Hızlı şarj yöntemi
Pillerdeki kimyasal reaksiyonların hızını maksimuma çıkarmak, tam şarja ulaşma süresini kısaltmak, pozitif ve negatif plakaların polarizasyonunu en aza indirmek veya azaltarak pil verimliliğini artırmak için hızlı şarj teknolojisi son yıllarda hızla gelişti. Yaygın olarak kullanılan birkaç hızlı şarj yöntemi aşağıda tanıtılmaktadır. Bu yöntemler, gerçek şarj eğrisini optimum şarj eğrisine mümkün olduğunca yakın hale getirmeyi amaçlayan optimum şarj eğrisi etrafında tasarlanmıştır.
Darbe şarj yöntemi
Darbeli şarj yöntemi, Şekil 11-5'te gösterildiği gibi önce pili bir darbe akımıyla şarj eder, ardından şarjı bir süreliğine durdurur ve ardından bu döngüyü tekrarlayarak pili bir darbe akımıyla yeniden şarj eder. Şarj darbesi pili tamamen şarj ederken, aralıklar kimyasal reaksiyonlar tarafından üretilen oksijen ve hidrojenin yeniden birleşip emilmesi için zaman tanıyarak konsantrasyon polarizasyonunu ve ohmik polarizasyonu doğal olarak ortadan kaldırır. Bu, pilin iç basıncını azaltarak bir sonraki sabit akım şarjının daha sorunsuz ilerlemesine ve pilin daha fazla şarj emmesine olanak tanır. Aralıklı darbeler aküye yeterli reaksiyon süresi sağlayarak gaz oluşumunu azaltır ve akünün şarj akımı kabul oranını artırır.
Darbeli şarj, pil şarj etme ve boşaltma verimliliğini artırabilir, şarj süresinden tasarruf edebilir ve pil ömrünü uzatabilir ancak belirli koşulların karşılanması gerekir.
Lityum-iyon piller öncelikle şarj ve deşarj sırasında lityum iyonlarının katot, anot ve elektrolitteki ileri geri hareketine dayandığından, şarj süresinden tasarruf etme ve şarj verimliliğini artırma hedefine ulaşmak için iyon hareket hızının ve difüzyon katsayısının arttırılması çok önemlidir. Uygun olmayan bir şarj oranı veya dağıtımı yalnızca istenen hedefe ulaşmakta başarısız olmakla kalmayacak, aynı zamanda pilin yaşlanmasını da hızlandıracaktır. Şekil 11-2'de gösterildiği gibi şarj hızı ne kadar yüksek olursa, şarj edilebilir kapasite de o kadar küçük olur.
Elektrokimyasal karakteristik analizi, lityum-iyon pillerin şarj hızının esas olarak lityum iyonlarının difüzyon hızı ve pozitif ve negatif elektrot malzemelerinin özellikleriyle sınırlı olduğunu göstermektedir. Denklem (11-3) kullanılarak bir lityum iyon difüzyon denklemi oluşturulabilir.
Formülde CL, lityum-iyon konsantrasyonunu temsil eder; x difüzyon mesafesini temsil eder; t difüzyon süresini temsil eder; ve DLi lityum-iyon difüzyon katsayısını temsil eder.
Araştırmalar, lityum{0}}iyon pillerin döngü testi sırasında iki hızlı eskime dönemi sergilediğini göstermiştir:
1) SEI filminin (Katı Elektrolit Arafazı) oluşum periyodu; elektrot yüzeyinde SEI filmi oluşturmak için mevcut lityum iyonlarının bir kısmını tüketen bir işlemdir.
2) Her şarj döngüsünün sonunda, pilin içindeki sıvı fazdaki lityum iyonlarının geçişine karşı direnç nispeten küçükken, katı fazdaki difüzyon katsayısı nispeten küçüktür. Bu nedenle, şarj döngüsünün sonunda şarj akımı çok büyükse, çok sayıda lityum iyonu elektrot yüzeyinde yoğunlaşacak ve bu da kolayca lityum metal oluşumuna yol açabilecek ve lityum iyon içeriğini azaltabilecektir.
SEI filminin oluşumunun pil ömrü üzerinde önemli bir etkisi vardır. İyi bir SEI filmi oluşturulamıyorsa, pil ilk şarj/deşarj aşamalarında yüksek şarj/deşarj verimliliğine ve kullanılabilir kapasiteye sahip olsa da, özellikle düşük-akım darbeli şarj modlarında döngü sayısı arttıkça kapasite keskin bir şekilde azalacaktır. Bu nedenle ilk aşamada lityum-iyon kaybı kaçınılmazdır. Ancak darbe şarjı sırasında akımın çok yüksek olmaması gerekir. Aşırı akım, düzensiz SEI filmi oluşumuna, hızlı SEI filmi kalınlaşmasına ve dirençte önemli bir artışa neden olarak kullanılabilir iyonların sayısını azaltarak kapasite kaybına yol açacaktır.
Darbeli şarj, şarj işlemi sırasında polarizasyonu ortadan kaldırmak için öncelikle şarj duraklamalarını veya ters deşarjı kullanır. Polarizasyon pil tipi, üretim süreci ve malzeme özellikleriyle yakından ilişkilidir ve varyasyonları karmaşıktır. Pil teknolojisindeki sürekli gelişmeler sayesinde polarizasyon iyi bir şekilde kontrol altına alınmıştır. Bu nedenle, geleneksel darbeli şarj modlarının avantajları o kadar belirgin değildir. Gerçek zamanlı izleme için ilgili pil karakteristik parametrelerini birleştirmek ve pili en iyi çalışma koşulunda tutmak için darbe şarjının genliğini ve döngüsünü ayarlamak-gereklidir-daha sonra açıklanacak akıllı şarj modu.
Reflex™ Hızlı Şarj Yöntemi
ReflexTM hızlı şarj yöntemi, Amerika Birleşik Devletleri'nde patentli bir teknolojidir ve başlangıçta öncelikle nikel{0}kadmiyum pilleri şarj etmek için tasarlanmıştır. Bu şarj yöntemi, nikel-kadmiyum pillerin hafıza etkisi sorununu hafifletir ve böylece hızlı şarj süresini önemli ölçüde azaltır. Darbeli şarj yöntemleriyle karşılaştırıldığında ReflexTM hızlı şarj yönteminin en büyük özelliği, negatif bir darbenin eklenmesidir. Mekanizması, reaksiyon süreci sırasında elektrot yüzeyinde oluşan kabarcıkları ortadan kaldırmak için negatif darbenin sağladığı "bariyer" etkisini kullanır, pil şarjı sırasında sıcaklık artışını ve iç dirençteki artışı azaltır. Bu, elektrik enerjisinin pil içinde olabildiğince tam olarak kimyasal enerjiye dönüştürülmesine olanak tanır, yavaş difüzyonun neden olduğu konsantrasyon kutuplaşmasını ortadan kaldırmaya yardımcı olur, pil içindeki aktif malzemelerin kullanım oranını artırır ve böylece şarj-deşarj döngülerinin sayısını artırır.
Şekil 11-6'da gösterildiği gibi, ReflexTM hızlı şarj yönteminin bir çalışma döngüsü üç aşamayı içerir: ileri şarj darbesi, ters anlık deşarj darbesi ve bakım için şarjda bir duraklama. İleri şarj darbesinin işlevi, pili şarj etmek için pozitif genlikli bir darbe akımı sağlamaktır; Ters anlık deşarj darbesinin işlevi, pil içindeki polarizasyon reaksiyonunu geciktirmek için elektrolit iyonlarının daha eşit bir şekilde yayılmasını sağlamak, böylece şarj verimliliğini artırmak ve pil ömrünü arttırmaktır; Şarjı durdurma aşamasının işlevi, elektrolit iyonlarının daha eşit şekilde yayılmasını sağlamak ve polarizasyon olgusunu azaltmak, böylece şarj verimliliğini artırmak ve pil ömrünü uzatmaktır.
Değişken Akım Aralıklı Şarj Yöntemi
Değişken akım aralıklı şarj yöntemi, Şekil 11-7'de gösterildiği gibi sabit akım şarjını ve darbeli şarjı temel alır. Karakteristik özelliği, sabit akım şarj bölümünün, voltajla sınırlı değişken akım aralıklı şarj bölümü ile değiştirilmesidir. Şarjın ilk aşamalarında, daha yüksek bir şarj akımı sağlamak ve şarj miktarının çoğunluğunu elde etmek için değişken akım aralıklı şarj yöntemi kullanılır.
Şarjın sonraki aşamalarında, aşırı şarj elde etmek ve aküyü tam şarjlı duruma getirmek için sabit voltajlı bir şarj aşaması kullanılır. Şarj işlemi aralıklı olarak durdurulduğunda, pildeki kimyasal reaksiyonla üretilen oksijen ve hidrojenin yeniden birleşip emilmesi için zaman olur ve doğal olarak konsantrasyon polarizasyonunu ve ohmik polarizasyonu ortadan kaldırır. Bu, pilin iç basıncını azaltarak bir sonraki sabit akım şarjının daha sorunsuz ilerlemesine ve pilin daha fazla elektrik emmesine olanak tanır.
Değişken akım aralıklı şarj yöntemine dayanarak, Şekil 11-8'de gösterildiği gibi değişken voltaj aralıklı şarj yöntemi önerilmiştir. Değişken voltajlı ve değişken akımlı aralıklı şarj yöntemleri arasındaki fark, ilk kademenin aralıklı sabit akım değil, aralıklı sabit voltaj olmasıdır.
Şekil 11-7 ve 11-8 karşılaştırıldığında Şekil 11-8'in optimum şarj eğrisini daha iyi yansıttığı görülebilir. Her sabit voltajlı şarj aşamasında, sabit voltajlı şarj nedeniyle şarj akımı doğal olarak katlanarak azalır; bu, kabul edilebilir pil akımının şarj işlemi sırasında kademeli olarak azalması özelliğiyle tutarlıdır.
Değişken Gerilim, Değişken Akım Dalgası-Türü Aralıklı Pozitif ve Negatif Sıfır-Darbeli Hızlı Şarj Yöntemi
Darbeli şarj, Reflex™ hızlı şarj, değişken akım aralıklı şarjı ve değişken voltaj aralıklı şarjının avantajlarını birleştirerek, değişken voltajlı, değişken akım dalgası-tipi pozitif ve negatif sıfır-darbeli aralıklı hızlı şarj yöntemi geliştirilmiş ve uygulanmıştır. Darbe şarj devresinin kontrolü genellikle iki kategoriye ayrılır:
1) Darbe akımının genliği değişkendir, PWM (güç PWM) sinyalinin frekansı ise sabittir.
2) Darbe akımının genliği sabittir, PWM sinyalinin frekansı ise ayarlanabilir.
Şekil 11-9 bu ikisinden farklı bir kontrol modu kullanır: hem darbe akımı genliği hem de PWM sinyalinin frekansı sabittir, PWM görev döngüsü ise ayarlanabilir. Aralıklı bir şarj/durdurma aşaması eklenerek, daha kısa sürede daha fazla şarj elde edilebilir ve bu da pilin şarj kabul etme kapasitesini artırır.
Her şarj modunun kendine has avantajları ve uygulama kapsamı vardır. Ancak elektrikli araçların yaygınlaşmasıyla birlikte şarj hızlarına olan talebin artması akıllı şarjın ortaya çıkmasına neden oluyor. Akıllı şarj öncelikle pilin tamamen şarj edilmesini veya kısa sürede belirlenen kapasiteye ulaşmasını amaçlamaktadır. Bu, mevcut değerin pilin Şarj Durumuna (SOC) ve Sağlık Durumuna (SOH) göre ayarlanmasıyla elde edilir ve şarj süresi geleneksel bir araca yakıt ikmali ile karşılaştırılabilir hale getirilir.
Akıllı şarj büyük ilgi gördü. Dünya çapındaki araştırmacılar, pil ömrünü etkili bir şekilde garanti altına alırken şarj oranlarını iyileştirmek için şarj kontrol stratejilerini araştırmaya önemli kaynaklar ayırıyor. Bu da elektrikli araçların pratikliğini ve sosyal kabulünü artırıyor.
