Научете за доброто и лошото при ултрабързо зареждане

Ултра-бързи зарядни устройства

Никъде няма свръхбързо зареждане с по-голямо търсене, отколкото при електрическото превозно средство. Презареждането на EV за минути възпроизвежда удобството при зареждане на 50 литра (13 галона) гориво в резервоар, който доставя 600kWh енергия. Такова голямо съхранение на енергия в електрохимично устройство не е практично, тъй като батерията с такъв капацитет би тежала 6 тона. Повечето Li-йони произвеждат само около 150Wh на кг; енергията от изкопаеми горива е приблизително 100 пъти по-висока. (Виж BU-1007: Нетна калорична стойност).

Зареждането на EV винаги ще отнеме повече време от пълненето на резервоар, а батерията винаги ще доставя по-малко енергия на тегло от изкопаемото гориво. Нарушаването на върховенството на закона и налагането на свръхбързо зареждане добавя стрес, дори ако батерията е проектирана за такава цел. Трябва да имаме предвид, че батерията има муден характер. Подобно на застаряващия човек, физическото му състояние става по-малко идеално с употребата и възрастта. Същата е и възможността за бързо зареждане.

Човек приема, че цялата енергия на зареждане отива в батерията, независимо дали се зарежда бавно, бързо или по ултра бърз метод. Батериите са нелинейни устройства и повечето химикали приемат бързо зареждане от празно до около 50% състояние на зареждане (SoC) с малки загуби. NiCd се справя най-добре и понася най-малко напрежение. Напреженията възникват през втората половина на цикъла на зареждане към горния заряд, когато приемането на литиеви йони в анода на Li-йона стане затруднено. Аналогия е разгневените шофьори, които се борят за последното място за паркиране в търговски център, за да хванат специална разпродажба.

Прилагането на ултрабързо зареждане, когато батерията е празна и след това намаляване на тока при достигане на 50% SoC и по-висока, се нарича стъпково зареждане. Лаптоп индустрията прилага стъпково зареждане от много години. Зарядните токове трябва да се хармонизират с типа батерия, тъй като различните батерийни системи имат различни изисквания за приемане на заряда. Производителите на батерии не публикуват скоростта на зареждане като функция на SoC. Голяма част от това е запазена информация.

Изследователските компании твърдят, че постигат предимства с литиево-йонно зареждане, вместо да прилагат обикновеното CCCV зареждане, както е описано в BU-409: Зареждане на литиево-йонна. Научната общност е скептична към алтернативното зареждане и възприема подхода „изчакайте и вижте“.

Тъй като телата ни работят най-добре при 37 ° C (98 ° F), подобрява се и транспортният механизъм, когато батерията е топла. Съвременните електромобили позволяват функцията „предварително зареждане“ да подготви температурата на батерията за предстоящото бързо зареждане по време на шофиране. (Вижте също BU-410: Зареждане при високи и ниски температури.)

Независимо дали притежавате EV, електромотор, летящ обект, преносимо устройство или хоби приспособление, следните условия трябва да се спазват, когато зареждате батерията по ултра бърз начин:

  1. Батерията трябва да е проектирана да приема ултрабързо зареждане и да е в добро състояние. Li-йонът може да бъде проектиран за бързо зареждане от около 10 минути, но специфичната енергия на такава клетка ще бъде ниска.
  2. Ултра бързото зареждане се прилага само през първата фаза на зареждане. Токът на зареждане трябва да бъде намален, след като батерията достигне 70 процента състояние на заряд (SoC).
  3. Всички клетки в опаковката трябва да бъдат балансирани и да имат свръхниско съпротивление. Стареещите клетки често се различават по капацитет и съпротива, причинявайки несъответствие и неоправдан стрес на по-слабите клетки.
  4. Ултра бързото зареждане може да се извършва само при умерени температури, тъй като ниската температура забавя химическата реакция. Неизползваната енергия се превръща в обгазяване, метално покритие и топлина.

Ултра бързото зарядно устройство може да се сравни с високоскоростен влак (Фигура 1), пътуващ с 300 км в час (188 mph). Увеличаването на мощността е относително просто. Това е пистата, която управлява допустимата скорост на влака, а не машината. По същия начин състоянието на батерията диктува скоростта на зареждане.


university

Фигура 1: Ултра бързото зареждане може да се сравни с високоскоростен влак.
Мощните машини са лесни за изграждане, но това е пистата, която ограничава скоростта.

Добре проектираното свръхбързо зарядно устройство оценява състоянието на „химическата батерия“ и прави корекции според възможността за получаване на заряд. Зарядното устройство трябва също така да включва температурни компенсации и други функции за безопасност, за да намали зарядния ток, когато съществуват определени условия и да спре зареждането, ако батерията е подложена на неоправдан стрес.

„Интелигентна“ батерия, работеща на SMBus или други протоколи, е отговорна за зарядния ток. Системата наблюдава състоянието на батерията и намалява или спира зареждането, ако възникне аномалия. Често срещаните нередности са клетъчен дисбаланс или необходимост от калибриране. Някои „интелигентни“ батерии спират да функционират, ако грешката не бъде коригирана.

Ограничения за свръхбързо зареждане Li-ion

Максималният ток на заряд, който може да приеме Li-йонът, се определя от дизайна на клетката, а не от катодния материал, както обикновено се приема. Целта е да се избегне литиево покритие на анода и да се поддържа температурата под контрол. Тънкият анод с висока порьозност и малки графитни частици позволява изключително бързо зареждане поради голямата повърхност. Мощните клетки могат да се зареждат и разреждат при високи токове, но енергийната плътност е ниска. В сравнение, енергийните клетки имат по-дебел анод и по-ниска порьозност и скоростта на зареждане трябва да е 1C или по-малка. Някои хибридни клетки в NCA (никел-кобалт-алуминий) могат да се зареждат над 1С само с умерен стрес.

Прилагайте ултрабързото зареждане само когато е необходимо. Добре проектираното ултрабързо зарядно устройство трябва да има избор на време за зареждане, за да даде на потребителя възможност да избере най-малко стресиращото зареждане за определеното време. Фигура 2 сравнява жизнения цикъл на типична литиево-йонна батерия, когато се зарежда и разрежда при скорости 1C, 2C и 3C. Дълголетието може допълнително да се удължи чрез зареждане и разреждане под 1С; 0.8C е препоръчителната скорост.

Фигура 2: Циклично представяне на Li-йон с 1C, 2C и 3C зареждане и разреждане.
Зареждането и разреждането на Li-йон над 1С намалява експлоатационния живот. Използвайте по-бавно зареждане и разреждане, ако е възможно. Това правило важи за повечето батерии.


Отлагане на литий

Литиевото отлагане се образува, ако скоростта на зареждане надвишава способността, чрез която литийът може да бъде интеркалиран в отрицателния графитен електрод на Li-йон. Филм от метален литий се образува върху отрицателния електрод, който се разпространява равномерно върху гостоприемника или гравитира в една област в плосък, мъховиден или дендритен формат. Дендритната форма предизвиква безпокойство, защото може да увеличи саморазреждането, което в краен случай може да създаде късо и да доведе до обезвъздушаване с пламък.

Условията на околната среда влияят върху отлагането на литий, както следва:

  1. Литиевите отлагания нарастват, когато Li-йонът се зарежда свръхбързо при ниска температура
  2. Отлагането се развива, ако Li-йонът се зарежда свръхбързо над дадено ниво на заряд
  3. Твърди се също, че натрупването се увеличава, тъй като Li-йонните клетки стареят поради повишената вътрешна устойчивост.

Потребителите изискват бързо зареждане при ниска температура и това е особено важно за електрическото превозно средство. Решенията включват специални електролитни добавки и разтворители, оптимално съотношение отрицателни към положителни електроди и специален дизайн на клетките.

Често се задава въпросът; „Защо ултрабързите зарядни устройства зареждат батерията само до 70 и 80 процента?“ Това може да се направи нарочно, за да се намали стресът, но също така се дължи естествено на забавяне между напрежението и състоянието на зареждане, което усилва по-бързо зареждането на батерията. Това може да се сравни с гумена лента, вдигаща голяма тежест. Колкото по-голямо е теглото, толкова по-широко става изоставането. Свръхбързото зареждане принуждава напрежението към тавана 4.20V/клетка бързо, докато батерията се зарежда само частично. Пълното зареждане ще се случи с по-бавно темпо като част от насищането.

Литиевият титанат може да бъде изключение и да позволява ултра бързо зареждане без излишен стрес. Тази функция вероятно ще се използва в бъдещи електромобили; обаче Li-титанатът има по-ниска специфична енергия от смесения с кобалт Li-йон и батерията е скъпа. (Вижте BU-205: Видове литиево-йонни)

Никел-кадмият е друга химия на батерията, която може да се зареди за минути до 70 процента състояние на заряд. Както при повечето батерии, приемането на заряда спада към пълно зареждане и токът на зареждане трябва да бъде намален.

Всички свръхбързи методи се нуждаят от висока мощност. Свръхбърза EV станция за зареждане използва еквивалентната електрическа мощност на пет домакинства. Зареждането на флота от електромобили може да затъмни града.

Обобщение

Всички батерии се представят най-добре при стайна температура и с умерено зареждане и разреждане. Такъв защитен начин на живот не винаги отразява ситуациите в реалния свят, когато компактната опаковка трябва да се зарежда бързо и да доставя силен ток. Такива типични приложения са дронове и устройства за дистанционно управление за любители. Очаквайте кратък живот на цикъла, когато малка опаковка трябва да даде всичко, което има.

Ако изискванията за бързо зареждане и високи натоварвания са предпоставки, здравият Power Cell е идеален; това обаче увеличава размера и теглото на батерията. Аналогия е изборът на тежък дизелов двигател, който да управлява голям камион, вместо подправен двигател, предназначен за спортна кола. Големият дизел ще надживее лекия двигател, дори ако и двата имат еднакви конски сили. Отиването по-тежко ще бъде по-икономично в дългосрочен план. Таблица 3 обобщава характеристиките на заряда на оловни, никелови и литиеви батерии.

Тип Химия Скорост C Време Температури Прекратяване на зареждането
Бавно зарядно NiCd
Оловна киселина		 0,1 ° С 14ч 0 ° C до 45 ° C
(32ºF до 113ºF)		 Непрекъснато ниско зареждане или фиксиран таймер. Подлежи на надценка. Извадете батерията, когато е заредена.
Бързо зарядно NiCd, NiMH,
Li-йон		 0,3-0,5 ° С 3-6h 10 ° C до 45 ° C
(50ºF до 113ºF)		 Усеща батерията по напрежение, ток, температура и таймер за изчакване.
Бързо зарядно NiCd, NiMH,
Li-йон		 1С 1ч+ 10 ° C до 45 ° C
(50ºF до 113ºF)		 Същото като бързото зарядно устройство с по-бързо обслужване.
Ултра-бързо зарядно устройство Li-йон, NiCd, NiMH 1-10 ° С 10-60 минути 10 ° C до 45 ° C
(50ºF до 113ºF)		 Прилага ултрабързо зареждане до 70% SoC; ограничени до специални батерии.

Таблица 3: Характеристики на зарядното устройство. Всяка химия използва уникално прекратяване на заряда.

Прости насоки относно зарядните устройства

  • Ако е възможно, зареждайте с умерена скорост. Ултра бързото зарядно устройство трябва да предоставя възможност за зареждане с редовна скорост, когато времето позволява намаляване на стреса.
  • Бързото и свръхбързо зареждане зарежда батерията само частично; по-бавният заряд на насищане завършва заряда. За разлика от оловната киселина, Li-йонът не се нуждае от заряд за насищане, но капацитетът ще бъде малко по-нисък.
  • Не прилагайте бързо зареждане, когато батерията е студена или гореща. Зареждайте само при умерени температури. Избягвайте бързо зареждане на остаряла или слабо работеща батерия.


Последна актуализация 2019-04-12

*** Моля, прочетете относно коментарите ***

Коментарите са предназначени за "коментиране", открита дискусия сред посетителите на сайта. Университетът на Battery наблюдава коментарите и разбира значението на изразяването на перспективи и мнения в споделен форум. Цялата комуникация обаче трябва да се осъществява с използване на подходящ език и с избягване на спам и дискриминация.