Metodo di ricarica veloce
Per massimizzare la velocità delle reazioni chimiche nelle batterie, abbreviare il tempo necessario per raggiungere la carica completa e minimizzare o ridurre la polarizzazione delle piastre positiva e negativa, migliorando così l’efficienza della batteria, la tecnologia di ricarica rapida si è sviluppata rapidamente negli ultimi anni. Di seguito vengono introdotti diversi metodi di ricarica rapida comunemente utilizzati. Questi metodi sono progettati attorno alla curva di carica ottimale, con l'obiettivo di rendere la curva di carica effettiva il più vicino possibile alla curva di carica ottimale.
Metodo di ricarica a impulsi
Il metodo di carica a impulsi carica innanzitutto la batteria con una corrente a impulsi, quindi interrompe la carica per un periodo di tempo, quindi carica nuovamente la batteria con una corrente a impulsi, ripetendo questo ciclo, come mostrato nella Figura 11-5. L'impulso di carica carica completamente la batteria, mentre gli intervalli danno tempo all'ossigeno e all'idrogeno prodotti dalle reazioni chimiche di ricombinarsi e essere assorbiti, eliminando naturalmente la polarizzazione della concentrazione e la polarizzazione ohmica. Ciò riduce la pressione interna della batteria, consentendo al ciclo successivo di ricarica a corrente costante di procedere in modo più fluido e consentendo alla batteria di assorbire più carica. Gli impulsi intermittenti forniscono alla batteria un tempo di reazione sufficiente, riducendo lo sviluppo di gas e migliorando il tasso di accettazione della corrente di carica della batteria.
La ricarica a impulsi può migliorare l'efficienza di carica e scarica della batteria, risparmiare tempo di ricarica e prolungare la durata della batteria, ma è necessario soddisfare determinate condizioni.
Poiché le batterie agli ioni di litio- si basano principalmente sul movimento alternativo degli ioni di litio nel catodo, nell'anodo e nell'elettrolita durante la carica e la scarica, aumentare la velocità di movimento degli ioni e il coefficiente di diffusione è essenziale per raggiungere l'obiettivo di risparmiare tempo di ricarica e migliorare l'efficienza della carica. Una velocità o una distribuzione di carica inadeguata non solo non riuscirà a raggiungere l’obiettivo desiderato, ma accelererà anche l’invecchiamento della batteria. Come mostrato nella Figura 11-2, maggiore è la velocità di ricarica, minore è la capacità caricabile.
L'analisi delle caratteristiche elettrochimiche mostra che la velocità di carica delle batterie agli ioni di litio- è limitata principalmente dalla velocità di diffusione degli ioni di litio e dalle caratteristiche dei materiali degli elettrodi positivi e negativi. Utilizzando l'equazione (11-3), è possibile stabilire un'equazione di diffusione degli ioni di litio.
Nella formula, CL rappresenta la concentrazione di ioni di litio-; x rappresenta la distanza di diffusione; t rappresenta il tempo di diffusione; e DLi rappresenta il coefficiente di diffusione degli ioni di litio-.
Gli studi hanno dimostrato che le batterie agli ioni di litio- presentano due periodi di invecchiamento rapido durante i test di ciclo:
1) Il periodo di formazione del film SEI (Solid Electrolyte Interphase), processo che consuma una porzione degli ioni di litio disponibili per formare il film SEI sulla superficie dell'elettrodo.
2) Al termine di ogni ciclo di carica, la resistenza alla migrazione degli ioni di litio nella fase liquida all'interno della batteria è relativamente piccola, mentre il coefficiente di diffusione nella fase solida è relativamente piccolo. Pertanto, se la corrente di carica è troppo grande alla fine del ciclo di carica, un gran numero di ioni di litio si concentrerà sulla superficie dell'elettrodo, il che può facilmente portare alla formazione di litio metallico e ridurre il contenuto di ioni di litio.
La formazione della pellicola SEI ha un impatto significativo sulla durata della batteria. Se non è possibile formare una buona pellicola SEI, anche se la batteria può avere un'elevata efficienza di carica/scarica e capacità utilizzabile nelle fasi iniziali di carica/scarica, la capacità diminuirà drasticamente con l'aumentare del conteggio dei cicli, soprattutto nelle modalità di carica a impulsi a bassa-corrente. Pertanto, la perdita di ioni di litio-nella prima fase è inevitabile. Tuttavia, la corrente durante la carica a impulsi non dovrebbe essere troppo elevata. Una corrente eccessiva causerà una formazione irregolare della pellicola SEI, un rapido ispessimento della pellicola SEI e un aumento significativo della resistenza, riducendo il numero di ioni utilizzabili e portando a una perdita di capacità.
La carica a impulsi utilizza principalmente pause di carica o scarica inversa per eliminare la polarizzazione durante il processo di carica. La polarizzazione è strettamente correlata al tipo di batteria, al processo di produzione e alle proprietà dei materiali e le sue variazioni sono complesse. Con i continui miglioramenti nella tecnologia delle batterie, la polarizzazione è stata ben controllata. Pertanto, i vantaggi delle modalità di carica a impulsi convenzionali non sono così pronunciati. È necessario combinare i parametri caratteristici della batteria rilevanti per il monitoraggio in tempo reale-e regolare l'ampiezza e il ciclo di carica a impulsi per mantenere la batteria in condizioni operative ottimali-la modalità di carica intelligente descritta più avanti.
Metodo di ricarica rapida Reflex™
Il metodo di ricarica rapida ReflexTM è una tecnologia brevettata negli Stati Uniti, inizialmente progettata principalmente per caricare batterie al nichel-cadmio. Questo metodo di ricarica allevia il problema dell'effetto memoria delle batterie al nichel-cadmio, riducendo così in modo significativo il tempo di ricarica rapida. Rispetto ai metodi di ricarica a impulsi, la caratteristica più importante del metodo di ricarica rapida ReflexTM è l'aggiunta di un impulso negativo. Il suo meccanismo sfrutta l'effetto “barriera” fornito dall'impulso negativo per eliminare le bolle generate sulla superficie dell'elettrodo durante il processo di reazione, riducendo l'aumento di temperatura e l'aumento della resistenza interna durante la ricarica della batteria. Ciò consente di convertire l'energia elettrica in energia chimica all'interno della batteria nel modo più completo possibile, contribuendo a eliminare la polarizzazione della concentrazione causata dalla diffusione lenta, migliorando il tasso di utilizzo dei materiali attivi all'interno della batteria e aumentando così il numero di cicli di carica-scarica.
Come mostrato nella Figura 11-6, un ciclo di lavoro del metodo di ricarica rapida ReflexTM comprende tre fasi: un impulso di carica diretta, un impulso di scarica istantanea inversa e una pausa nella carica per la manutenzione. La funzione dell'impulso di carica diretta è quella di fornire una corrente di impulso di ampiezza positiva per caricare la batteria; la funzione dell'impulso di scarica istantanea inversa è quella di diffondere gli ioni dell'elettrolita in modo più uniforme per ritardare la reazione di polarizzazione all'interno della batteria, migliorando così l'efficienza di carica e aumentando la durata della batteria; la funzione della fase di arresto della carica è quella di far diffondere gli ioni dell'elettrolita in modo più uniforme e mitigare il fenomeno di polarizzazione, migliorando così l'efficienza di carica e prolungando la durata della batteria.
Metodo di ricarica intermittente a corrente variabile
Il metodo di carica intermittente a corrente variabile si basa sulla carica a corrente costante e sulla carica a impulsi, come mostrato nella Figura 11-7. La sua caratteristica è che la sezione di carica a corrente costante viene sostituita con una sezione di carica intermittente a corrente variabile con limitazione di tensione. Nelle fasi iniziali della carica, viene utilizzato il metodo di carica intermittente a corrente variabile per garantire una corrente di carica più elevata e ottenere la maggior parte della quantità di carica.
Durante le fasi successive della carica, viene utilizzata una fase di carica a tensione costante per ottenere un sovraccarico e riportare la batteria ad uno stato completamente carico. Interrompendo la carica in modo intermittente, l'ossigeno e l'idrogeno prodotti dalla reazione chimica nella batteria hanno il tempo di ricombinarsi e di essere assorbiti, eliminando naturalmente la polarizzazione di concentrazione e la polarizzazione ohmica. Ciò riduce la pressione interna della batteria, consentendo al ciclo successivo di ricarica a corrente costante di procedere in modo più fluido e consentendo alla batteria di assorbire più elettricità.
Basato sul metodo di carica intermittente a corrente variabile, è stato proposto un metodo di carica intermittente a tensione variabile, come mostrato nella Figura 11-8. La differenza tra i metodi di carica intermittente a tensione variabile e a corrente variabile è che il primo stadio non è a corrente costante intermittente, ma a tensione costante intermittente.
Confrontando le Figure 11-7 e 11-8, si può vedere che la Figura 11-8 riflette meglio la curva di ricarica ottimale. In ciascuna fase di carica a tensione costante, a causa della carica a tensione costante, la corrente di carica diminuisce naturalmente in modo esponenziale, in linea con la caratteristica che la corrente accettabile della batteria diminuisce gradualmente durante il processo di carica.
Tensione variabile, Onda di corrente variabile-Tipo Intermittente Positivo e Negativo Zero-Metodo di ricarica rapida a impulsi
Combinando i vantaggi della carica a impulsi, della carica rapida Reflex™, della carica intermittente a corrente variabile e della carica intermittente a tensione variabile, è stato sviluppato e applicato il metodo di carica rapida intermittente a impulsi zero-a tensione variabile, onda di corrente variabile-tipo positivo e negativo. Il controllo del circuito di carica ad impulsi rientra generalmente in due categorie:
1) L'ampiezza della corrente impulsiva è variabile, mentre la frequenza del segnale PWM (power PWM) è fissa.
2) L'ampiezza della corrente impulsiva è costante, mentre la frequenza del segnale PWM è regolabile.
La Figura 11-9 utilizza una modalità di controllo diversa da queste due: sia l'ampiezza della corrente di impulso che la frequenza del segnale PWM sono fisse, mentre il ciclo di lavoro PWM è regolabile. Aggiungendo una fase di carica/arresto intermittente, è possibile ottenere più carica in un tempo più breve, migliorando la capacità di accettazione della carica della batteria.
Ciascuna modalità di ricarica presenta vantaggi e ambito di applicazione specifici. Tuttavia, con la diffusione dell’uso dei veicoli elettrici, la richiesta di velocità di ricarica è in aumento, portando alla nascita della ricarica intelligente. La ricarica intelligente mira principalmente a caricare completamente la batteria o a raggiungere una capacità impostata in breve tempo. Ciò si ottiene adeguando il valore della corrente in base allo Stato di Carica (SOC) e allo Stato di Salute (SOH) della batteria, rendendo il tempo di ricarica paragonabile a quello del rifornimento di un veicolo tradizionale.
La ricarica intelligente ha attirato l’attenzione diffusa. I ricercatori di tutto il mondo stanno concentrando risorse significative sulla ricerca di strategie di controllo della carica per migliorare le velocità di ricarica garantendo al contempo efficacemente la durata della batteria. Ciò, a sua volta, migliora la praticità e l’accettazione sociale dei veicoli elettrici.
