Rychlý způsob nabíjení
Technologie rychlého nabíjení se v posledních letech rychle rozvinula, aby se maximalizovala rychlost chemických reakcí v bateriích, zkrátil se čas potřebný k jejich úplnému nabití a minimalizovala se nebo snížila polarizace kladných a záporných desek, čímž se zlepšila účinnost baterií. Níže je uvedeno několik běžně používaných metod rychlého nabíjení. Tyto metody jsou navrženy kolem optimální nabíjecí křivky s cílem přiblížit skutečnou nabíjecí křivku co nejvíce optimální nabíjecí křivce.
Pulzní metoda nabíjení
Metoda pulzního nabíjení nejprve nabíjí baterii pulzním proudem, poté na určitou dobu zastaví nabíjení a poté baterii znovu nabije pulzním proudem, přičemž se tento cyklus opakuje, jak je znázorněno na obrázku 11-5. Nabíjecí impuls plně nabije baterii, zatímco intervaly umožňují, aby se kyslík a vodík produkované chemickými reakcemi rekombinovaly a absorbovaly, čímž se přirozeně eliminuje koncentrační polarizace a ohmická polarizace. Tím se sníží vnitřní tlak baterie, což umožní, aby další kolo nabíjení konstantním proudem probíhalo plynuleji a baterie absorbovala více náboje. Přerušované pulzy poskytují baterii dostatečnou reakční dobu, snižují vývoj plynu a zlepšují akceptaci nabíjecího proudu baterie.
Pulzní nabíjení může zlepšit účinnost nabíjení a vybíjení baterie, ušetřit čas nabíjení a prodloužit životnost baterie, ale musí být splněny určité podmínky.
Vzhledem k tomu, že lithium-iontové baterie se během nabíjení a vybíjení primárně spoléhají na vratný pohyb iontů lithia v katodě, anodě a elektrolytu, je zvýšení rychlosti pohybu iontů a koeficientu difúze zásadní pro dosažení cíle šetřit čas nabíjení a zlepšit účinnost nabíjení. Nevhodná rychlost nebo rozložení nabíjení nejenže nedosáhne požadovaného cíle, ale také urychlí stárnutí baterie. Jak je znázorněno na obrázku 11-2, čím vyšší je rychlost nabíjení, tím menší je nabíjecí kapacita.
Analýza elektrochemických charakteristik ukazuje, že rychlost nabíjení lithium-iontových baterií je omezena především rychlostí difúze lithiových iontů a charakteristikami materiálů kladných a záporných elektrod. Pomocí rovnice (11-}3) lze sestavit rovnici difúze lithium-iontů.
Ve vzorci CL představuje koncentraci lithium{0}}iontů; x představuje difúzní vzdálenost; t představuje dobu difúze; a DLi představuje koeficient difúze lithium-iontů.
Studie prokázaly, že lithium{0}}iontové baterie vykazují dvě rychlá období stárnutí během testování cyklu:
1) Perioda tvorby filmu SEI (Solid Electrolyte Interphase), proces, který spotřebuje část dostupných iontů lithia k vytvoření filmu SEI na povrchu elektrody.
2) Na konci každého nabíjecího cyklu je odpor proti migraci lithných iontů v kapalné fázi uvnitř baterie relativně malý, zatímco difúzní koeficient v pevné fázi je relativně malý. Pokud je tedy nabíjecí proud na konci nabíjecího cyklu příliš velký, na povrchu elektrody se soustředí velké množství iontů lithia, což může snadno vést k tvorbě kovového lithia a snížení obsahu iontů lithia.
Tvorba filmu SEI má významný dopad na životnost baterie. Pokud se nepodaří vytvořit dobrý film SEI, ačkoli baterie může mít vysokou účinnost nabíjení/vybíjení a použitelnou kapacitu v počátečních fázích nabíjení/vybíjení, kapacita se s rostoucím počtem cyklů prudce sníží, zejména v režimech pulzního nabíjení s nízkým proudem-. Proto je ztráta lithných-iontů v první fázi nevyhnutelná. Proud při pulzním nabíjení by však neměl být příliš vysoký. Nadměrný proud způsobí nerovnoměrnou tvorbu SEI filmu, rychlé ztluštění SEI filmu a výrazné zvýšení odporu, sníží počet použitelných iontů a povede ke ztrátě kapacity.
Pulzní nabíjení primárně využívá nabíjecí pauzy nebo zpětné vybíjení k odstranění polarizace během procesu nabíjení. Polarizace úzce souvisí s typem baterie, výrobním procesem a vlastnostmi materiálu a její variace jsou složité. Díky neustálému zlepšování technologie baterií byla polarizace dobře řízena. Výhody konvenčních režimů pulzního nabíjení proto nejsou tak výrazné. Je nutné zkombinovat příslušné parametry charakteristiky baterie pro sledování v reálném-čase a upravit amplitudu a cyklus pulzního nabíjení, aby se baterie udržela v optimálním provozním stavu-režimu inteligentního nabíjení popsaného později.
Metoda rychlého nabíjení Reflex™
Metoda rychlého nabíjení ReflexTM je ve Spojených státech patentovaná technologie, původně určená především pro nabíjení nikl-kadmiových baterií. Tato metoda nabíjení zmírňuje problém s paměťovým efektem u nikl-kadmiových baterií, čímž se výrazně zkracuje doba rychlého nabíjení. Ve srovnání s pulzními metodami nabíjení je největší vlastností metody rychlého nabíjení ReflexTM přidání negativního pulzu. Jeho mechanismus využívá „bariérový“ efekt poskytovaný negativním pulzem k eliminaci bublin generovaných na povrchu elektrody během reakčního procesu, čímž se snižuje nárůst teploty a zvýšení vnitřního odporu během nabíjení baterie. To umožňuje co nejúplnější přeměnu elektrické energie na chemickou v baterii, což pomáhá eliminovat koncentrační polarizaci způsobenou pomalou difúzí, zlepšuje míru využití aktivních materiálů v baterii, a tím zvyšuje počet nabíjecích-cyklů vybíjení.
Jak je znázorněno na obrázku 11-6, jeden pracovní cyklus metody rychlého nabíjení ReflexTM zahrnuje tři fáze: dopředný nabíjecí pulz, zpětný okamžitý vybíjecí pulz a pauzu v nabíjení kvůli údržbě. Funkcí dopředného nabíjecího impulsu je poskytnout proud s kladnou amplitudou impulsu pro nabíjení baterie; funkcí zpětného okamžitého vybíjecího pulzu je zajistit, aby ionty elektrolytu difundovaly rovnoměrněji, aby se zpozdila polarizační reakce uvnitř baterie, čímž se zlepší účinnost nabíjení a prodlouží se životnost baterie; funkcí fáze zastavení nabíjení je zajistit rovnoměrnější difúzi iontů elektrolytu a zmírnit jev polarizace, čímž se zlepší účinnost nabíjení a prodlouží se životnost baterie.
Metoda přerušovaného nabíjení s proměnným proudem
Metoda přerušovaného nabíjení s proměnným proudem je založena na nabíjení konstantním proudem a pulzním nabíjení, jak je znázorněno na obrázku 11-7. Jeho charakteristikou je, že nabíjecí sekce konstantním proudem je nahrazena napěťově omezenou sekcí přerušovaného nabíjení s proměnným proudem. V počátečních fázích nabíjení se používá metoda přerušovaného nabíjení s proměnným proudem k zajištění vyššího nabíjecího proudu a získání většiny nabíjecího množství.
Během pozdějších fází nabíjení se používá fáze nabíjení konstantním napětím k dosažení přebití a obnovení plně nabitého stavu baterie. Přerušovaným zastavením nabíjení mají kyslík a vodík produkované chemickou reakcí v baterii čas na rekombinaci a absorbci, čímž se přirozeně eliminuje koncentrační polarizace a ohmická polarizace. To snižuje vnitřní tlak baterie, což umožňuje, aby další kolo nabíjení konstantním proudem probíhalo plynuleji a umožnilo baterii absorbovat více elektřiny.
Na základě metody přerušovaného nabíjení s proměnným proudem byla navržena metoda přerušovaného nabíjení s proměnným napětím, jak je znázorněno na obrázku 11-8. Rozdíl mezi metodami přerušovaného nabíjení s proměnným napětím a proměnným proudem je v tom, že prvním stupněm není přerušovaný konstantní proud, ale přerušované konstantní napětí.
Porovnáním obrázků 11-7 a 11-8 je vidět, že obrázek 11-8 lépe odráží optimální nabíjecí křivku. V každém nabíjecím stupni konstantním napětím v důsledku nabíjení konstantním napětím nabíjecí proud přirozeně exponenciálně klesá, což je v souladu s charakteristikou, že přijatelný proud baterie během nabíjecího procesu postupně klesá.
Proměnné napětí, proměnná proudová vlna-Typ přerušovaný kladný a záporný nulový-pulzní metoda rychlého nabíjení
Kombinací výhod pulzního nabíjení, rychlého nabíjení Reflex™, přerušovaného nabíjení s proměnným proudem a přerušovaného nabíjení s proměnným napětím byla vyvinuta a aplikována metoda pulzního přerušovaného rychlého nabíjení s proměnným napětím, proměnnou proudovou vlnou -kladného a záporného nulového-typu. Řízení obvodu pulzního nabíjení obecně spadá do dvou kategorií:
1) Amplituda pulzního proudu je proměnná, zatímco frekvence signálu PWM (power PWM) je pevná.
2) Amplituda pulzního proudu je konstantní, zatímco frekvence PWM signálu je nastavitelná.
Obrázek 11-9 využívá režim řízení odlišný od těchto dvou: jak amplituda pulzního proudu, tak frekvence signálu PWM jsou pevné, zatímco pracovní cyklus PWM je nastavitelný. Přidáním fáze přerušovaného nabíjení/zastavování lze získat více nabití za kratší dobu, což zlepšuje schopnost baterie akceptovat nabíjení.
Každý režim nabíjení má své výhody a rozsah použití. S rozšířeným používáním elektromobilů však roste poptávka po rychlosti nabíjení, což vede ke vzniku chytrého nabíjení. Chytré nabíjení má primárně za cíl plně nabít baterii nebo dosáhnout nastavené kapacity v krátkém čase. Toho je dosaženo úpravou aktuální hodnoty podle stavu nabití baterie (SOC) a zdravotního stavu (SOH), čímž je doba nabíjení srovnatelná s dobou doplňování paliva u tradičního vozidla.
Chytré nabíjení přitáhlo širokou pozornost. Vědci z celého světa soustředí značné zdroje na výzkum strategií řízení nabíjení, aby zlepšili rychlost nabíjení a zároveň účinně zajistili životnost baterie. To zase zvyšuje praktičnost a společenské přijetí elektrických vozidel.
