Metoda e karikimit të shpejtë
Për të maksimizuar shpejtësinë e reaksioneve kimike në bateri, shkurtoni kohën që u duhet atyre për të arritur një ngarkesë të plotë dhe për të minimizuar ose zvogëluar polarizimin e pllakave pozitive dhe negative, duke përmirësuar kështu efikasitetin e baterisë, teknologjia e karikimit të shpejtë është zhvilluar me shpejtësi vitet e fundit. Disa metoda të zakonshme të karikimit të shpejtë janë paraqitur më poshtë. Këto metoda janë të dizajnuara rreth kurbës optimale të karikimit, duke synuar ta bëjnë kurbën aktuale të karikimit sa më afër lakores optimale të karikimit.
Metoda e karikimit të pulsit
Metoda e karikimit të pulsit fillimisht e ngarkon baterinë me një rrymë pulsi, më pas e ndalon karikimin për një periudhë kohore dhe më pas e ngarkon përsëri baterinë me një rrymë pulsi, duke përsëritur këtë cikël, siç tregohet në figurën 11-5. Pulsi i karikimit e ngarkon plotësisht baterinë, ndërsa intervalet lejojnë kohë që oksigjeni dhe hidrogjeni i prodhuar nga reaksionet kimike të rikombinohen dhe të përthithen, duke eliminuar natyrshëm polarizimin e përqendrimit dhe polarizimin omik. Kjo redukton presionin e brendshëm të baterisë, duke lejuar që raundi tjetër i karikimit të rrymës konstante të vazhdojë më mirë dhe duke i mundësuar baterisë të thithë më shumë ngarkesë. Impulset me ndërprerje i sigurojnë baterisë kohë të mjaftueshme reagimi, duke reduktuar evoluimin e gazit dhe duke përmirësuar shkallën e pranimit të rrymës së karikimit të baterisë.
Karikimi me puls mund të përmirësojë efikasitetin e karikimit dhe shkarkimit të baterisë, të kursejë kohën e karikimit dhe të zgjasë jetën e baterisë, por duhet të plotësohen disa kushte.
Meqenëse bateritë e joneve të litiumit mbështeten kryesisht në lëvizjen reciproke të joneve të litiumit në katodë, anodë dhe elektrolit gjatë karikimit dhe shkarkimit, rritja e shkallës së lëvizjes së joneve dhe koeficienti i difuzionit është thelbësor për të arritur qëllimin për të kursyer kohën e karikimit dhe për të përmirësuar efikasitetin e karikimit. Një shkallë ose shpërndarje e papërshtatshme e karikimit jo vetëm që nuk do të arrijë qëllimin e dëshiruar, por gjithashtu do të përshpejtojë plakjen e baterisë. Siç tregohet në figurën 11-2, sa më e lartë të jetë shkalla e karikimit, aq më i vogël është kapaciteti i tarifimit.
Analiza e karakteristikave elektrokimike tregon se shkalla e karikimit të baterive të litium-joneve është kryesisht e kufizuar nga shpejtësia e difuzionit të joneve të litiumit dhe karakteristikat e materialeve të elektrodës pozitive dhe negative. Duke përdorur ekuacionin (11-3), mund të vendoset një ekuacion i difuzionit litium-jon.
Në formulë, CL përfaqëson përqendrimin e litiumit-; x paraqet distancën e difuzionit; t përfaqëson kohën e difuzionit; dhe DLi përfaqëson koeficientin e difuzionit të joneve të litium-.
Studimet kanë treguar se bateritë litium-jonike shfaqin dy periudha të shpejta të plakjes gjatë testimit të ciklit:
1) Periudha e formimit të filmit SEI (Solid Electrolyte Interphase), një proces që konsumon një pjesë të joneve të litiumit në dispozicion për të formuar filmin SEI në sipërfaqen e elektrodës.
2) Në fund të çdo cikli karikimi, rezistenca ndaj migrimit të joneve të litiumit në fazën e lëngshme brenda baterisë është relativisht e vogël, ndërsa koeficienti i difuzionit në fazën e ngurtë është relativisht i vogël. Prandaj, nëse rryma e karikimit është shumë e madhe në fund të ciklit të karikimit, një numër i madh i joneve të litiumit do të përqendrohen në sipërfaqen e elektrodës, gjë që lehtë mund të çojë në formimin e metalit të litiumit dhe të zvogëlojë përmbajtjen e joneve të litiumit.
Formimi i filmit SEI ka një ndikim të rëndësishëm në jetëgjatësinë e baterisë. Nëse nuk mund të formohet një film i mirë SEI, megjithëse bateria mund të ketë efikasitet të lartë karikimi/shkarkimi dhe kapacitet të përdorshëm në fazat fillestare të karikimit/shkarkimit, kapaciteti do të ulet ndjeshëm me rritjen e numrit të ciklit, veçanërisht në modalitetet e karikimit të pulsit të ulët-rrymë. Prandaj, humbja e joneve litium- në fazën e parë është e pashmangshme. Megjithatë, rryma gjatë karikimit të pulsit nuk duhet të jetë shumë e lartë. Rryma e tepërt do të shkaktojë formim të pabarabartë të filmit SEI, trashje të shpejtë të filmit SEI dhe një rritje të konsiderueshme të rezistencës, duke zvogëluar numrin e joneve të përdorshëm dhe duke çuar në humbje të kapacitetit.
Karikimi i pulsit kryesisht përdor pushimet e karikimit ose shkarkimin e kundërt për të eliminuar polarizimin gjatë procesit të karikimit. Polarizimi është i lidhur ngushtë me llojin e baterisë, procesin e prodhimit dhe vetitë e materialit, dhe variacionet e tij janë komplekse. Me përmirësime të vazhdueshme në teknologjinë e baterive, polarizimi është kontrolluar mirë. Prandaj, avantazhet e mënyrave konvencionale të karikimit të pulsit nuk janë aq të theksuara. Është e nevojshme të kombinohen parametrat përkatëse karakteristike të baterisë për-monitorimin në kohë reale dhe të rregullohen amplituda dhe cikli i karikimit të pulsit për ta mbajtur baterinë në gjendjen optimale të funksionimit-modalitetin inteligjent të karikimit të përshkruar më vonë.
Metoda e karikimit të shpejtë Reflex™
Metoda e karikimit të shpejtë ReflexTM është një teknologji e patentuar në Shtetet e Bashkuara, e krijuar fillimisht kryesisht për karikimin e baterive nikel-kadmiumi. Kjo metodë karikimi lehtëson problemin e efektit të kujtesës të baterive nikel-kadmium, duke reduktuar kështu ndjeshëm kohën e karikimit të shpejtë. Krahasuar me metodat e karikimit me puls, tipari më i madh i metodës së karikimit të shpejtë ReflexTM është shtimi i një impulsi negativ. Mekanizmi i tij përdor efektin "barrierë" të dhënë nga pulsi negativ për të eliminuar flluskat e krijuara në sipërfaqen e elektrodës gjatë procesit të reagimit, duke reduktuar rritjen e temperaturës dhe rritjen e rezistencës së brendshme gjatë karikimit të baterisë. Kjo lejon që energjia elektrike të shndërrohet në energji kimike brenda baterisë sa më plotësisht të jetë e mundur, duke ndihmuar në eliminimin e polarizimit të përqendrimit të shkaktuar nga difuzioni i ngadaltë, duke përmirësuar shkallën e përdorimit të materialeve aktive brenda baterisë dhe duke rritur kështu numrin e cikleve të shkarkimit-.
Siç tregohet në figurën 11-6, një cikël pune i metodës së karikimit të shpejtë ReflexTM përfshin tre faza: një impuls karikimi përpara, një puls shkarkimi i menjëhershëm i kundërt dhe një pauzë në karikimin për mirëmbajtje. Funksioni i pulsit të karikimit përpara është të sigurojë një rrymë impulsi me amplitudë pozitive për të ngarkuar baterinë; Funksioni i pulsit të shkarkimit të menjëhershëm të kundërt është të bëjë që jonet e elektrolitit të shpërndahen në mënyrë më të barabartë për të vonuar reagimin e polarizimit brenda baterisë, duke përmirësuar kështu efikasitetin e karikimit dhe duke rritur jetëgjatësinë e baterisë; Funksioni i fazës së karikimit të ndalimit është të bëjë që jonet e elektrolitit të shpërndahen në mënyrë më të barabartë dhe të zbusë fenomenin e polarizimit, duke përmirësuar kështu efikasitetin e karikimit dhe duke zgjatur jetëgjatësinë e baterisë.
Metoda e tarifimit me ndërprerje të rrymës së ndryshueshme
Metoda e karikimit me ndërprerje të rrymës së ndryshueshme bazohet në ngarkimin e rrymës konstante dhe ngarkimin e pulsit, siç tregohet në figurën 11-7. Karakteristika e tij është se seksioni i karikimit të rrymës konstante zëvendësohet me një seksion ngarkimi të ndërprerë me rrymë të ndryshueshme të kufizuar me tension. Në fazat fillestare të karikimit, përdoret metoda e karikimit me ndërprerje të rrymës së ndryshueshme për të siguruar një rrymë më të lartë ngarkimi dhe për të marrë pjesën më të madhe të shumës së tarifimit.
Gjatë fazave të mëvonshme të karikimit, përdoret një fazë karikimi me tension konstant për të marrë mbingarkesë dhe për të rikthyer baterinë në një gjendje të ngarkuar plotësisht. Duke ndaluar karikimin me ndërprerje, oksigjeni dhe hidrogjeni i prodhuar nga reaksioni kimik në bateri kanë kohë të rikombinohen dhe të përthithen, duke eliminuar natyrshëm polarizimin e përqendrimit dhe polarizimin omik. Kjo redukton presionin e brendshëm të baterisë, duke lejuar që raundi tjetër i karikimit të rrymës konstante të vazhdojë më mirë dhe duke i mundësuar baterisë të thithë më shumë energji elektrike.
Bazuar në metodën e ngarkimit me ndërprerje të rrymës së ndryshueshme, është propozuar një metodë e ngarkimit me ndërprerje të tensionit të ndryshueshëm, siç tregohet në figurën 11-8. Dallimi midis metodave të ngarkimit me ndërprerje të tensionit të ndryshueshëm dhe rrymës së ndryshueshme është se faza e parë nuk është rrymë konstante me ndërprerje, por tension konstant me ndërprerje.
Duke krahasuar figurat 11-7 dhe 11-8, mund të shihet se Figura 11-8 pasqyron më mirë kurbën optimale të karikimit. Në çdo fazë të karikimit të tensionit konstant, për shkak të ngarkimit të tensionit konstant, rryma e karikimit zvogëlohet natyrshëm në mënyrë eksponenciale, në përputhje me karakteristikën që rryma e pranueshme e baterisë zvogëlohet gradualisht gjatë procesit të karikimit.
Tensioni i ndryshueshëm, Vala e ndryshueshme e rrymës-Lloji zero me ndërprerje pozitive dhe negative-Metodë e karikimit të shpejtë të pulsit
Duke kombinuar avantazhet e karikimit të pulsit, karikimit të shpejtë Reflex™, karikimit me ndërprerje të rrymës së ndryshueshme dhe ngarkimit me ndërprerje të tensionit të ndryshueshëm, është zhvilluar dhe zbatuar metoda e ngarkimit të shpejtë me ndërprerje të tensionit të ndryshueshëm, valëve të ndryshueshme të rrymës-tipi pozitiv dhe negativ i impulsit-. Kontrolli i qarkut të karikimit të pulsit në përgjithësi ndahet në dy kategori:
1) Amplituda e rrymës së pulsit është e ndryshueshme, ndërsa frekuenca e sinjalit PWM (power PWM) është fikse.
2) Amplituda e rrymës së pulsit është konstante, ndërsa frekuenca e sinjalit PWM është e rregullueshme.
Figura 11-9 përdor një modalitet kontrolli të ndryshëm nga këto të dyja: si amplituda e rrymës së pulsit ashtu edhe frekuenca e sinjalit PWM janë fikse, ndërsa cikli i punës PWM është i rregullueshëm. Duke shtuar një fazë karikimi/ndalimi me ndërprerje, mund të fitohet më shumë ngarkesë në një kohë më të shkurtër, duke përmirësuar aftësinë e pranimit të karikimit të baterisë.
Çdo mënyrë karikimi ka avantazhet e veta dhe shtrirjen e aplikimit. Megjithatë, me përdorimin e gjerë të automjeteve elektrike, kërkesa për shpejtësi karikimi po rritet, duke çuar në shfaqjen e karikimit inteligjent. Karikimi inteligjent synon kryesisht të karikojë plotësisht baterinë ose të arrijë një kapacitet të caktuar në një kohë të shkurtër. Kjo arrihet duke rregulluar vlerën aktuale sipas gjendjes së karikimit të baterisë (SOC) dhe gjendjes së shëndetit (SOH), duke e bërë kohën e karikimit të krahasueshme me atë të karburantit të një automjeti tradicional.
Karikimi inteligjent ka tërhequr vëmendjen e gjerë. Studiuesit në mbarë botën po përqendrojnë burime të rëndësishme në kërkimin e strategjive të kontrollit të karikimit për të përmirësuar normat e karikimit duke siguruar në mënyrë efektive jetëgjatësinë e baterisë. Kjo, nga ana tjetër, rrit prakticitetin dhe pranimin social të automjeteve elektrike.
