Rask lademetode
For å maksimere hastigheten på kjemiske reaksjoner i batterier, forkorte tiden det tar for dem å nå full ladning, og minimere eller redusere polariseringen av de positive og negative platene, og dermed forbedre batterieffektiviteten, har hurtigladeteknologien utviklet seg raskt de siste årene. Flere ofte brukte hurtigladingsmetoder er introdusert nedenfor. Disse metodene er designet rundt den optimale ladekurven, med sikte på å gjøre den faktiske ladekurven så nær den optimale ladekurven som mulig.
Pulslademetode
Pulslademetoden lader først batteriet med en pulsstrøm, stopper deretter ladingen i en periode, og lader deretter batteriet igjen med en pulsstrøm, og gjentar denne syklusen, som vist i figur 11-5. Ladepulsen lader batteriet fullt, mens intervallene gir tid for oksygenet og hydrogenet som produseres av de kjemiske reaksjonene å rekombinere og absorberes, noe som naturlig eliminerer konsentrasjonspolarisering og ohmsk polarisering. Dette reduserer batteriets interne trykk, slik at neste runde med konstant strømlading kan forløpe jevnere og lar batteriet absorbere mer ladning. De intermitterende pulsene gir batteriet tilstrekkelig reaksjonstid, reduserer gassutviklingen og forbedrer batteriets aksepthastighet for ladestrøm.
Pulslading kan forbedre batterilading og utlading, spare ladetid og forlenge batteriets levetid, men visse betingelser må oppfylles.
Siden litium-ionebatterier hovedsakelig er avhengige av frem- og tilbakegående bevegelse av litiumioner i katoden, anoden og elektrolytten under lading og utlading, er det viktig å øke ionebevegelseshastigheten og diffusjonskoeffisienten for å oppnå målet om å spare ladetid og forbedre ladeeffektiviteten. En upassende ladehastighet eller fordeling vil ikke bare mislykkes i å oppnå ønsket mål, men vil også akselerere aldring av batteriet. Som vist i figur 11-2, jo høyere ladehastighet, desto mindre er ladbar kapasitet.
Elektrokjemisk karakteristisk analyse viser at ladehastigheten til litium-ionbatterier hovedsakelig begrenses av diffusjonshastigheten til litiumioner og egenskapene til de positive og negative elektrodematerialene. Ved å bruke ligning (11-3), kan en litium-ion diffusjonsligning etableres.
I formelen representerer CL litium-ionekonsentrasjonen; x representerer diffusjonsavstanden; t representerer diffusjonstiden; og DLi representerer litium-ionediffusjonskoeffisienten.
Studier har vist at litium-ionbatterier viser to raske aldringsperioder under syklustesting:
1) Dannelsesperioden for SEI-filmen (Solid Electrolyte Interphase), en prosess som bruker en del av de tilgjengelige litiumionene for å danne SEI-filmen på elektrodeoverflaten.
2) Ved slutten av hver ladesyklus er motstanden mot migrering av litiumioner i væskefasen inne i batteriet relativt liten, mens diffusjonskoeffisienten i fast fase er relativt liten. Derfor, hvis ladestrømmen er for stor ved slutten av ladesyklusen, vil et stort antall litiumioner konsentrere seg på elektrodeoverflaten, noe som lett kan føre til dannelse av litiummetall og redusere litiumioninnholdet.
Dannelsen av SEI-filmen har en betydelig innvirkning på batterilevetiden. Hvis en god SEI-film ikke kan dannes, selv om batteriet kan ha høy lade-/utladningseffektivitet og brukbar kapasitet i de innledende lade-/utladingsstadiene, vil kapasiteten reduseres kraftig med økende syklustelling, spesielt i lav-strømpulslademodus. Derfor er litium-iontap i det første trinnet uunngåelig. Strømmen under pulslading bør imidlertid ikke være for høy. Overdreven strøm vil forårsake ujevn SEI-filmdannelse, rask SEI-filmtykkelse og en betydelig økning i motstanden, redusere antall brukbare ioner og føre til kapasitetstap.
Pulslading bruker først og fremst ladepauser eller omvendt utladning for å eliminere polarisering under ladeprosessen. Polarisering er nært knyttet til batteritype, produksjonsprosess og materialegenskaper, og variasjonene er komplekse. Med kontinuerlige forbedringer i batteriteknologi har polariseringen blitt godt kontrollert. Derfor er ikke fordelene med konvensjonelle pulslademoduser like uttalte. Det er nødvendig å kombinere relevante batterikarakteristiske parametere for sann-tidsovervåking og justere amplituden og syklusen til pulslading for å holde batteriet i optimal driftstilstand-den intelligente lademodusen beskrevet senere.
Reflex™ Rask lademetode
ReflexTM-hurtiglademetoden er en patentert teknologi i USA, opprinnelig utviklet primært for lading av nikkel-kadmiumbatterier. Denne lademetoden lindrer minneeffektproblemet til nikkel-kadmiumbatterier, og reduserer dermed hurtigladetiden betydelig. Sammenlignet med pulslademetoder er den største egenskapen til ReflexTM hurtiglademetoden tillegget av en negativ puls. Dens mekanisme utnytter "barriere"-effekten fra den negative pulsen for å eliminere bobler generert på elektrodeoverflaten under reaksjonsprosessen, og reduserer temperaturstigningen og øker den indre motstanden under batterilading. Dette gjør at elektrisk energi kan konverteres til kjemisk energi i batteriet så fullstendig som mulig, og hjelper til med å eliminere konsentrasjonspolarisering forårsaket av langsom diffusjon, forbedrer utnyttelsesgraden av aktive materialer i batteriet, og dermed øker antallet lade-utladingssykluser.
Som vist i figur 11-6, inkluderer én arbeidssyklus av ReflexTM hurtiglademetoden tre trinn: en ladepuls fremover, en revers momentan utladningspuls og en pause i ladingen for vedlikehold. Funksjonen til foroverladingspulsen er å gi en positiv amplitudepulsstrøm for å lade batteriet; funksjonen til den omvendte øyeblikkelige utladningspulsen er å få elektrolyttionene til å diffundere mer jevnt for å forsinke polarisasjonsreaksjonen inne i batteriet, og dermed forbedre ladeeffektiviteten og øke batterilevetiden; funksjonen til stoppladingsfasen er å få elektrolyttionene til å diffundere jevnere og dempe polarisasjonsfenomenet, og dermed forbedre ladeeffektiviteten og forlenge batteriets levetid.
Variabel gjeldende intermitterende lademetode
Metoden for intermitterende lading med variabel strøm er basert på konstant strømlading og pulslading, som vist i figur 11-7. Dens karakteristikk er at konstantstrøm ladeseksjonen erstattes med en spenningsbegrenset variabel strøm intermitterende ladeseksjon. I de innledende stadiene av lading brukes den variable strøm intermitterende lademetoden for å sikre en høyere ladestrøm og oppnå mesteparten av lademengden.
Under de senere stadiene av lading brukes en konstant spenningsladefase for å oppnå overlading og gjenopprette batteriet til en fulladet tilstand. Ved å stoppe ladingen periodisk, har oksygenet og hydrogenet som produseres av den kjemiske reaksjonen i batteriet tid til å rekombinere og bli absorbert, noe som naturlig eliminerer konsentrasjonspolarisering og ohmsk polarisering. Dette reduserer det interne trykket i batteriet, slik at neste runde med konstant strømlading kan forløpe jevnere og gjør at batteriet kan absorbere mer strøm.
Basert på metoden for intermitterende lading med variabel strøm er det foreslått en intermitterende lademetode med variabel spenning, som vist i figur 11-8. Forskjellen mellom variabel spenning og variabel strøm intermitterende lademetoder er at det første trinnet ikke er intermitterende konstant strøm, men intermitterende konstant spenning.
Sammenligner man figur 11-7 og 11-8, ser man at figur 11-8 bedre gjenspeiler den optimale ladekurven. I hvert ladetrinn med konstant spenning, på grunn av konstant spenningslading, synker ladestrømmen naturlig eksponentielt, i samsvar med karakteristikken at den akseptable batteristrømmen gradvis avtar under ladeprosessen.
Variabel spenning, variabel strømbølge-Type intermitterende positiv og negativ null-Pulshurtigladingsmetode
Ved å kombinere fordelene med pulslading, Reflex™-hurtiglading, intermitterende lading med variabel strøm og periodisk lading med variabel spenning, har variabel spenning, variabel strømbølge -type positiv og negativ null-puls intermitterende hurtigladingsmetode blitt utviklet og brukt. Kontrollen av pulsladekretsen faller generelt inn i to kategorier:
1) Amplituden til pulsstrømmen er variabel, mens frekvensen til PWM (power PWM) signalet er fast.
2) Amplituden til pulsstrømmen er konstant, mens frekvensen til PWM-signalet er justerbar.
Figur 11-9 bruker en kontrollmodus som er forskjellig fra disse to: både pulsstrømamplituden og frekvensen til PWM-signalet er faste, mens PWM-driftsyklusen er justerbar. Ved å legge til en intermitterende lade-/stoppfase, kan mer ladning oppnås på kortere tid, noe som forbedrer batteriets ladegodkjennelsesevne.
Hver lademodus har sine egne fordeler og applikasjonsomfang. Med den utbredte bruken av elektriske kjøretøy øker imidlertid etterspørselen etter ladehastigheter, noe som fører til fremveksten av smart lading. Smartlading har først og fremst som mål å fullade batteriet eller nå en fastsatt kapasitet på kort tid. Dette oppnås ved å justere gjeldende verdi i henhold til batteriets ladetilstand (SOC) og helsetilstand (SOH), slik at ladetiden kan sammenlignes med den for å fylle drivstoff på et tradisjonelt kjøretøy.
Smartlading har vakt stor oppmerksomhet. Forskere over hele verden fokuserer betydelige ressurser på å forske på ladekontrollstrategier for å forbedre ladehastigheten samtidig som de effektivt sikrer batteriets levetid. Dette forbedrer i sin tur den praktiske og sosiale aksepten til elektriske kjøretøy.
