Método de carga rápida
Para maximizar a velocidade das reaccións químicas nas baterías, acurtar o tempo que tardan en alcanzar unha carga completa e minimizar ou reducir a polarización das placas positivas e negativas, mellorando así a eficiencia da batería, a tecnoloxía de carga rápida desenvolveuse rapidamente nos últimos anos. A continuación preséntanse varios métodos de carga rápida de uso habitual. Estes métodos están deseñados arredor da curva de carga óptima, co obxectivo de que a curva de carga real sexa o máis próxima posible á curva de carga óptima.
Método de carga por pulso
O método de carga por pulso carga primeiro a batería cunha corrente de pulso, despois deixa de cargar durante un período de tempo e, a continuación, carga a batería de novo cunha corrente de pulso, repetindo este ciclo, como se mostra na Figura 11-5. O pulso de carga carga completamente a batería, mentres que os intervalos permiten que o osíxeno e o hidróxeno producidos polas reaccións químicas se recombinen e sexan absorbidos, eliminando naturalmente a polarización da concentración e a polarización óhmica. Isto reduce a presión interna da batería, permitindo que a seguinte rolda de carga de corrente constante proceda máis suavemente e permitindo que a batería absorba máis carga. Os pulsos intermitentes proporcionan á batería un tempo de reacción suficiente, reducindo a evolución de gas e mellorando a taxa de aceptación da corrente de carga da batería.
A carga por pulso pode mellorar a eficiencia da carga e descarga da batería, aforrar tempo de carga e prolongar a vida útil da batería, pero deben cumprirse certas condicións.
Dado que as baterías de ións de litio-confían principalmente no movemento alternativo dos ións de litio no cátodo, no ánodo e no electrólito durante a carga e a descarga, é esencial aumentar a taxa de movemento dos ións e o coeficiente de difusión para acadar o obxectivo de aforrar tempo de carga e mellorar a eficiencia da carga. Unha taxa de carga ou distribución inadecuadas non só non conseguirá o obxectivo desexado senón que tamén acelerará o envellecemento da batería. Como se mostra na Figura 11-2, canto maior sexa a taxa de carga, menor será a capacidade de carga.
A análise das características electroquímicas mostra que a taxa de carga das baterías de iones de litio{0}}está limitada principalmente pola taxa de difusión dos ións de litio e as características dos materiais dos electrodos positivos e negativos. Usando a ecuación (11-3), pódese establecer unha ecuación de difusión de ión-litio.
Na fórmula, CL representa a concentración de-ión de litio; x representa a distancia de difusión; t representa o tempo de difusión; e DLi representa o coeficiente de difusión de ións de litio-.
Os estudos demostraron que as baterías de-ións de litio presentan dous períodos de envellecemento rápido durante as probas do ciclo:
1) O período de formación da película SEI (Solid Electrolyte Interphase), un proceso que consume unha parte dos ións de litio dispoñibles para formar a película SEI na superficie do electrodo.
2) Ao final de cada ciclo de carga, a resistencia á migración dos ións de litio na fase líquida dentro da batería é relativamente pequena, mentres que o coeficiente de difusión na fase sólida é relativamente pequeno. Polo tanto, se a corrente de carga é demasiado grande ao final do ciclo de carga, un gran número de ións de litio concentrarase na superficie do electrodo, o que pode levar facilmente á formación de metal de litio e reducir o contido de ións de litio.
A formación da película SEI ten un impacto significativo na duración da batería. Se non se pode formar unha boa película SEI, aínda que a batería pode ter unha alta eficiencia de carga/descarga e capacidade utilizable nas etapas iniciais de carga/descarga, a capacidade diminuirá drasticamente ao aumentar o número de ciclos, especialmente nos modos de carga de pulsos de baixa-actualidade. Polo tanto, a perda de-ións de litio na primeira etapa é inevitable. Non obstante, a corrente durante a carga do pulso non debe ser demasiado alta. A corrente excesiva provocará unha formación desigual da película SEI, un rápido engrosamento da película SEI e un aumento significativo da resistencia, reducindo o número de ións utilizables e provocando unha perda de capacidade.
A carga por pulso utiliza principalmente pausas de carga ou descarga inversa para eliminar a polarización durante o proceso de carga. A polarización está moi relacionada co tipo de batería, o proceso de fabricación e as propiedades do material, e as súas variacións son complexas. Coa mellora continua na tecnoloxía da batería, a polarización foi ben controlada. Polo tanto, as vantaxes dos modos de carga de pulso convencionais non son tan pronunciadas. É necesario combinar os parámetros característicos da batería relevantes para a monitorización en-tempo real e axustar a amplitude e o ciclo de carga por pulsos para manter a batería en condicións óptimas de funcionamento-o modo de carga intelixente que se describe máis adiante.
Método de carga rápida Reflex™
O método de carga rápida ReflexTM é unha tecnoloxía patentada nos Estados Unidos, deseñada inicialmente principalmente para cargar baterías de níquel-cadmio. Este método de carga alivia o problema do efecto memoria das baterías de níquel-cadmio, reducindo así significativamente o tempo de carga rápido. En comparación cos métodos de carga por pulso, a maior característica do método de carga rápida ReflexTM é a adición dun pulso negativo. O seu mecanismo utiliza o efecto "barrera" proporcionado polo pulso negativo para eliminar as burbullas xeradas na superficie do electrodo durante o proceso de reacción, reducindo o aumento da temperatura e o aumento da resistencia interna durante a carga da batería. Isto permite que a enerxía eléctrica se converta en enerxía química dentro da batería o máis completo posible, axudando a eliminar a polarización da concentración causada pola difusión lenta, mellorando a taxa de utilización dos materiais activos dentro da batería e aumentando así o número de ciclos de carga-descarga.
Como se mostra na Figura 11-6, un ciclo de traballo do método de carga rápida ReflexTM inclúe tres etapas: un pulso de carga directa, un pulso de descarga instantánea inversa e unha pausa na carga para o mantemento. A función do pulso de carga cara adiante é proporcionar unha corrente de pulso de amplitude positiva para cargar a batería; a función do pulso de descarga instantánea inversa é facer que os ións electrólitos se difundan de forma máis uniforme para atrasar a reacción de polarización dentro da batería, mellorando así a eficiencia de carga e aumentando a vida útil da batería; A función da fase de parada de carga é facer que os ións electrólitos se difundan de forma máis uniforme e mitigar o fenómeno de polarización, mellorando así a eficiencia de carga e prolongando a vida útil da batería.
Método de carga intermitente de corrente variable
O método de carga intermitente de corrente variable baséase na carga de corrente constante e na carga por pulsos, como se mostra na Figura 11-7. A súa característica é que a sección de carga de corrente constante substitúese por unha sección de carga intermitente de corrente variable limitada por tensión. Nas fases iniciais da carga, úsase o método de carga intermitente de corrente variable para garantir unha maior corrente de carga e obter a maior parte da cantidade de carga.
Durante as fases posteriores da carga, utilízase unha fase de carga de tensión constante para obter unha sobrecarga e restaurar a batería a un estado completamente cargado. Ao deixar de cargar de forma intermitente, o osíxeno e o hidróxeno producidos pola reacción química na batería teñen tempo para recombinarse e ser absorbidos, eliminando naturalmente a polarización da concentración e a polarización óhmica. Isto reduce a presión interna da batería, permitindo que a seguinte rolda de carga de corrente constante proceda de forma máis suave e permitindo que a batería absorba máis electricidade.
Baseándose no método de carga intermitente de corrente variable, propúxose un método de carga intermitente de tensión variable, como se mostra na Figura 11-8. A diferenza entre os métodos de carga intermitente de tensión variable e de corrente variable é que a primeira etapa non é unha corrente constante intermitente, senón unha tensión constante intermitente.
Comparando as figuras 11-7 e 11-8, pódese ver que a figura 11-8 reflicte mellor a curva de carga óptima. En cada etapa de carga de tensión constante, debido á carga de tensión constante, a corrente de carga naturalmente diminúe exponencialmente, de acordo coa característica de que a corrente aceptable da batería diminúe gradualmente durante o proceso de carga.
Tensión variable, onda de corrente variable-Tipo Intermitente Positivo e negativo cero-Método de carga rápida de pulso
Combinando as vantaxes da carga por pulso, a carga rápida Reflex™, a carga intermitente de corrente variable e a carga intermitente de tensión variable, desenvolveuse e aplicouse o método de carga rápida intermitente de voltaxe variable, onda de corrente variable{0}}tipo positivo e negativo-pulso cero. O control do circuíto de carga de pulso xeralmente divídese en dúas categorías:
1) A amplitude da corrente do pulso é variable, mentres que a frecuencia do sinal PWM (power PWM) é fixa.
2) A amplitude da corrente do pulso é constante, mentres que a frecuencia do sinal PWM é axustable.
A figura 11-9 emprega un modo de control diferente destes dous: tanto a amplitude da corrente de pulso como a frecuencia do sinal PWM son fixas, mentres que o ciclo de traballo PWM é axustable. Engadindo unha fase de carga/parada intermitente, pódese obter máis carga en menor tempo, mellorando a capacidade de aceptación da carga da batería.
Cada modo de carga ten as súas propias vantaxes e ámbito de aplicación. Non obstante, co uso xeneralizado dos vehículos eléctricos, a demanda de velocidades de carga está aumentando, o que leva á aparición da carga intelixente. A carga intelixente ten como obxectivo principal cargar completamente a batería ou alcanzar unha capacidade establecida en pouco tempo. Isto conséguese axustando o valor actual segundo o estado de carga (SOC) e o estado de saúde (SOH) da batería, facendo que o tempo de carga sexa comparable ao de repostar un vehículo tradicional.
A carga intelixente atraeu moita atención. Investigadores de todo o mundo están a centrar recursos significativos na investigación de estratexias de control de carga para mellorar as taxas de carga ao tempo que se garante a vida útil da batería. Isto, á súa vez, mellora a practicidade e a aceptación social dos vehículos eléctricos.
