Ātrās uzlādes metode
Lai maksimāli palielinātu ķīmisko reakciju ātrumu akumulatoros, saīsinātu laiku, kas nepieciešams, lai tie sasniegtu pilnu uzlādi, un samazinātu vai samazinātu pozitīvo un negatīvo plākšņu polarizāciju, tādējādi uzlabojot akumulatora efektivitāti, pēdējos gados ir strauji attīstījusies ātrās uzlādes tehnoloģija. Tālāk ir aprakstītas vairākas biežāk izmantotās ātrās uzlādes metodes. Šīs metodes ir izstrādātas ap optimālo uzlādes līkni, lai faktiskā uzlādes līkne būtu pēc iespējas tuvāka optimālajai uzlādes līknei.
Impulsu uzlādes metode
Impulsa uzlādes metode vispirms uzlādē akumulatoru ar impulsa strāvu, pēc tam uz noteiktu laiku pārtrauc uzlādi un pēc tam vēlreiz uzlādē akumulatoru ar impulsa strāvu, atkārtojot šo ciklu, kā parādīts 11-5. Uzlādes impulss pilnībā uzlādē akumulatoru, savukārt intervāli ļauj ķīmisko reakciju radītajam skābeklim un ūdeņradim rekombinēties un absorbēties, dabiski novēršot koncentrācijas polarizāciju un omu polarizāciju. Tas samazina akumulatora iekšējo spiedienu, ļaujot nākamajai pastāvīgas strāvas uzlādes kārtai noritēt vienmērīgāk un ļaujot akumulatoram absorbēt vairāk uzlādes. Intermitējošie impulsi nodrošina akumulatoram pietiekamu reakcijas laiku, samazinot gāzes izdalīšanos un uzlabojot akumulatora uzlādes strāvas pieņemšanas ātrumu.
Impulsa uzlāde var uzlabot akumulatora uzlādes un izlādes efektivitāti, ietaupīt uzlādes laiku un pagarināt akumulatora darbības laiku, taču ir jāievēro noteikti nosacījumi.
Tā kā litija{0}}jonu akumulatori galvenokārt balstās uz litija jonu kustību katodā, anodā un elektrolītā uzlādes un izlādes laikā, jonu kustības ātruma un difūzijas koeficienta palielināšana ir būtiska, lai sasniegtu mērķi ietaupīt uzlādes laiku un uzlabot uzlādes efektivitāti. Nepiemērots uzlādes ātrums vai sadale ne tikai nesasniegs vēlamo mērķi, bet arī paātrinās akumulatora novecošanos. Kā parādīts 11-2. attēlā, jo augstāks ir uzlādes līmenis, jo mazāka ir uzlādējamā jauda.
Elektroķīmisko raksturlielumu analīze liecina, ka litija -jonu akumulatoru uzlādes ātrumu galvenokārt ierobežo litija jonu difūzijas ātrums un pozitīvo un negatīvo elektrodu materiālu īpašības. Izmantojot vienādojumu (11-3), var izveidot litija jonu difūzijas vienādojumu.
Formulā CL apzīmē litija{0}}jonu koncentrāciju; x apzīmē difūzijas attālumu; t apzīmē difūzijas laiku; un DLi apzīmē litija{1}}jonu difūzijas koeficientu.
Pētījumi liecina, ka litija{0}}jonu akumulatoriem cikla pārbaudes laikā ir divi ātras novecošanas periodi:
1) SEI plēves (Solid Electrolyte Interphase) veidošanās periods, process, kas patērē daļu pieejamo litija jonu, lai izveidotu SEI plēvi uz elektroda virsmas.
2) Katra uzlādes cikla beigās pretestība litija jonu migrācijai šķidrajā fāzē akumulatora iekšpusē ir salīdzinoši maza, savukārt difūzijas koeficients cietajā fāzē ir salīdzinoši mazs. Tāpēc, ja uzlādes cikla beigās uzlādes strāva ir pārāk liela, uz elektroda virsmas koncentrēsies liels skaits litija jonu, kas var viegli izraisīt litija metāla veidošanos un samazināt litija jonu saturu.
SEI plēves veidošanās būtiski ietekmē akumulatora darbības laiku. Ja nevar izveidot labu SEI plēvi, lai gan akumulatoram var būt augsta uzlādes/izlādes efektivitāte un izmantojamā jauda sākotnējās uzlādes/izlādes stadijās, kapacitāte strauji samazināsies, palielinoties ciklu skaitam, īpaši zemas-strāvas impulsu uzlādes režīmos. Tāpēc litija -jonu zudums pirmajā posmā ir neizbēgams. Tomēr strāva impulsa uzlādes laikā nedrīkst būt pārāk augsta. Pārmērīga strāva izraisīs nevienmērīgu SEI plēves veidošanos, ātru SEI plēves sabiezēšanu un ievērojamu pretestības pieaugumu, samazinot izmantojamo jonu skaitu un izraisot jaudas zudumu.
Impulsa uzlāde galvenokārt izmanto uzlādes pauzes vai reverso izlādi, lai novērstu polarizāciju uzlādes procesa laikā. Polarizācija ir cieši saistīta ar akumulatora tipu, ražošanas procesu un materiāla īpašībām, un tās variācijas ir sarežģītas. Nepārtraukti pilnveidojot akumulatoru tehnoloģiju, polarizācija ir labi kontrolēta. Tāpēc parasto impulsu uzlādes režīmu priekšrocības nav tik izteiktas. Ir jāapvieno attiecīgie akumulatora raksturlielumi reāllaika uzraudzībai- un jāpielāgo impulsa uzlādes amplitūda un cikls, lai akumulators būtu optimālā darbības stāvoklī-tālāk aprakstītajā viedajā uzlādes režīmā.
Reflex™ ātrās uzlādes metode
ReflexTM ātrās uzlādes metode ir ASV patentēta tehnoloģija, kas sākotnēji bija paredzēta galvenokārt niķeļa-kadmija akumulatoru uzlādēšanai. Šī uzlādes metode atvieglo niķeļa-kadmija akumulatoru atmiņas efekta problēmu, tādējādi ievērojami samazinot ātrās uzlādes laiku. Salīdzinot ar impulsa uzlādes metodēm, ReflexTM ātrās uzlādes metodes lielākā iezīme ir negatīva impulsa pievienošana. Tās mehānisms izmanto "barjeras" efektu, ko nodrošina negatīvais impulss, lai likvidētu burbuļus, kas rodas uz elektroda virsmas reakcijas procesā, samazinot temperatūras paaugstināšanos un iekšējās pretestības palielināšanos akumulatora uzlādes laikā. Tas ļauj akumulatorā pēc iespējas pilnīgāk pārvērst elektrisko enerģiju ķīmiskajā enerģijā, palīdzot novērst koncentrācijas polarizāciju, ko izraisa lēna difūzija, uzlabojot akumulatorā esošo aktīvo materiālu izmantošanas ātrumu un tādējādi palielinot uzlādes{6}}izlādes ciklu skaitu.
Kā parādīts 11-6. attēlā, viens ReflexTM ātrās uzlādes metodes darba cikls ietver trīs posmus: uz priekšu vērstu uzlādes impulsu, apgrieztu momentānas izlādes impulsu un uzlādes pauzi apkopes vajadzībām. Priekšējā uzlādes impulsa funkcija ir nodrošināt pozitīvas amplitūdas impulsa strāvu, lai uzlādētu akumulatoru; reversās momentānās izlādes impulsa funkcija ir panākt, lai elektrolīta joni izkliedētos vienmērīgāk, lai aizkavētu polarizācijas reakciju akumulatora iekšpusē, tādējādi uzlabojot uzlādes efektivitāti un palielinot akumulatora darbības laiku; uzlādes apturēšanas fāzes funkcija ir panākt, lai elektrolīta joni izkliedētos vienmērīgāk un mazinātu polarizācijas parādību, tādējādi uzlabojot uzlādes efektivitāti un pagarinot akumulatora darbības laiku.
Mainīgas strāvas intermitējošas uzlādes metode
Mainīgas strāvas intermitējošās uzlādes metodes pamatā ir pastāvīga strāvas uzlāde un impulsa uzlāde, kā parādīts 11. attēlā-7. Tā īpašība ir tāda, ka pastāvīgas strāvas uzlādes sekcija tiek aizstāta ar mainīgas strāvas intermitējošās uzlādes sekciju ar ierobežotu spriegumu. Uzlādes sākumposmā tiek izmantota mainīgas strāvas intermitējošās uzlādes metode, lai nodrošinātu lielāku uzlādes strāvu un iegūtu lielāko daļu uzlādes apjoma.
Vēlākos uzlādes posmos tiek izmantota pastāvīga sprieguma uzlādes fāze, lai panāktu pārlādēšanu un atjaunotu akumulatoru pilnībā uzlādētā stāvoklī. Periodiski pārtraucot uzlādi, skābeklim un ūdeņradim, kas rodas ķīmiskās reakcijas rezultātā akumulatorā, ir laiks rekombinēties un absorbēties, dabiski novēršot koncentrācijas polarizāciju un omu polarizāciju. Tas samazina akumulatora iekšējo spiedienu, ļaujot nākamajai pastāvīgas strāvas uzlādes kārtai noritēt vienmērīgāk un ļaujot akumulatoram absorbēt vairāk elektrības.
Pamatojoties uz mainīgas strāvas intermitējošās uzlādes metodi, ir piedāvāta mainīga sprieguma intermitējošās uzlādes metode, kā parādīts 11-8. attēlā. Atšķirība starp mainīga sprieguma un mainīgas strāvas intermitējošās uzlādes metodēm ir tāda, ka pirmais posms nav intermitējoša konstanta strāva, bet gan intermitējoša pastāvīga spriegums.
Salīdzinot 11-7 un 11-8 attēlus, redzams, ka 11-8 attēls labāk atspoguļo optimālo uzlādes līkni. Katrā konstanta sprieguma uzlādes posmā, pateicoties pastāvīgai sprieguma uzlādei, uzlādes strāva dabiski samazinās eksponenciāli, kas atbilst īpašībai, ka uzlādes procesa laikā pieņemamā akumulatora strāva pakāpeniski samazinās.
Mainīgs spriegums, mainīga strāva
Apvienojot impulsu uzlādes, Reflex™ ātrās uzlādes, mainīgas strāvas intermitējošās uzlādes un mainīga sprieguma intermitējošās uzlādes priekšrocības, ir izstrādāta un piemērota mainīga sprieguma, mainīga strāvas viļņa -tipa pozitīvā un negatīvā nulles-impulsa intermitējošās ātrās uzlādes metode. Impulsu uzlādes ķēdes vadība parasti iedalās divās kategorijās:
1) Impulsa strāvas amplitūda ir mainīga, savukārt PWM (jaudas PWM) signāla frekvence ir fiksēta.
2) Impulsa strāvas amplitūda ir nemainīga, savukārt PWM signāla frekvence ir regulējama.
Attēlā 11-9 tiek izmantots vadības režīms, kas atšķiras no šiem diviem: gan impulsa strāvas amplitūda, gan PWM signāla frekvence ir fiksēta, savukārt PWM darba cikls ir regulējams. Pievienojot periodisku uzlādes/apturēšanas fāzi, īsākā laikā var iegūt lielāku uzlādi, uzlabojot akumulatora uzlādes pieņemšanas spēju.
Katram uzlādes režīmam ir savas priekšrocības un pielietojuma joma. Tomēr, plaši izmantojot elektriskos transportlīdzekļus, pieaug pieprasījums pēc uzlādes ātruma, kas izraisa viedās uzlādes parādīšanos. Viedās uzlādes galvenais mērķis ir pilnībā uzlādēt akumulatoru vai īsā laikā sasniegt iestatīto jaudu. Tas tiek panākts, pielāgojot pašreizējo vērtību atbilstoši akumulatora uzlādes stāvoklim (SOC) un veselības stāvoklim (SOH), padarot uzlādes laiku salīdzināmu ar tradicionāla transportlīdzekļa degvielas uzpildes laiku.
Viedā uzlāde ir piesaistījusi plašu uzmanību. Pētnieki visā pasaulē pievērš ievērojamus resursus, lai pētītu uzlādes kontroles stratēģijas, lai uzlabotu uzlādes ātrumu, vienlaikus efektīvi nodrošinot akumulatora darbības laiku. Tas savukārt uzlabo elektrisko transportlīdzekļu praktiskumu un sociālo akceptēšanu.
