BU-401a: Gyors és ultragyors töltők

Ismerje meg az ultragyors töltés jó és rossz tulajdonságait

Rendkívül gyors töltők

Az ultragyors töltés sehol sem nagyobb, mint az elektromos járműnél. Az EV percek alatt történő feltöltése megismétli annak a kényelmét, hogy 50 liter (13 gallon) üzemanyagot töltsön egy 600 kWh energiát szállító tartályba. Ilyen nagy energiatárolás egy elektrokémiai eszközben nem praktikus, mivel egy ilyen kapacitású akkumulátor súlya 6 tonna lenne. A legtöbb Li-ion csak kb. 150Wh/kg; a fosszilis üzemanyagokból származó energia nagyjából százszor nagyobb. (Lásd: BU-1007: Nettó fűtőérték).

Az EV töltése mindig hosszabb időt vesz igénybe, mint a tartály feltöltése, és az akkumulátor tömegenként kevesebb energiát szolgáltat, mint a fosszilis üzemanyag. A jogállamiság megszegése és az ultragyors töltés kényszerítése még akkor is stresszt jelent, ha az akkumulátort ilyen célra tervezték. Nem szabad megfeledkeznünk arról, hogy az akkumulátor lassú jellegű. Az öregedő férfihoz hasonlóan fizikai állapota is kevésbé ideális a használat és az életkor függvényében. Ugyanígy a gyors töltés képessége is.

Feltételezzük, hogy az összes töltési energia az akkumulátorba kerül, legyen az lassan, gyorsan vagy ultragyors módszerrel feltöltve. Az akkumulátorok nemlineáris eszközök, és a legtöbb kémia elfogadja az üres töltéstől a töltés 50% -áig terjedő gyors töltést, kis veszteségekkel. A NiCd teszi a legjobban, és a legkevesebb megterhelést szenvedi el. A feszültségek a töltési ciklus második felében fordulnak elő a felső töltés felé, amikor a lítiumionok elfogadása a Li-ion anódjában nehézkessé válik. A hasonlóság az, hogy a dühös sofőrök egy bevásárlóközpont utolsó parkolóhelyéért küzdenek, hogy elkapják az eladási akciót.

Az ultragyors töltést, amikor az akkumulátor lemerült, majd az áram szűkülését, amikor eléri az 50% -os SoC-t és magasabb, lépésfeltöltésnek nevezzük. A laptop ipar sok éve alkalmaz lépcsős töltést. A töltési áramoknak harmonizálniuk kell az akkumulátor típusával, mivel a különböző akkumulátor-rendszerek eltérő követelményekkel rendelkeznek a töltés elfogadásában. Az akkumulátorgyártók nem teszik közzé a töltési arányokat a SoC függvényében. Ennek nagy része tulajdonosi információ.

A kutatócégek azt állítják, hogy előnyöket érnek el impulzustöltő Li-ionnal, ahelyett, hogy a szokásos CCCV töltést alkalmaznák, amint azt a BU-409: Lítium-ion töltése leírja. A tudományos közösség szkeptikus az alternatív töltéssel szemben, és a „várj és láss” megközelítést alkalmaz.

Mivel testünk 37ºC-on (98ºF) működik a legjobban, a szállítási mechanizmus is javul, ha az akkumulátor meleg. A modern EV-k lehetővé teszik az „előtöltés” funkciót, hogy az akkumulátor hőmérsékletét felkészítse a függőben lévő gyors töltésre vezetés közben. (Lásd még: BU-410: Töltés magas és alacsony hőmérsékleten.)

Akár EV, e-bike, repülő tárgy, hordozható eszköz vagy hobbi eszköz van, az akkumulátor ultragyors töltésénél a következő feltételeket kell betartani:

Az akkumulátort úgy kell megtervezni, hogy elfogadja az ultragyors töltést, és jó állapotúnak kell lennie. A li-ion nagyjából 10 perces gyors töltésre tervezhető, de az ilyen cella fajlagos energiája alacsony lesz.
Az ultragyors töltés csak az első töltési szakaszban érvényes. A töltési áramot csökkenteni kell, miután az akkumulátor eléri a 70 százalékos töltöttségi szintet (SoC).
A csomagban lévő összes sejtnek kiegyensúlyozottnak és ultra alacsony ellenállással kell rendelkeznie. Az öregedő sejtek kapacitása és ellenállása gyakran eltér egymástól, ami eltérést és indokolatlan stresszt okoz a gyengébb sejteken.
Az ultragyors töltés csak mérsékelt hőmérsékleten végezhető, mivel az alacsony hőmérséklet lassítja a kémiai reakciót. A fel nem használt energia gázosítássá, fémbevonássá és hővé alakul át.

Az ultragyors töltő összehasonlítható egy nagysebességű vonattal (1. ábra), amely óránként 300 km/h sebességgel halad. A teljesítmény növelése viszonylag egyszerű. A vágány szabályozza a vonat megengedett sebességét, és nem a gépezet. Ugyanígy az akkumulátor állapota szabja meg a töltési sebességet.

1. ábra: Az ultragyors töltés összehasonlítható egy nagysebességű vonattal.
A nagy teljesítményű gépeket könnyű megépíteni, de a vágány korlátozza a sebességet.

Egy jól megtervezett ultragyors töltő értékeli a „vegyi akkumulátor” állapotát, és a töltés fogadásának képessége szerint végez beállításokat. A töltőnek tartalmaznia kell hőmérséklet-kompenzációt és egyéb biztonsági funkciókat is, amelyek csökkentik a töltőáramot bizonyos körülmények között, és leállítják a töltést, ha az akkumulátort indokolatlan feszültség éri.

Az SMBus-on vagy más protokollon működő „intelligens” akkumulátor felelős a töltési áramért. A rendszer figyeli az akkumulátor állapotát, és rendellenesség esetén lecsökkenti vagy leállítja a töltést. Gyakori szabálytalanság a sejtek egyensúlyhiánya vagy a kalibrálás szükségessége. Néhány „intelligens” elem leáll, ha a hibát nem javítják.

Az ultragyors töltésű Li-ion korlátozásai

A Li-ion által elfogadható maximális töltési áramot a cella kialakítása határozza meg, és nem a katód anyaga, ahogyan azt általában feltételezik. A cél az, hogy elkerüljük az anód lítiumozását és a hőmérséklet szabályozását. A vékony anód, nagy porozitással és kis grafitszemcsékkel teszi lehetővé a nagy felület miatt a rendkívül gyors töltést. Az erősejteket nagy áram mellett lehet tölteni és kisütni, de az energia sűrűsége alacsony. Az energetikai cellák ehhez képest vastagabb anóddal és alacsonyabb porozitással rendelkeznek, és a töltési sebességnek 1C-nek vagy kevesebbnek kell lennie. Néhány hibrid sejt az NCA-ban (nikkel-kobalt-alumínium) 1C fölé tölthető, csak mérsékelt igénybevétel mellett.

Az ultragyors töltést csak szükség esetén töltse fel. Egy jól megtervezett ultragyors töltőnek töltési időt kell választania, hogy a felhasználónak lehetősége legyen a kijelölt időre a legkevésbé megterhelő töltést választani. A 2. ábra összehasonlítja egy tipikus lítium-ion akkumulátor ciklusidőjét, amikor 1C, 2C és 3C sebességgel töltik és töltik le. A hosszú élettartam tovább meghosszabbítható 1C alatti töltéssel és kisütéssel; 0.8C az ajánlott arány.

2. ábra: A Li-ion ciklusteljesítménye 1C, 2C és 3C töltéssel és kisütéssel.
Az 1C feletti Li-ion töltése és kisütése csökkenti az élettartamot. Használjon lassabb töltést és kisütést, ha lehetséges. Ez a szabály a legtöbb elemre vonatkozik.

Lítium lerakódás

A lítium lerakódása akkor alakul ki, ha a töltési sebesség meghaladja azt a képességet, amellyel a lítium interkalálható a Li-ion negatív grafit elektródjává. A negatív elektródán fémes lítiumfólia képződik, amely egyenletesen terjed a gazdaszerkezeten, vagy gravitálódik az egyik régióba sík, mohás vagy dendrites formában. A dendrites forma aggodalomra ad okot, mert fokozhatja az önkisülést, ami szélsőséges esetben rövidet okozhat, és lánggal történő szellőzéshez vezethet.

A környezeti feltételek a következőképpen befolyásolják a lítium lerakódását:

A lítium-lerakódás növekszik, ha a Li-iont alacsony hőmérsékleten ultragyorsan töltik fel
A lerakódás akkor alakul ki, ha a Li-ion egy adott töltöttségi szintet meghaladóan rendkívül gyorsan töltődik fel
Állítólag a felhalmozódás is növekszik, ahogy a Li-ion sejtek öregednek a megnövekedett belső ellenállás miatt.

A fogyasztók gyors töltést igényelnek alacsony hőmérsékleten, és ez különösen kritikus az elektromos járműveknél. A megoldások magukban foglalják a speciális elektrolit adalékokat és oldószereket, az optimális negatív és a pozitív elektróda arányt, valamint a speciális cella kialakítást.

A kérdést gyakran felteszik; "Miért töltik az ultragyors töltők az akkumulátort csak 70 és 80 százalékkal?" Ezt megtehetjük a stressz csökkentése érdekében, de természetesen a feszültség és a töltöttség közötti késés is okozza, amely felgyorsítja az akkumulátor gyorsabb töltését. Ez összehasonlítható egy nehéz súlyt emelő gumiszalaggal. Minél nagyobb a súly, annál szélesebb lesz a lemaradás. Az ultragyors töltés gyorsan feszültséget vezet a 4,20 V/cella mennyezetre, miközben az akkumulátor csak részben van feltöltve. A telítettség része a teljes töltés lassabb ütemben.

A lítium-titanát lehet kivétel, amely lehetővé teszi az ultragyors töltést indokolatlan stressz nélkül. Ezt a funkciót valószínűleg a jövőbeni EV-kben fogják használni; a Li-titanát fajlagos energiája azonban alacsonyabb, mint a kobaltban kevert Li-ioné, és az akkumulátor drága. (Lásd: BU-205: Lítium-ion típusai)

A nikkel-kadmium egy másik elemkémia, amely percek alatt tölthető fel 70% -ig. A legtöbb akkumulátorhoz hasonlóan a töltés elfogadása a teljes töltés felé csökken, és a töltési áramot csökkenteni kell.

Minden ultragyors módszerhez nagy teljesítmény szükséges. Egy ultragyors EV töltőállomás öt háztartás egyenértékű elektromos energiáját veszi fel. Az elektromos járművek flottájának feltöltése elhomályosíthatja a várost.

Összegzés

Minden elem szobahőmérsékleten, mérsékelt töltéssel és kisütéssel működik a legjobban. Az ilyen védett életstílus nem mindig tükrözi a valós helyzeteket, amikor egy kompakt csomagot gyorsan fel kell tölteni, és nagy áramot kell szolgáltatnia. Ilyen tipikus alkalmazások a drónok és a hobbi számára készített távirányító eszközök. Várjon rövid ciklusidőt, amikor egy kis csomagnak mindent meg kell adnia.

Ha a gyors töltés és a magas terhelési követelmények előfeltételei, akkor a masszív Power Cell ideális; ez azonban növeli az akkumulátor méretét és súlyát. Hasonlóképpen nehéz teherbírású dízelmotort választanak egy nagy teherautó működtetésére a sportautóhoz tervezett leves motor helyett. A nagy dízel akkor is túléli a könnyű motort, ha mindkét lóerő azonos. A nehezebbé válás hosszú távon gazdaságosabb lesz. A 3. táblázat összefoglalja az ólom-, nikkel- és lítium-alapú akkumulátorok töltöttségi jellemzőit.

Típus Kémia C sebesség Idő Hőmérsékletek Töltés megszüntetése

Lassú töltő	NiCd Ólom-sav	0,1 ° C	14h	0 ° C és 45 ° C között (32–113 oF)	Folyamatosan alacsony töltésű vagy fix időzítő. Túlfizetés tárgya. Töltse ki az akkumulátort.
Gyors töltő	NiCd, NiMH, Li-ion	0,3-0,5 ° C	3-6h	10–45 ° C (50–113 oF)	Érzékeli az akkumulátort feszültség, áram, hőmérséklet és időtúllépés alapján.
Gyors töltő	NiCd, NiMH, Li-ion	1C	1h+	10–45 ° C (50–113 oF)	Ugyanaz, mint egy gyorstöltő gyorsabb kiszolgálással.
Rendkívül gyors töltő	Li-ion, NiCd, NiMH	1-10C	10-60 perc	10–45 ° C (50–113 oF)	Rendkívül gyors töltést alkalmaz 70% SoC-ra; speciális akkumulátorokra korlátozódik.

3. táblázat: A töltő jellemzői. Minden kémia egyedi töltésmegszakítást használ.

Egyszerű irányelvek a töltőkről

Ha lehetséges, mérsékelt sebességgel töltse fel. Az ultragyors töltõnek lehetõvé kell tennie a rendszeres díjszabást, amikor az idõ engedi csökkenteni a stresszt.
A gyors és ultragyors töltés csak részben tölti fel az akkumulátort; lassabb telítettségű töltés teszi teljessé a töltést. Az ólmsavval ellentétben a Li-ionnak nincs szüksége a telítési töltésre, de a kapacitás valamivel alacsonyabb lesz.
Ne töltsön gyors töltést, ha az akkumulátor hideg vagy forró. Csak mérsékelt hőmérsékleten töltse. Kerülje az idős vagy gyenge teljesítményű akkumulátor gyors töltését.

Utoljára Frissítve 2019-04-12

* Kérjük, olvassa el a megjegyzéseket *

A megjegyzéseket "kommentálás" -nak, nyílt beszélgetésnek szánják a webhely látogatói. Az Battery University figyelemmel kíséri a megjegyzéseket, és megérti a perspektívák és vélemények közös fórumon történő kifejezésének fontosságát. Mindazonáltal minden kommunikációt megfelelő nyelv használatával, a spam és a diszkrimináció elkerülésével kell végrehajtani.