Hurtig opladningsmetode
For at maksimere hastigheden af kemiske reaktioner i batterier, forkorte den tid, det tager for dem at nå en fuld opladning, og minimere eller reducere polarisering af de positive og negative plader, og derved forbedre batteriets effektivitet, har hurtigopladningsteknologien udviklet sig hurtigt i de seneste år. Flere almindeligt anvendte hurtigopladningsmetoder er introduceret nedenfor. Disse metoder er designet omkring den optimale ladekurve, med det formål at gøre den faktiske ladekurve så tæt som muligt på den optimale ladekurve.
Puls opladningsmetode
Pulsopladningsmetoden oplader først batteriet med en pulsstrøm, stopper derefter opladningen i et stykke tid og oplader derefter batteriet igen med en pulsstrøm, idet denne cyklus gentages, som vist i figur 11-5. Opladningsimpulsen oplader batteriet fuldt ud, mens intervallerne giver tid til, at oxygen og brint produceret af de kemiske reaktioner kan rekombinere og absorberes, hvilket naturligt eliminerer koncentrationspolarisering og ohmsk polarisering. Dette reducerer batteriets interne tryk, hvilket gør det muligt for den næste runde med konstant strømopladning at forløbe mere jævnt og gør det muligt for batteriet at absorbere mere ladning. De intermitterende impulser giver batteriet tilstrækkelig reaktionstid, hvilket reducerer gasudviklingen og forbedrer batteriets accepthastighed for ladestrøm.
Pulsopladning kan forbedre batteriopladnings- og afladningseffektiviteten, spare opladningstid og forlænge batteriets levetid, men visse betingelser skal være opfyldt.
Da lithium-ionbatterier primært er afhængige af den frem- og tilbagegående bevægelse af lithiumioner i katoden, anoden og elektrolytten under opladning og afladning, er det vigtigt at øge ionbevægelseshastigheden og diffusionskoefficienten for at nå målet om at spare opladningstid og forbedre opladningseffektiviteten. En uhensigtsmæssig opladningshastighed eller fordeling vil ikke kun mislykkes med at nå det ønskede mål, men vil også fremskynde batteriets aldring. Som vist i figur 11-2, jo højere opladningshastigheden er, jo mindre er den opladbare kapacitet.
Elektrokemiske karakteristiske analyser viser, at opladningshastigheden for lithium-ionbatterier hovedsageligt er begrænset af diffusionshastigheden af lithiumioner og karakteristikaene for de positive og negative elektrodematerialer. Ved hjælp af ligning (11-3) kan en lithium-ion diffusionsligning etableres.
I formlen repræsenterer CL lithium-ionkoncentrationen; x repræsenterer diffusionsafstanden; t repræsenterer diffusionstiden; og DLi repræsenterer lithium-iondiffusionskoefficienten.
Undersøgelser har vist, at lithium-ion-batterier udviser to hurtige ældningsperioder under cyklustest:
1) Dannelsesperioden for SEI-filmen (Solid Electrolyte Interphase), en proces, der forbruger en del af de tilgængelige lithiumioner for at danne SEI-filmen på elektrodeoverfladen.
2) Ved afslutningen af hver opladningscyklus er modstanden mod migration af lithiumioner i væskefasen inde i batteriet relativt lille, mens diffusionskoefficienten i den faste fase er relativt lille. Hvis ladestrømmen er for stor i slutningen af ladecyklussen, vil et stort antal lithiumioner derfor koncentreres på elektrodeoverfladen, hvilket let kan føre til dannelse af lithiummetal og reducere lithiumionindholdet.
Dannelsen af SEI-filmen har en betydelig indflydelse på batteriets levetid. Hvis en god SEI-film ikke kan dannes, selvom batteriet kan have høj opladnings-/afladningseffektivitet og brugbar kapacitet i de indledende opladnings-/afladningsfaser, vil kapaciteten falde kraftigt med stigende cyklustælling, især i lav-strømpulsopladningstilstande. Derfor er lithium-iontab i første fase uundgåeligt. Strømmen under pulsopladning bør dog ikke være for høj. For høj strøm vil forårsage ujævn SEI-filmdannelse, hurtig SEI-filmfortykkelse og en betydelig stigning i modstanden, hvilket reducerer antallet af anvendelige ioner og fører til kapacitetstab.
Pulsopladning bruger primært opladningspauser eller omvendt afladning for at eliminere polarisering under opladningsprocessen. Polarisering er tæt forbundet med batteritype, fremstillingsproces og materialeegenskaber, og dens variationer er komplekse. Med kontinuerlige forbedringer i batteriteknologi er polariseringen blevet godt kontrolleret. Derfor er fordelene ved konventionelle pulsopladningstilstande ikke så udtalte. Det er nødvendigt at kombinere relevante batterikarakteristiske parametre til overvågning i realtid- og justere amplituden og cyklus for pulsopladning for at holde batteriet i optimal driftstilstand-den intelligente opladningstilstand, der beskrives senere.
Reflex™ Hurtig opladningsmetode
ReflexTM hurtigopladningsmetoden er en patenteret teknologi i USA, som oprindeligt primært er designet til at oplade nikkel-cadmium-batterier. Denne opladningsmetode afhjælper hukommelseseffektproblemet ved nikkel-cadmium-batterier og reducerer dermed den hurtige opladningstid markant. Sammenlignet med pulsopladningsmetoder er den største egenskab ved ReflexTM hurtigopladningsmetoden tilføjelsen af en negativ puls. Dens mekanisme udnytter "barriere"-effekten fra den negative puls til at eliminere bobler genereret på elektrodeoverfladen under reaktionsprocessen, hvilket reducerer temperaturstigningen og stigningen i intern modstand under batteriopladning. Dette gør det muligt at konvertere elektrisk energi til kemisk energi i batteriet så fuldt ud som muligt, hvilket hjælper med at eliminere koncentrationspolarisering forårsaget af langsom diffusion, forbedre udnyttelsesgraden af aktive materialer i batteriet og dermed øge antallet af opladnings-afladningscyklusser.
Som vist i figur 11-6 omfatter en arbejdscyklus af ReflexTM hurtigopladningsmetoden tre trin: en fremadgående opladningsimpuls, en omvendt øjeblikkelig afladningsimpuls og en pause i opladningen til vedligeholdelse. Funktionen af den fremadgående opladningsimpuls er at tilvejebringe en positiv amplitudepulsstrøm for at oplade batteriet; funktionen af den omvendte øjeblikkelige afladningsimpuls er at få elektrolytionerne til at diffundere mere jævnt for at forsinke polarisationsreaktionen inde i batteriet, og derved forbedre opladningseffektiviteten og forlænge batteriets levetid; funktionen af stop-opladningsfasen er at få elektrolytionerne til at diffundere mere jævnt og afbøde polariseringsfænomenet, hvorved opladningseffektiviteten forbedres og batteriets levetid forlænges.
Variabel nuværende intermitterende opladningsmetode
Den variable strøm intermitterende opladningsmetode er baseret på konstant strømopladning og pulsladning, som vist i figur 11-7. Dens karakteristika er, at konstantstrøm ladesektionen er erstattet med en spændingsbegrænset variabel strøm intermitterende ladesektion. I de indledende faser af opladningen bruges den variable strøm intermitterende opladningsmetode til at sikre en højere ladestrøm og opnå størstedelen af opladningsmængden.
Under de senere stadier af opladningen bruges en konstant spændingsopladningsfase til at opnå overopladning og genoprette batteriet til en fuldt opladet tilstand. Ved intermitterende standsning af opladningen har ilt og brint, der produceres af den kemiske reaktion i batteriet, tid til at rekombinere og blive absorberet, hvilket naturligt eliminerer koncentrationspolarisering og ohmsk polarisering. Dette reducerer batteriets indre tryk, hvilket gør det muligt for den næste runde med konstant strømopladning at forløbe mere jævnt og gør det muligt for batteriet at absorbere mere elektricitet.
Baseret på den variable strømintermitterende opladningsmetode er der foreslået en intermitterende opladningsmetode med variabel spænding, som vist i figur 11-8. Forskellen mellem den variable spænding og den variable strøm intermitterende opladningsmetoder er, at det første trin ikke er intermitterende konstant strøm, men intermitterende konstant spænding.
Ved at sammenligne figur 11-7 og 11-8 kan det ses, at figur 11-8 bedre afspejler den optimale ladekurve. I hvert konstant spændingsopladningstrin, på grund af den konstante spændingsopladning, falder ladestrømmen naturligt eksponentielt, i overensstemmelse med karakteristikken, at den acceptable batteristrøm gradvist aftager under opladningsprocessen.
Variabel spænding, variabel strømbølge-Type intermitterende positiv og negativ nul-Pulshurtig opladningsmetode
Ved at kombinere fordelene ved pulsopladning, Reflex™ hurtig opladning, variabel strøm intermitterende opladning og variabel spænding intermitterende opladning, er den variable spænding, variabel strømbølge -type positiv og negativ nul-impuls intermitterende hurtigopladningsmetode blevet udviklet og anvendt. Styringen af pulsopladningskredsløbet falder generelt i to kategorier:
1) Amplituden af pulsstrømmen er variabel, mens frekvensen af PWM (power PWM) signalet er fast.
2) Amplituden af pulsstrømmen er konstant, mens frekvensen af PWM-signalet er justerbar.
Figur 11-9 anvender en kontroltilstand, der er forskellig fra disse to: både pulsstrømamplituden og frekvensen af PWM-signalet er faste, mens PWM-driftscyklussen er justerbar. Ved at tilføje en intermitterende opladnings-/stopfase kan der opnås mere opladning på kortere tid, hvilket forbedrer batteriets opladningsacceptkapacitet.
Hver opladningstilstand har sine egne fordele og anvendelsesområde. Men med den udbredte brug af elektriske køretøjer stiger efterspørgslen efter opladningshastigheder, hvilket fører til fremkomsten af smart opladning. Smart opladning har primært til formål at lade batteriet helt op eller nå en fastsat kapacitet på kort tid. Dette opnås ved at justere den aktuelle værdi i henhold til batteriets ladetilstand (SOC) og sundhedstilstand (SOH), hvilket gør opladningstiden sammenlignelig med opladningstiden for et traditionelt køretøj.
Smart opladning har vakt stor opmærksomhed. Forskere verden over fokuserer betydelige ressourcer på at forske i opladningskontrolstrategier for at forbedre opladningshastighederne og samtidig sikre batteriets levetid effektivt. Dette øger igen den praktiske og sociale accept af elektriske køretøjer.
