Начин на брзо полнење
За да се максимизира брзината на хемиските реакции во батериите, да се скрати времето потребно за нивно целосно полнење и да се минимизира или намали поларизацијата на позитивните и негативните плочи, а со тоа да се подобри ефикасноста на батериите, технологијата за брзо полнење брзо се развива во последниве години. Неколку најчесто користени методи за брзо полнење се претставени подолу. Овие методи се дизајнирани околу оптималната крива на полнење, со цел да се направи вистинската крива на полнење што е можно поблиску до оптималната крива на полнење.
Начин на полнење на пулсот
Методот на пулсно полнење прво ја полни батеријата со пулсна струја, потоа престанува да се полни за одреден временски период, а потоа повторно ја полни батеријата со пулсна струја, повторувајќи го овој циклус, како што е прикажано на Слика 11-5. Пулсот на полнење целосно ја полни батеријата, додека интервалите дозволуваат време кислородот и водородот произведен од хемиските реакции да се рекомбинираат и да се апсорбираат, природно елиминирајќи ја поларизацијата на концентрацијата и омската поларизација. Ова го намалува внатрешниот притисок на батеријата, овозможувајќи следната рунда на полнење со постојана струја да продолжи понепречено и овозможувајќи и на батеријата да апсорбира повеќе полнење. Наизменичните импулси и обезбедуваат на батеријата доволно време на реакција, намалувајќи ја еволуцијата на гасот и ја подобруваат стапката на прифаќање на струјата на полнење на батеријата.
Пулсното полнење може да ја подобри ефикасноста на полнењето и празнењето на батеријата, да заштеди време на полнење и да го продолжи животниот век на батеријата, но одредени услови мора да се исполнат.
Со оглед на тоа што литиум-јонските батерии се потпираат првенствено на клипното движење на литиумските јони во катодата, анодата и електролитот за време на полнењето и празнењето, зголемувањето на стапката на движење на јоните и коефициентот на дифузија е од суштинско значење за да се постигне целта за заштеда на време на полнење и подобрување на ефикасноста на полнењето. Несоодветната стапка на полнење или дистрибуција не само што нема да ја постигне саканата цел туку и ќе го забрза стареењето на батеријата. Како што е прикажано на Слика 11-2, колку е поголема стапката на полнење, толку е помал капацитетот за полнење.
Анализата на електрохемиските карактеристики покажува дека стапката на полнење на литиум-јонските батерии е главно ограничена од стапката на дифузија на литиумските јони и карактеристиките на материјалите на позитивните и негативните електроди. Со помош на равенката (11-3), може да се воспостави равенка за дифузија на литиум-јони.
Во формулата, CL ја претставува концентрацијата на литиум-јони; x го претставува растојанието на дифузија; t го претставува времето на дифузија; а DLi го претставува коефициентот на дифузија на литиум-јони.
Истражувањата покажаа дека литиум-јонските батерии покажуваат два периоди на брзо стареење за време на циклусното тестирање:
1) Периодот на формирање на SEI филмот (Солид електролит интерфаза), процес кој троши дел од достапните литиумски јони за да се формира SEI филм на површината на електродата.
2) На крајот од секој циклус на полнење, отпорот на миграција на литиумските јони во течната фаза во внатрешноста на батеријата е релативно мал, додека коефициентот на дифузија во цврстата фаза е релативно мал. Затоа, ако струјата на полнење е преголема на крајот од циклусот на полнење, голем број литиумски јони ќе се концентрираат на површината на електродата, што лесно може да доведе до формирање на литиум метал и да ја намали содржината на литиум јони.
Формирањето на филмот SEI има значително влијание врз траењето на батеријата. Ако не може да се формира добар SEI филм, иако батеријата може да има висока ефикасност на полнење/празнење и употреблив капацитет во почетните фази на полнење/празнење, капацитетот нагло ќе се намали со зголемувањето на бројот на циклуси, особено во режимите на ниско-тековно полнење на пулсот. Затоа, загубата на литиум-јони во првата фаза е неизбежна. Сепак, струјата за време на пулсното полнење не треба да биде премногу висока. Прекумерната струја ќе предизвика нерамномерно формирање на SEI филм, брзо задебелување на SEI филмот и значително зголемување на отпорот, намалувајќи го бројот на употребливи јони и доведувајќи до губење на капацитетот.
Пулсното полнење првенствено користи паузи на полнење или обратно празнење за да се елиминира поларизацијата за време на процесот на полнење. Поларизацијата е тесно поврзана со типот на батеријата, процесот на производство и својствата на материјалот, а нејзините варијации се сложени. Со континуирани подобрувања во технологијата на батерии, поларизацијата е добро контролирана. Затоа, предностите на конвенционалните режими на пулсно полнење не се толку изразени. Потребно е да се комбинираат релевантните карактеристики на батеријата за-следење во реално време и да се прилагодат амплитудата и циклусот на пулсното полнење за да се одржи батеријата во оптимална работна состојба-интелигентниот режим на полнење опишан подоцна.
Метод за брзо полнење Reflex™
Методот за брзо полнење ReflexTM е патентирана технологија во Соединетите Држави, првично дизајнирана првенствено за полнење никел-кадмиумски батерии. Овој метод на полнење го ублажува проблемот со меморискиот ефект на никел-кадмиумските батерии, со што значително се намалува времето на брзо полнење. Во споредба со методите за пулсно полнење, најголемата карактеристика на методот за брзо полнење ReflexTM е додавањето негативен пулс. Неговиот механизам го користи ефектот на „бариера“ обезбеден од негативниот пулс за да ги елиминира меурите што се создаваат на површината на електродата за време на процесот на реакција, намалувајќи го порастот на температурата и зголемувањето на внатрешниот отпор при полнење на батеријата. Ова овозможува електричната енергија да се претвори во хемиска енергија во батеријата што е можно поцелосно, помагајќи да се елиминира поларизацијата на концентрацијата предизвикана од бавната дифузија, да се подобри стапката на искористување на активните материјали во батеријата и со тоа да се зголеми бројот на-циклуси на полнење.
Како што е прикажано на Слика 11-6, еден работен циклус на методот за брзо полнење ReflexTM вклучува три фази: пулс на полнење напред, пулс на обратно моментално празнење и пауза во полнењето за одржување. Функцијата на пулсот за полнење напред е да обезбеди позитивна амплитудна пулсна струја за полнење на батеријата; Функцијата на пулсот на обратно моментално празнење е да направи електролитните јони да се дифузираат порамномерно за да се одложи реакцијата на поларизација во внатрешноста на батеријата, а со тоа да се подобри ефикасноста на полнењето и да се зголеми животниот век на батеријата; Функцијата на фазата на стоп полнење е да направи јоните на електролитот да се дифузираат порамномерно и да го ублажат феноменот на поларизација, а со тоа да се подобри ефикасноста на полнењето и да се продолжи траењето на батеријата.
Променлива тековна метода на интермитентно полнење
Методот на интермитентно полнење со променлива струја се заснова на полнење со постојана струја и полнење со пулс, како што е прикажано на Слика 11-7. Неговата карактеристика е тоа што делот за полнење со постојана струја се заменува со дел за наизменично полнење со променлива струја ограничена на напон. Во почетните фази на полнење, методот на интермитентно полнење со променлива струја се користи за да се обезбеди поголема струја на полнење и да се добие најголемиот дел од износот на полнење.
За време на подоцнежните фази на полнење, се користи фаза на полнење со постојан напон за да се добие преполнување и да се врати батеријата во целосно наполнета состојба. Со наизменично запирање на полнењето, кислородот и водородот произведени од хемиската реакција во батеријата имаат време да се рекомбинираат и да се апсорбираат, природно елиминирајќи ја поларизацијата на концентрацијата и омската поларизација. Ова го намалува внатрешниот притисок на батеријата, овозможувајќи следната рунда на полнење со постојана струја да продолжи понепречено и овозможувајќи и на батеријата да апсорбира повеќе електрична енергија.
Врз основа на методот на интермитентно полнење со променлива струја, предложен е метод на интермитентно полнење со променлив напон, како што е прикажано на слика 11-8. Разликата помеѓу методите на интермитентно полнење со променлив напон и променлива струја е во тоа што првата фаза не е интермитентна постојана струја, туку интермитентен постојан напон.
Споредувајќи ги сликите 11-7 и 11-8, може да се види дека сликата 11-8 подобро ја одразува оптималната крива на полнење. Во секоја фаза на полнење со постојан напон, поради постојаното полнење на напон, струјата на полнење природно се намалува експоненцијално, во согласност со карактеристиката дека прифатливата струја на батеријата постепено се намалува за време на процесот на полнење.
Променлив напон, променлив тековен бран-Тип интермитентна позитивна и негативна нула-Метод на брзо полнење со пулс
Комбинирајќи ги предностите на пулсното полнење, брзото полнење Reflex™, интермитентно полнење со променлива струја и интермитентно полнење со променлив напон, развиен и применет е методот на променлив напон, бранови со променлива струја-тип на позитивен и негативен нула-пулсен интермитентно брзо полнење. Контролата на колото за полнење на пулсот генерално спаѓа во две категории:
1) Амплитудата на импулсната струја е променлива, додека фреквенцијата на сигналот PWM (power PWM) е фиксна.
2) Амплитудата на импулсната струја е константна, додека фреквенцијата на сигналот PWM е прилагодлива.
Слика 11-9 користи контролен режим различен од овие два: и амплитудата на струјата на импулсот и фреквенцијата на сигналот PWM се фиксни, додека работниот циклус на PWM е прилагодлив. Со додавање фаза на наизменично полнење/запирање, може да се добие повеќе полнење за пократко време, со што се подобрува способноста за прифаќање на полнењето на батеријата.
Секој режим на полнење има свои предности и опсег на примена. Сепак, со широката употреба на електрични возила, побарувачката за брзини на полнење се зголемува, што доведува до појава на паметно полнење. Паметното полнење првенствено има за цел целосно да ја наполни батеријата или да достигне одреден капацитет за кратко време. Ова се постигнува со прилагодување на моменталната вредност според состојбата на полнење (SOC) и здравствената состојба (SOH) на батеријата, со што времето на полнење е споредливо со времето на полнење гориво на традиционално возило.
Паметното полнење привлече големо внимание. Истражувачите ширум светот фокусираат значителни ресурси на истражување на стратегиите за контрола на полнењето за да ги подобрат стапките на полнење додека ефикасно обезбедуваат животен век на батеријата. Ова, пак, ја подобрува практичноста и општественото прифаќање на електричните возила.
