Metoda brzog punjenja
Kako bi se maksimizirala brzina kemijskih reakcija u baterijama, skratilo vrijeme koje im je potrebno da se potpuno napune i smanjila ili smanjila polarizacija pozitivnih i negativnih ploča, čime se poboljšala učinkovitost baterije, tehnologija brzog punjenja brzo se razvila posljednjih godina. U nastavku je predstavljeno nekoliko često korištenih metoda brzog punjenja. Ove su metode osmišljene oko optimalne krivulje punjenja, s ciljem da stvarna krivulja punjenja bude što bliža optimalnoj krivulji punjenja.
Pulsna metoda punjenja
Metoda pulsnog punjenja prvo puni bateriju pulsnom strujom, zatim zaustavlja punjenje na određeno vrijeme, a zatim ponovno puni bateriju pulsnom strujom, ponavljajući ovaj ciklus, kao što je prikazano na slici 11-5. Puls punjenja u potpunosti puni bateriju, dok intervali dopuštaju vrijeme da se kisik i vodik proizvedeni kemijskim reakcijama rekombiniraju i apsorbiraju, prirodno eliminirajući koncentracijsku polarizaciju i ohmičku polarizaciju. Time se smanjuje unutarnji tlak baterije, omogućujući sljedećoj rundi punjenja konstantnom strujom da teče glatko i omogućuje bateriji da apsorbira više napunjenosti. Isprekidani impulsi daju bateriji dovoljno vremena reakcije, smanjujući stvaranje plina i poboljšavajući brzinu prihvaćanja struje punjenja baterije.
Pulsno punjenje može poboljšati učinkovitost punjenja i pražnjenja baterije, uštedjeti vrijeme punjenja i produžiti trajanje baterije, ali moraju biti zadovoljeni određeni uvjeti.
Budući da se litij-ionske baterije prvenstveno oslanjaju na recipročno kretanje litijevih iona u katodi, anodi i elektrolitu tijekom punjenja i pražnjenja, povećanje brzine kretanja iona i koeficijenta difuzije ključno je za postizanje cilja uštede vremena punjenja i poboljšanja učinkovitosti punjenja. Neodgovarajuća brzina punjenja ili distribucija ne samo da neće postići željeni cilj, već će također ubrzati starenje baterije. Kao što je prikazano na slici 11-2, što je veća stopa punjenja, to je manji kapacitet punjenja.
Analiza elektrokemijskih karakteristika pokazuje da je brzina punjenja litij-ionskih baterija uglavnom ograničena brzinom difuzije litijevih iona i karakteristikama materijala pozitivne i negativne elektrode. Pomoću jednadžbe (11-3) može se uspostaviti jednadžba difuzije litij-iona.
U formuli CL predstavlja koncentraciju litij{0}}iona; x predstavlja udaljenost difuzije; t predstavlja vrijeme difuzije; a DLi predstavlja koeficijent difuzije-iona litija.
Studije su pokazale da litij-ionske baterije pokazuju dva razdoblja brzog starenja tijekom testiranja ciklusa:
1) Razdoblje stvaranja SEI filma (Solid Electrolyte Interphase), proces koji troši dio dostupnih litijevih iona za stvaranje SEI filma na površini elektrode.
2) Na kraju svakog ciklusa punjenja, otpor migraciji litijevih iona u tekućoj fazi unutar baterije je relativno mali, dok je koeficijent difuzije u čvrstoj fazi relativno mali. Stoga, ako je struja punjenja prevelika na kraju ciklusa punjenja, veliki broj litijevih iona će se koncentrirati na površini elektrode, što može lako dovesti do stvaranja metalnog litija i smanjiti sadržaj litijevih iona.
Stvaranje SEI filma ima značajan utjecaj na trajanje baterije. Ako se ne može formirati dobar SEI film, iako baterija može imati visoku učinkovitost punjenja/pražnjenja i iskoristiv kapacitet u početnim fazama punjenja/pražnjenja, kapacitet će se naglo smanjiti s povećanjem broja ciklusa, posebno u načinima punjenja s niskom-strujom. Stoga je gubitak litij-iona u prvoj fazi neizbježan. Međutim, struja tijekom pulsnog punjenja ne smije biti previsoka. Pretjerana struja uzrokovat će neravnomjerno stvaranje SEI filma, brzo zadebljanje SEI filma i značajno povećanje otpora, smanjujući broj upotrebljivih iona i dovodeći do gubitka kapaciteta.
Pulsno punjenje prvenstveno koristi pauze punjenja ili obrnuto pražnjenje kako bi se uklonila polarizacija tijekom procesa punjenja. Polarizacija je usko povezana s vrstom baterije, procesom proizvodnje i svojstvima materijala, a njezine su varijacije složene. Uz stalna poboljšanja tehnologije baterija, polarizacija je dobro kontrolirana. Stoga prednosti konvencionalnih pulsnih načina punjenja nisu tako izražene. Potrebno je kombinirati relevantne parametre karakteristika baterije za-praćenje u stvarnom vremenu i prilagoditi amplitudu i ciklus pulsnog punjenja kako bi se baterija održala u optimalnom radnom stanju-način inteligentnog punjenja opisan kasnije.
Reflex™ metoda brzog punjenja
Metoda brzog punjenja ReflexTM patentirana je tehnologija u Sjedinjenim Državama, prvotno dizajnirana prvenstveno za punjenje nikal-kadmijskih baterija. Ova metoda punjenja ublažava problem efekta pamćenja nikal-kadmijevih baterija, čime se značajno skraćuje vrijeme brzog punjenja. U usporedbi s pulsnim metodama punjenja, najveća značajka ReflexTM metode brzog punjenja je dodavanje negativnog pulsa. Njegov mehanizam koristi učinak "barijere" koji daje negativni puls za uklanjanje mjehurića koji se stvaraju na površini elektrode tijekom procesa reakcije, smanjujući porast temperature i povećanje unutarnjeg otpora tijekom punjenja baterije. To omogućuje da se električna energija pretvori u kemijsku energiju unutar baterije što je moguće potpunije, pomažući u uklanjanju koncentracijske polarizacije uzrokovane sporom difuzijom, poboljšavajući stopu iskorištenja aktivnih materijala unutar baterije i time povećavajući broj ciklusa punjenja-pražnjenja.
Kao što je prikazano na slici 11-6, jedan radni ciklus metode brzog punjenja ReflexTM uključuje tri faze: impuls punjenja naprijed, impuls trenutnog pražnjenja unazad i pauzu u punjenju radi održavanja. Funkcija impulsa punjenja unaprijed je osigurati struju pulsa pozitivne amplitude za punjenje baterije; funkcija obrnutog trenutnog impulsa pražnjenja je da ioni elektrolita ravnomjernije difundiraju kako bi se odgodila reakcija polarizacije unutar baterije, čime se poboljšava učinkovitost punjenja i produljuje vijek trajanja baterije; funkcija faze zaustavljanja punjenja je ravnomjernije raspršivanje iona elektrolita i ublažavanje fenomena polarizacije, čime se poboljšava učinkovitost punjenja i produljuje vijek trajanja baterije.
Metoda povremenog punjenja promjenjivom strujom
Metoda povremenog punjenja promjenjivom strujom temelji se na punjenju konstantnom strujom i pulsnom punjenju, kao što je prikazano na slici 11-7. Njegova karakteristika je da se dio punjenja konstantnom strujom zamjenjuje naponski ograničenim dijelom isprekidanog punjenja varijabilnom strujom. U početnim fazama punjenja koristi se metoda povremenog punjenja s promjenjivom strujom kako bi se osigurala veća struja punjenja i dobila većina količine punjenja.
Tijekom kasnijih faza punjenja koristi se faza punjenja konstantnim naponom kako bi se postiglo prekomjerno punjenje i vraćanje baterije u potpuno napunjeno stanje. Povremenim zaustavljanjem punjenja, kisik i vodik proizvedeni kemijskom reakcijom u bateriji imaju vremena za rekombinaciju i apsorbiranje, prirodno eliminirajući koncentracijsku i ohmičku polarizaciju. Time se smanjuje unutarnji tlak baterije, omogućujući sljedećoj rundi punjenja konstantnom strujom da teče glatko i omogućuje bateriji da apsorbira više električne energije.
Na temelju metode povremenog punjenja s promjenjivom strujom, predložena je metoda povremenog punjenja s promjenjivim naponom, kao što je prikazano na slici 11-8. Razlika između metoda povremenog punjenja s promjenjivim naponom i promjenjivom strujom je u tome što prvi stupanj nije povremena konstantna struja, već povremeni konstantni napon.
Uspoređujući slike 11-7 i 11-8, može se vidjeti da slika 11-8 bolje odražava optimalnu krivulju punjenja. U svakom stupnju punjenja s konstantnim naponom, zbog punjenja s konstantnim naponom, struja punjenja prirodno eksponencijalno opada, u skladu s karakteristikom da prihvatljiva struja baterije postupno opada tijekom procesa punjenja.
Promjenjivi napon, val promjenjive struje-Tip Intermittent Positive and Negative Zero-Pulse Fast Charging Method
Kombinirajući prednosti pulsnog punjenja, Reflex™ brzog punjenja, isprekidanog punjenja s promjenjivom strujom i isprekidanog punjenja s promjenjivim naponom, razvijena je i primijenjena metoda brzog punjenja s promjenjivim naponom, valom promjenjive struje-tip pozitivne i negativne nule-. Kontrola kruga pulsnog punjenja općenito spada u dvije kategorije:
1) Amplituda impulsne struje je promjenjiva, dok je frekvencija PWM (power PWM) signala fiksna.
2) Amplituda impulsne struje je konstantna, dok je frekvencija PWM signala podesiva.
Slika 11-9 koristi način upravljanja koji se razlikuje od ova dva: i amplituda impulsne struje i frekvencija PWM signala su fiksne, dok je PWM radni ciklus podesiv. Dodavanjem povremene faze punjenja/zaustavljanja, više napunjenosti može se dobiti u kraćem vremenu, poboljšavajući sposobnost prihvaćanja punjenja baterije.
Svaki način punjenja ima svoje prednosti i opseg primjene. Međutim, sa širokom upotrebom električnih vozila, potražnja za brzinama punjenja raste, što dovodi do pojave pametnog punjenja. Pametno punjenje prvenstveno ima za cilj potpuno punjenje baterije ili postizanje zadanog kapaciteta u kratkom vremenu. To se postiže prilagodbom trenutne vrijednosti prema stanju napunjenosti (SOC) i zdravstvenom stanju (SOH) baterije, čime se vrijeme punjenja može usporediti s punjenjem tradicionalnog vozila.
Pametno punjenje privuklo je široku pozornost. Istraživači diljem svijeta usmjeravaju značajne resurse na istraživanje strategija kontrole punjenja kako bi poboljšali stope punjenja uz učinkovito osiguranje životnog vijeka baterije. To zauzvrat povećava praktičnost i društvenu prihvaćenost električnih vozila.
