Метод за бързо зареждане
За да се увеличи максимално скоростта на химичните реакции в батериите, да се съкрати времето, необходимо за достигане на пълен заряд, и да се минимизира или намали поляризацията на положителните и отрицателните пластини, като по този начин се подобри ефективността на батерията, технологията за бързо зареждане се разви бързо през последните години. По-долу са представени няколко често използвани метода за бързо зареждане. Тези методи са проектирани около оптималната крива на зареждане, като имат за цел да направят действителната крива на зареждане възможно най-близо до оптималната крива на зареждане.
Импулсен метод на зареждане
Методът на импулсно зареждане първо зарежда батерията с импулсен ток, след това спира зареждането за определен период от време и след това отново зарежда батерията с импулсен ток, повтаряйки този цикъл, както е показано на Фигура 11-5. Импулсът за зареждане зарежда напълно батерията, докато интервалите позволяват време на кислорода и водорода, произведени от химичните реакции, да се рекомбинират и да се абсорбират, естествено елиминирайки концентрационната поляризация и омичната поляризация. Това намалява вътрешното налягане на батерията, позволявайки на следващия цикъл на зареждане с постоянен ток да протича по-плавно и позволява на батерията да абсорбира повече заряд. Периодичните импулси осигуряват на батерията достатъчно време за реакция, като намаляват отделянето на газ и подобряват скоростта на приемане на зарядния ток на батерията.
Импулсното зареждане може да подобри ефективността на зареждане и разреждане на батерията, да спести време за зареждане и да удължи живота на батерията, но трябва да бъдат изпълнени определени условия.
Тъй като литиево-йонните батерии разчитат основно на възвратно-постъпателното движение на литиевите йони в катода, анода и електролита по време на зареждане и разреждане, увеличаването на скоростта на движение на йони и коефициента на дифузия е от съществено значение за постигане на целта за спестяване на време за зареждане и подобряване на ефективността на зареждане. Неподходящата скорост на зареждане или разпределение не само няма да успее да постигне желаната цел, но и ще ускори стареенето на батерията. Както е показано на фигура 11-2, колкото по-висока е скоростта на зареждане, толкова по-малък е капацитетът за зареждане.
Анализът на електрохимичните характеристики показва, че скоростта на зареждане на литиево-йонните батерии е ограничена главно от скоростта на дифузия на литиевите йони и характеристиките на материалите на положителните и отрицателните електроди. С помощта на уравнение (11-3) може да се установи уравнение за дифузия на литиево-йон.
Във формулата CL представлява концентрацията на литиев-йон; x представлява разстоянието на дифузия; t представлява времето на дифузия; и DLi представлява коефициента на дифузия на литиево-йони.
Проучванията показват, че литиево-йонните батерии показват два периода на бързо стареене по време на циклично тестване:
1) Периодът на образуване на SEI филма (интерфаза на твърдия електролит), процес, който изразходва част от наличните литиеви йони за образуване на SEI филм върху повърхността на електрода.
2) В края на всеки цикъл на зареждане съпротивлението на миграцията на литиеви йони в течната фаза вътре в батерията е относително малко, докато коефициентът на дифузия в твърдата фаза е относително малък. Следователно, ако токът на зареждане е твърде голям в края на цикъла на зареждане, голям брой литиеви йони ще се концентрират върху повърхността на електрода, което може лесно да доведе до образуването на метален литий и да намали съдържанието на литиеви йони.
Образуването на SEI филма оказва значително влияние върху живота на батерията. Ако не може да се образува добър SEI филм, въпреки че батерията може да има висока ефективност на зареждане/разреждане и използваем капацитет в началните етапи на зареждане/разреждане, капацитетът ще намалее рязко с увеличаване на броя на циклите, особено в режими на импулсно зареждане с нисък-ток. Следователно загубата на литиеви-йони в първия етап е неизбежна. Въпреки това, токът по време на импулсно зареждане не трябва да бъде твърде висок. Прекомерният ток ще причини неравномерно образуване на SEI филм, бързо удебеляване на SEI филм и значително увеличаване на съпротивлението, намалявайки броя на използваемите йони и водещо до загуба на капацитет.
Импулсното зареждане използва предимно паузи при зареждане или обратно разреждане, за да елиминира поляризацията по време на процеса на зареждане. Поляризацията е тясно свързана с типа на батерията, производствения процес и свойствата на материала и нейните вариации са сложни. С непрекъснати подобрения в технологията на батерията, поляризацията е добре контролирана. Следователно предимствата на конвенционалните импулсни режими на зареждане не са толкова изразени. Необходимо е да се комбинират съответните параметри на характеристиките на батерията за-мониторинг в реално време и да се регулира амплитудата и цикъла на импулсно зареждане, за да се поддържа батерията в оптимално работно състояние-интелигентния режим на зареждане, описан по-долу.
Reflex™ метод за бързо зареждане
Методът за бързо зареждане ReflexTM е патентована технология в Съединените щати, първоначално предназначена основно за зареждане на никел-кадмиеви батерии. Този метод на зареждане облекчава проблема с ефекта на паметта на никел-кадмиевите батерии, като по този начин значително намалява времето за бързо зареждане. В сравнение с методите за импулсно зареждане, най-голямата характеристика на метода за бързо зареждане ReflexTM е добавянето на отрицателен импулс. Неговият механизъм използва "бариерен" ефект, осигурен от отрицателния импулс, за да елиминира мехурчетата, генерирани на повърхността на електрода по време на реакционния процес, намалявайки повишаването на температурата и увеличаването на вътрешното съпротивление по време на зареждане на батерията. Това позволява електрическата енергия да се преобразува в химическа енергия в батерията възможно най-пълно, като помага да се елиминира поляризацията на концентрацията, причинена от бавната дифузия, подобрявайки степента на използване на активните материали в батерията и по този начин увеличавайки броя на циклите на зареждане-разреждане.
Както е показано на Фигура 11-6, един работен цикъл на метода за бързо зареждане ReflexTM включва три етапа: импулс за зареждане напред, импулс за мигновено разреждане в обратна посока и пауза в зареждането за поддръжка. Функцията на предния импулс за зареждане е да осигури импулсен ток с положителна амплитуда за зареждане на батерията; функцията на обратния мигновен импулс на разреждане е да накара електролитните йони да дифундират по-равномерно, за да забави поляризационната реакция вътре в батерията, като по този начин подобрява ефективността на зареждане и увеличава живота на батерията; функцията на фазата на спиране на зареждането е да накара електролитните йони да дифундират по-равномерно и да смекчи феномена на поляризацията, като по този начин подобрява ефективността на зареждане и удължава живота на батерията.
Метод на периодично зареждане с променлив ток
Методът на периодично зареждане с променлив ток се основава на зареждане с постоянен ток и импулсно зареждане, както е показано на Фигура 11-7. Неговата характеристика е, че секцията за зареждане с постоянен ток е заменена с секция за периодично зареждане с променлив ток с ограничено напрежение. В началните етапи на зареждане се използва методът на периодично зареждане с променлив ток, за да се осигури по-висок заряден ток и да се получи по-голямата част от количеството на зареждане.
По време на по-късните етапи на зареждане се използва фаза на зареждане с постоянно напрежение, за да се получи презареждане и да се възстанови батерията до напълно заредено състояние. Чрез периодично спиране на зареждането, кислородът и водородът, произведени от химическата реакция в батерията, имат време да се рекомбинират и да се абсорбират, като естествено елиминират концентрационната и омичната поляризация. Това намалява вътрешното налягане на батерията, позволявайки на следващия цикъл на зареждане с постоянен ток да протича по-плавно и позволява на батерията да абсорбира повече електричество.
Въз основа на метода за периодично зареждане с променлив ток е предложен метод за периодично зареждане с променливо напрежение, както е показано на фигура 11-8. Разликата между методите за периодично зареждане с променливо напрежение и променлив ток е, че първият етап не е периодичен постоянен ток, а периодично постоянно напрежение.
Сравнявайки фигури 11-7 и 11-8, може да се види, че фигура 11-8 отразява по-добре оптималната крива на зареждане. Във всеки етап на зареждане с постоянно напрежение, поради зареждането с постоянно напрежение, токът на зареждане естествено намалява експоненциално, в съответствие с характеристиката, че приемливият ток на батерията постепенно намалява по време на процеса на зареждане.
Променливо напрежение, променлива вълна на тока-Тип Прекъсната положителна и отрицателна нула-Импулсен метод за бързо зареждане
Комбинирайки предимствата на импулсното зареждане, бързото зареждане Reflex™, периодичното зареждане с променлив ток и периодичното зареждане с променливо напрежение, е разработен и приложен методът за бързо зареждане с променливо напрежение, вълна на променлив ток-тип положителна и отрицателна нула-импулс. Управлението на веригата за импулсно зареждане обикновено попада в две категории:
1) Амплитудата на импулсния ток е променлива, докато честотата на PWM (мощност PWM) сигнала е фиксирана.
2) Амплитудата на импулсния ток е постоянна, докато честотата на PWM сигнала е регулируема.
Фигура 11-9 използва режим на управление, различен от тези два: както амплитудата на импулсния ток, така и честотата на PWM сигнала са фиксирани, докато работният цикъл на PWM е регулируем. Чрез добавяне на периодична фаза на зареждане/спиране може да се получи повече заряд за по-кратко време, подобрявайки способността на батерията да приема зареждане.
Всеки режим на зареждане има своите предимства и обхват на приложение. Въпреки това, с широкото използване на електрически превозни средства, търсенето на скорости на зареждане се увеличава, което води до появата на интелигентно зареждане. Интелигентното зареждане основно има за цел да зареди напълно батерията или да достигне зададен капацитет за кратко време. Това се постига чрез регулиране на текущата стойност според състоянието на зареждане (SOC) и здравословното състояние (SOH) на батерията, което прави времето за зареждане сравнимо с това при зареждане на традиционно превозно средство.
Интелигентното зареждане привлече широко внимание. Изследователи по целия свят насочват значителни ресурси към проучване на стратегии за контрол на зареждането, за да подобрят скоростите на зареждане, като същевременно ефективно гарантират живота на батерията. Това от своя страна повишава практичността и социалното приемане на електрическите превозни средства.
