Snabbladdningsmetod
För att maximera hastigheten på kemiska reaktioner i batterier, förkorta tiden det tar för dem att nå full laddning och minimera eller minska polariseringen av de positiva och negativa plattorna, och därigenom förbättra batterieffektiviteten, har snabbladdningstekniken utvecklats snabbt de senaste åren. Nedan presenteras flera vanliga snabbladdningsmetoder. Dessa metoder är designade kring den optimala laddningskurvan, i syfte att göra den faktiska laddningskurvan så nära den optimala laddningskurvan som möjligt.
Pulsladdningsmetod
Pulsladdningsmetoden laddar först batteriet med en pulsström, stoppar sedan laddningen under en tid och laddar sedan batteriet igen med en pulsström, upprepar denna cykel, som visas i figur 11-5. Laddningspulsen laddar batteriet helt, medan intervallen ger tid för syre och väte som produceras av de kemiska reaktionerna att rekombinera och absorberas, vilket naturligt eliminerar koncentrationspolarisering och ohmsk polarisering. Detta minskar batteriets interna tryck, vilket gör att nästa omgång av konstantströmladdning kan fortgå smidigare och gör att batteriet kan absorbera mer laddning. De intermittenta pulserna ger batteriet tillräcklig reaktionstid, vilket minskar gasutvecklingen och förbättrar batteriets acceptanshastighet för laddningsström.
Pulsladdning kan förbättra batteriladdnings- och urladdningseffektiviteten, spara laddningstid och förlänga batteriets livslängd, men vissa villkor måste uppfyllas.
Eftersom litium-jonbatterier främst är beroende av den fram- och återgående rörelsen av litiumjoner i katoden, anoden och elektrolyten under laddning och urladdning, är det viktigt att öka jonrörelsehastigheten och diffusionskoefficienten för att uppnå målet att spara laddningstid och förbättra laddningseffektiviteten. En olämplig laddningshastighet eller -distribution kommer inte bara att misslyckas med att uppnå det önskade målet utan kommer också att påskynda batteriets åldrande. Som visas i figur 11-2, ju högre laddningshastighet, desto mindre laddningsbar kapacitet.
Elektrokemiska egenskaper visar att laddningshastigheten för litium-jonbatterier huvudsakligen begränsas av diffusionshastigheten för litiumjoner och egenskaperna hos de positiva och negativa elektrodmaterialen. Med hjälp av ekvation (11-3) kan en litiumjondiffusionsekvation upprättas.
I formeln representerar CL litium-jonkoncentrationen; x representerar diffusionsavståndet; t representerar diffusionstiden; och DLi representerar litium-jondiffusionskoefficienten.
Studier har visat att litium-jonbatterier uppvisar två snabba åldringsperioder under cykeltestning:
1) Bildningsperioden för SEI-filmen (Solid Electrolyte Interphase), en process som förbrukar en del av de tillgängliga litiumjonerna för att bilda SEI-filmen på elektrodytan.
2) Vid slutet av varje laddningscykel är motståndet mot migration av litiumjoner i vätskefasen inuti batteriet relativt litet, medan diffusionskoefficienten i den fasta fasen är relativt liten. Därför, om laddningsströmmen är för stor i slutet av laddningscykeln, kommer ett stort antal litiumjoner att koncentreras på elektrodytan, vilket lätt kan leda till bildandet av litiummetall och minska litiumjoninnehållet.
Bildandet av SEI-filmen har en betydande inverkan på batteritiden. Om en bra SEI-film inte kan bildas, även om batteriet kan ha hög laddnings-/urladdningseffektivitet och användbar kapacitet i de inledande laddnings-/urladdningsstegen, kommer kapaciteten att minska kraftigt med ökande cykler, speciellt i låg-strömpulsladdningslägen. Därför är litium-jonförlust i det första steget oundviklig. Strömmen under pulsladdning bör dock inte vara för hög. Överdriven ström kommer att orsaka ojämn SEI-filmbildning, snabb SEI-filmförtjockning och en betydande ökning av motståndet, vilket minskar antalet användbara joner och leder till kapacitetsförlust.
Pulsladdning använder i första hand laddningspauser eller omvänd urladdning för att eliminera polarisering under laddningsprocessen. Polarisering är nära relaterad till batterityp, tillverkningsprocess och materialegenskaper, och dess variationer är komplexa. Med kontinuerliga förbättringar av batteritekniken har polariseringen kontrollerats väl. Därför är fördelarna med konventionella pulsladdningslägen inte lika uttalade. Det är nödvändigt att kombinera relevanta batterikarakteristiska parametrar för realtidsövervakning- och justera amplituden och cykeln för pulsladdning för att hålla batteriet i optimalt driftsläge-det intelligenta laddningsläget som beskrivs senare.
Reflex™ snabbladdningsmetod
ReflexTM-snabbladdningsmetoden är en patenterad teknik i USA, ursprungligen designad främst för laddning av nickel-kadmiumbatterier. Denna laddningsmetod lindrar minneseffektproblemet för nickel-kadmiumbatterier, vilket minskar den snabba laddningstiden avsevärt. Jämfört med pulsladdningsmetoder är den största egenskapen hos ReflexTM snabbladdningsmetoden tillägget av en negativ puls. Dess mekanism utnyttjar "barriäreffekten" som den negativa pulsen ger för att eliminera bubblor som genereras på elektrodytan under reaktionsprocessen, vilket minskar temperaturökningen och ökningen av det interna motståndet under batteriladdning. Detta gör att elektrisk energi kan omvandlas till kemisk energi i batteriet så fullständigt som möjligt, vilket hjälper till att eliminera koncentrationspolarisering orsakad av långsam diffusion, förbättrar utnyttjandegraden av aktiva material i batteriet och ökar därmed antalet laddnings-urladdningscykler.
Som visas i figur 11-6 inkluderar en arbetscykel av ReflexTM snabbladdningsmetoden tre steg: en framåtladdningspuls, en omvänd momentan urladdningspuls och en paus i laddningen för underhåll. Funktionen för framåtladdningspulsen är att tillhandahålla en positiv amplitudpulsström för att ladda batteriet; funktionen hos den omvända momentana urladdningspulsen är att få elektrolytjonerna att diffundera mer jämnt för att fördröja polarisationsreaktionen inuti batteriet, och därigenom förbättra laddningseffektiviteten och öka batteriets livslängd; funktionen för stoppladdningsfasen är att få elektrolytjonerna att diffundera jämnare och mildra polarisationsfenomenet, och därigenom förbättra laddningseffektiviteten och förlänga batteriets livslängd.
Variabel ström intermittent laddningsmetod
Den intermittenta laddningsmetoden för variabel ström är baserad på konstant strömladdning och pulsladdning, som visas i figur 11-7. Dess kännetecken är att konstantströmsladdningssektionen ersätts med en spänningsbegränsad variabel strömintermittent laddningssektion. I de inledande stadierna av laddningen används den intermittenta laddningsmetoden för variabel ström för att säkerställa en högre laddningsström och erhålla större delen av laddningsmängden.
Under de senare stadierna av laddningen används en konstant spänningsladdningsfas för att erhålla överladdning och återställa batteriet till ett fulladdat tillstånd. Genom att intermittent stoppa laddningen hinner syret och vätet som produceras av den kemiska reaktionen i batteriet rekombineras och absorberas, vilket naturligt eliminerar koncentrationspolarisering och ohmsk polarisering. Detta minskar det interna trycket i batteriet, vilket gör att nästa omgång av konstant strömladdning går smidigare och gör att batteriet kan absorbera mer elektricitet.
Baserat på metoden för variabel strömintermittent laddning har en intermittent laddningsmetod med variabel spänning föreslagits, som visas i figur 11-8. Skillnaden mellan metoderna för intermittent laddning med variabel spänning och variabel ström är att det första steget inte är intermittent konstant ström, utan intermittent konstant spänning.
Jämför man figurerna 11-7 och 11-8 kan man se att figur 11-8 bättre speglar den optimala laddningskurvan. I varje laddningssteg med konstant spänning, på grund av konstant spänningsladdning, minskar laddningsströmmen naturligt exponentiellt, i överensstämmelse med egenskapen att den acceptabla batteriströmmen gradvis minskar under laddningsprocessen.
Variabel spänning, variabel strömvåg-Typ intermittent positiv och negativ noll-Pulssnabbladdningsmetod
Genom att kombinera fördelarna med pulsladdning, Reflex™-snabbladdning, intermittent laddning med variabel ström och intermittent laddning med variabel spänning, har metoden för variabel spänning, variabel strömvåg -typ positiv och negativ noll-pulsintermittent snabbladdning utvecklats och tillämpats. Styrningen av pulsladdningskretsen delas i allmänhet in i två kategorier:
1) Amplituden för pulsströmmen är variabel, medan frekvensen för PWM-signalen (power PWM) är fast.
2) Amplituden på pulsströmmen är konstant, medan frekvensen för PWM-signalen är justerbar.
Figur 11-9 använder ett styrläge som skiljer sig från dessa två: både pulsströmamplituden och frekvensen för PWM-signalen är fasta, medan PWM-driftcykeln är justerbar. Genom att lägga till en intermittent laddnings-/stoppfas kan mer laddning vinnas på kortare tid, vilket förbättrar batteriets laddningskapacitet.
Varje laddningsläge har sina egna fördelar och tillämpningsområde. Men med den utbredda användningen av elfordon ökar efterfrågan på laddningshastigheter, vilket leder till uppkomsten av smart laddning. Smart laddning syftar i första hand till att ladda batteriet helt eller nå en inställd kapacitet på kort tid. Detta uppnås genom att justera det aktuella värdet enligt batteriets laddningstillstånd (SOC) och hälsotillstånd (SOH), vilket gör laddningstiden jämförbar med den för att tanka ett traditionellt fordon.
Smart laddning har väckt stor uppmärksamhet. Forskare över hela världen fokuserar betydande resurser på att undersöka laddningskontrollstrategier för att förbättra laddningshastigheterna samtidigt som de effektivt säkerställer batteriets livslängd. Detta i sin tur förbättrar det praktiska och sociala acceptansen av elfordon.
