Metoda brzog punjenja
Kako bi se maksimizirala brzina kemijskih reakcija u baterijama, skratilo vrijeme koje im je potrebno da postignu potpuno punjenje i minimizirali ili smanjili polarizaciju pozitivnih i negativnih ploča, čime se poboljšala efikasnost baterije, tehnologija brzog punjenja se brzo razvila posljednjih godina. U nastavku je predstavljeno nekoliko uobičajenih metoda brzog punjenja. Ove metode su dizajnirane 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 impulsnom strujom, zatim zaustavlja punjenje na određeno vrijeme, a zatim ponovo puni bateriju impulsnom strujom, ponavljajući ovaj ciklus, kao što je prikazano na slici 11-5. Puls punjenja u potpunosti puni bateriju, dok intervali omogućavaju vrijeme da se kisik i vodonik proizvedeni kemijskim reakcijama rekombinuju i apsorbiraju, prirodno eliminirajući koncentracijsku polarizaciju i omsku polarizaciju. Ovo smanjuje unutrašnji pritisak baterije, omogućavajući da se sledeći krug punjenja konstantnom strujom odvija glatko i omogućava bateriji da apsorbuje više napunjenosti. Intermitentni impulsi daju bateriji dovoljno vremena reakcije, smanjujući evoluciju gasa i poboljšavajući stopu prihvatanja struje punjenja baterije.
Pulsno punjenje može poboljšati efikasnost punjenja i pražnjenja baterije, uštedjeti vrijeme punjenja i produžiti vijek trajanja baterije, ali moraju biti ispunjeni određeni uvjeti.
Budući da se litijum{0}}jonske baterije prvenstveno oslanjaju na povratno kretanje litijum jona na katodi, anodi i elektrolitu tokom punjenja i pražnjenja, povećanje brzine kretanja jona i koeficijenta difuzije je neophodno za postizanje cilja uštede vremena punjenja i poboljšanja efikasnosti punjenja. Neodgovarajuća brzina punjenja ili distribucija ne samo da neće uspjeti postići željeni cilj već će i ubrzati starenje baterije. Kao što je prikazano na slici 11-2, što je veća stopa punjenja, to je manji kapacitet punjenja.
Analiza elektrohemijskih karakteristika pokazuje da je brzina punjenja litijum{0}} jonskih baterija uglavnom ograničena brzinom difuzije litijum jona i karakteristikama materijala pozitivnih i negativnih elektroda. Koristeći jednačinu (11-3), može se uspostaviti jednačina litijum-jonske difuzije.
U formuli, CL predstavlja koncentraciju litijum{0}}jona; x predstavlja difuzijsku udaljenost; t predstavlja vrijeme difuzije; a DLi predstavlja koeficijent difuzije litijum{1}}jona.
Studije su pokazale da litijum{0}}ionske baterije pokazuju dva perioda brzog starenja tokom ciklusnog testiranja:
1) Period formiranja SEI filma (Solid Electrolyte Interphase), proces koji troši dio dostupnih litijum jona da bi se formirao SEI film na površini elektrode.
2) Na kraju svakog ciklusa punjenja, otpor migraciji litijum jona u tečnoj 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 litijum jona će se koncentrirati na površini elektrode, što može lako dovesti do stvaranja metala litija i smanjiti sadržaj litij jona.
Formiranje SEI filma ima značajan uticaj na trajanje baterije. Ako se ne može formirati dobar SEI film, iako baterija može imati visoku efikasnost punjenja/pražnjenja i upotrebljiv kapacitet u početnim fazama punjenja/pražnjenja, kapacitet će se naglo smanjiti s povećanjem broja ciklusa, posebno u režimima nisko{1}}pulsnog punjenja. Stoga je gubitak litijum{3}} jona u prvoj fazi neizbježan. Međutim, struja tokom pulsnog punjenja ne bi trebala biti previsoka. Prekomjerna struja će uzrokovati neravnomjerno formiranje SEI filma, brzo zadebljanje SEI filma i značajno povećanje otpora, smanjujući broj korisnih jona i dovesti do gubitka kapaciteta.
Pulsno punjenje prvenstveno koristi pauze punjenja ili obrnuto pražnjenje kako bi se eliminisala polarizacija tokom procesa punjenja. Polarizacija je usko povezana s tipom baterije, proizvodnim procesom i svojstvima materijala, a njene varijacije su složene. Uz kontinuirano poboljšanje tehnologije baterija, polarizacija je dobro kontrolirana. Stoga, prednosti konvencionalnih impulsnih načina punjenja nisu toliko izražene. Potrebno je kombinovati relevantne karakteristične parametre baterije za praćenje-u realnom vremenu i podesiti amplitudu i ciklus pulsnog punjenja kako bi se baterija održala u optimalnom radnom stanju-način inteligentnog punjenja opisan kasnije.
Reflex™ metoda brzog punjenja
ReflexTM metoda brzog punjenja je patentirana tehnologija u Sjedinjenim Državama, prvobitno dizajnirana prvenstveno za punjenje nikl{0}}kadmijum baterija. Ova metoda punjenja ublažava problem memorijskog efekta nikl-kadmijum baterija, čime se značajno smanjuje vrijeme brzog punjenja. U poređenju sa pulsnim metodama punjenja, najveća karakteristika ReflexTM metode brzog punjenja je dodavanje negativnog impulsa. Njegov mehanizam koristi efekat "barijere" koji obezbeđuje negativni impuls kako bi se eliminisali mehurići nastali na površini elektrode tokom procesa reakcije, smanjujući porast temperature i povećanje unutrašnjeg otpora tokom punjenja baterije. Ovo omogućava da se električna energija što potpunije pretvori u hemijsku energiju unutar baterije, pomažući da se eliminiše polarizacija koncentracije uzrokovana sporom difuzijom, poboljšavajući stopu iskorištenja aktivnih materijala unutar baterije, i na taj način povećavajući broj ciklusa punjenja{6}}pražnjenja.
Kao što je prikazano na slici 11-6, jedan radni ciklus ReflexTM metode brzog punjenja uključuje tri faze: impuls punjenja naprijed, obrnuti trenutni impuls pražnjenja i pauzu u punjenju radi održavanja. Funkcija impulsa punjenja unapred je da obezbedi impulsnu struju pozitivne amplitude za punjenje baterije; funkcija obrnutog impulsa trenutnog pražnjenja je da učini da se joni elektrolita ravnomjernije difundiraju kako bi se odgodila reakcija polarizacije unutar baterije, čime se poboljšava učinkovitost punjenja i produžava vijek trajanja baterije; Funkcija faze zaustavljanja punjenja je da učini da se joni elektrolita ravnomjernije difundiraju i da ublaži fenomen polarizacije, čime se poboljšava efikasnost punjenja i produžava vijek trajanja baterije.
Metoda povremenog punjenja varijabilne struje
Metoda povremenog punjenja varijabilnom strujom zasnovana je na punjenju konstantnom strujom i pulsnom punjenju, kao što je prikazano na slici 11-7. Njegova karakteristika je da je dio punjenja konstantnom strujom zamijenjen sa naponski ograničenom promjenljivom strujom za povremeno punjenje. U početnim fazama punjenja, metoda povremenog punjenja varijabilnom strujom se koristi kako bi se osigurala veća struja punjenja i dobila većina količine punjenja.
Tokom kasnijih faza punjenja, faza punjenja konstantnim naponom se koristi za postizanje prekomjernog punjenja i vraćanje baterije u potpuno napunjeno stanje. Povremenim zaustavljanjem punjenja, kiseonik i vodonik proizvedeni hemijskom reakcijom u bateriji imaju vremena da se rekombinuju i apsorbuju, prirodno eliminišući koncentracijsku polarizaciju i omsku polarizaciju. Ovo smanjuje unutrašnji pritisak baterije, omogućavajući da sledeća runda punjenja konstantnom strujom teče glatko i omogućava bateriji da apsorbuje više električne energije.
Na osnovu metode povremenog punjenja promjenjivom strujom, predložena je metoda povremenog punjenja promjenljivog napona, kao što je prikazano na slici 11-8. Razlika između metoda povremenog punjenja promjenljivog napona i promjenjive struje je u tome što prva faza nije isprekidana konstantna struja, već isprekidani konstantni napon.
Upoređujući slike 11-7 i 11-8, može se vidjeti da slika 11-8 bolje odražava optimalnu krivu punjenja. U svakoj fazi punjenja konstantnim naponom, zbog punjenja konstantnim naponom, struja punjenja prirodno opada eksponencijalno, u skladu sa karakteristikom da se prihvatljiva struja baterije postepeno smanjuje tokom procesa punjenja.
Varijabilni napon, promjenjivi strujni talas-Tip isprekidani pozitivni i negativni nulti-Metoda brzog pulsnog punjenja
Kombinirajući prednosti pulsnog punjenja, Reflex™ brzog punjenja, povremenog punjenja promjenjivom strujom i isprekidanog punjenja varijabilnog napona, razvijena je i primijenjena metoda promjenjivog napona, talasa varijabilne struje-pozitivnog i negativnog nula-pulsnog isprekidanog brzog punjenja. Kontrola pulsnog kruga 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 radni ciklus PWM podesiv. Dodavanjem povremene faze punjenja/zaustavljanja, može se dobiti više napunjenosti za kraće vrijeme, poboljšavajući sposobnost punjenja baterije.
Svaki način punjenja ima svoje prednosti i opseg primjene. Međutim, sa široko rasprostranjenom upotrebom električnih vozila, potražnja za brzinama punjenja se povećava, što dovodi do pojave pametnog punjenja. Pametno punjenje prvenstveno ima za cilj potpuno punjenje baterije ili postizanje postavljenog kapaciteta u kratkom vremenu. Ovo se postiže prilagođavanjem trenutne vrijednosti prema stanju napunjenosti baterije (SOC) i zdravstvenom stanju (SOH), čime se vrijeme punjenja može usporediti s onim za punjenje goriva u tradicionalnom vozilu.
Pametno punjenje privuklo je široku pažnju. Istraživači širom svijeta usmjeravaju značajne resurse na istraživanje strategija kontrole punjenja kako bi poboljšali stope punjenja uz efikasno osiguranje vijeka trajanja baterije. Ovo zauzvrat povećava praktičnost i društveno prihvaćanje električnih vozila.
