycznej w energię chemiczną w akumulatorze, pomagając wyeliminować polaryzację koncentracji spowodowaną powolną dyfuzją, poprawiając stopień wykorzystania materiałów aktywnych w akumulatorze, a tym samym zwiększając liczbę cykli ładowania-rozładowania.
Jak pokazano na rysunku 11-6, jeden cykl pracy metody szybkiego ładowania ReflexTM obejmuje trzy etapy: impuls ładowania do przodu, natychmiastowy impuls rozładowania do tyłu oraz przerwę w ładowaniu w celu konserwacji. Funkcja impulsu ładowania do przodu polega na zapewnieniu prądu impulsowego o dodatniej amplitudzie w celu ładowania akumulatora; funkcją odwróconego natychmiastowego impulsu rozładowania jest zapewnienie bardziej równomiernej dyfuzji jonów elektrolitu, aby opóźnić reakcję polaryzacji wewnątrz akumulatora, poprawiając w ten sposób wydajność ładowania i wydłużając żywotność akumulatora; funkcją fazy zatrzymania ładowania jest zapewnienie bardziej równomiernej dyfuzji jonów elektrolitu i złagodzenie zjawiska polaryzacji, poprawiając w ten sposób efektywność ładowania i wydłużając żywotność akumulatora.
Metoda przerywanego ładowania zmiennym prądem
Metoda przerywanego ładowania zmiennoprądowego opiera się na ładowaniu prądem stałym i ładowaniu impulsowym, jak pokazano na rysunku 11-7. Charakteryzuje się tym, że sekcja ładowania prądem stałym zostaje zastąpiona sekcją przerywanego ładowania zmiennym prądem o ograniczonym napięciu. W początkowych etapach ładowania stosuje się metodę ładowania przerywanego zmiennoprądowym, aby zapewnić wyższy prąd ładowania i uzyskać większość ilości ładowania.
W późniejszych etapach ładowania stosuje się fazę ładowania stałym napięciem, aby uzyskać przeładowanie i przywrócić akumulator do stanu pełnego naładowania. Dzięki okresowemu przerywaniu ładowania tlen i wodór powstające w wyniku reakcji chemicznej zachodzącej w akumulatorze mają czas na ponowne połączenie się i wchłonięcie, co w naturalny sposób eliminuje polaryzację stężenia i polaryzację omową. Zmniejsza to ciśnienie wewnętrzne akumulatora, umożliwiając płynniejszy przebieg kolejnej rundy ładowania prądem stałym i umożliwiając akumulatorowi pochłonięcie większej ilości energii elektrycznej.
W oparciu o metodę przerywanego ładowania zmiennym prądem zaproponowano metodę przerywanego ładowania zmiennym napięciem, jak pokazano na rysunku 11-8. Różnica między metodami ładowania przerywanego zmiennym napięciem i zmiennym prądem polega na tym, że pierwszym etapem nie jest przerywany prąd stały, ale przerywane stałe napięcie.
Porównując rysunki 11-7 i 11-8 można zauważyć, że rysunek 11-8 lepiej odzwierciedla optymalną krzywą ładowania. Na każdym etapie ładowania stałym napięciem, ze względu na ładowanie stałym napięciem, prąd ładowania maleje w sposób naturalny wykładniczo, zgodnie z cechą, że dopuszczalny prąd akumulatora stopniowo maleje w trakcie procesu ładowania.
Zmienne napięcie, zmienna fala prądu-Typ przerywany, dodatnie i ujemne zero-Metoda szybkiego ładowania impulsowego
Łącząc zalety ładowania impulsowego, szybkiego ładowania Reflex™, przerywanego ładowania zmiennym prądem i przerywanego ładowania zmiennym napięciem, opracowano i zastosowano metodę szybkiego przerywanego ładowania zmiennym napięciem, falą o zmiennym prądzie-typu dodatniego i ujemnego zerowego-impulsowego. Sterowanie obwodem ładowania impulsowego ogólnie można podzielić na dwie kategorie:
1) Amplituda prądu impulsowego jest zmienna, natomiast częstotliwość sygnału PWM (power PWM) jest stała.
2) Amplituda prądu impulsowego jest stała, natomiast częstotliwość sygnału PWM jest regulowana.
Rysunek 11-9 przedstawia inny tryb sterowania niż te dwa: zarówno amplituda prądu impulsowego, jak i częstotliwość sygnału PWM są stałe, natomiast współczynnik wypełnienia PWM jest regulowany. Dodając przerywaną fazę ładowania/zatrzymywania, można uzyskać więcej ładunku w krótszym czasie, poprawiając zdolność akumulatora do akceptacji ładowania.
Każdy tryb ładowania ma swoje zalety i zakres zastosowania. Jednak wraz z powszechnym wykorzystaniem pojazdów elektrycznych rośnie zapotrzebowanie na prędkość ładowania, co prowadzi do pojawienia się inteligentnego ładowania. Inteligentne ładowanie ma na celu przede wszystkim pełne naładowanie akumulatora lub osiągnięcie zadanej pojemności w krótkim czasie. Osiąga się to poprzez dostosowanie wartości prądu do stanu naładowania akumulatora (SOC) i stanu zdrowia (SOH), dzięki czemu czas ładowania jest porównywalny z czasem tankowania tradycyjnego pojazdu.
Inteligentne ładowanie przyciąga powszechną uwagę. Naukowcy na całym świecie skupiają znaczne zasoby na badaniu strategii kontroli ładowania w celu poprawy szybkości ładowania, jednocześnie skutecznie zapewniając żywotność baterii. To z kolei zwiększa praktyczność i akceptację społeczną pojazdów elektrycznych.
