طريقة الشحن السريع
ولتعظيم سرعة التفاعلات الكيميائية في البطاريات، وتقصير الوقت الذي تستغرقه للوصول إلى الشحن الكامل، وتقليل أو تقليل استقطاب اللوحات الموجبة والسالبة، وبالتالي تحسين كفاءة البطارية، تطورت تقنية الشحن السريع بسرعة في السنوات الأخيرة. يتم عرض العديد من طرق الشحن السريع شائعة الاستخدام أدناه. تم تصميم هذه الطرق حول منحنى الشحن الأمثل، بهدف جعل منحنى الشحن الفعلي أقرب ما يمكن إلى منحنى الشحن الأمثل.
طريقة الشحن النبضي
تقوم طريقة الشحن النبضي أولاً بشحن البطارية بتيار نبضي، ثم يتوقف الشحن لفترة من الوقت، ثم تقوم بشحن البطارية مرة أخرى بتيار نبضي، مع تكرار هذه الدورة، كما هو موضح في الشكل 11-5. يقوم نبض الشحن بشحن البطارية بالكامل، في حين تسمح الفترات الزمنية للأكسجين والهيدروجين الناتج عن التفاعلات الكيميائية بإعادة الاتحاد وامتصاصهما، مما يؤدي بشكل طبيعي إلى القضاء على استقطاب التركيز والاستقطاب الأومي. يؤدي ذلك إلى تقليل الضغط الداخلي للبطارية، مما يسمح للجولة التالية من الشحن الحالي الثابت بالمضي قدمًا بسلاسة أكبر وتمكين البطارية من امتصاص المزيد من الشحن. توفر النبضات المتقطعة للبطارية وقت رد فعل كاف، مما يقلل من تطور الغاز ويحسن معدل قبول تيار شحن البطارية.
يمكن أن يؤدي الشحن النبضي إلى تحسين كفاءة شحن البطارية وتفريغها، وتوفير وقت الشحن، وإطالة عمر البطارية، ولكن يجب استيفاء شروط معينة.
نظرًا لأن بطاريات الليثيوم-أيون تعتمد بشكل أساسي على الحركة الترددية لأيونات الليثيوم في الكاثود والأنود والإلكتروليت أثناء الشحن والتفريغ، فإن زيادة معدل حركة الأيونات ومعامل الانتشار أمر ضروري لتحقيق هدف توفير وقت الشحن وتحسين كفاءة الشحن. لن يفشل معدل الشحن أو التوزيع غير المناسب في تحقيق الهدف المنشود فحسب، بل سيؤدي أيضًا إلى تسريع شيخوخة البطارية. وكما هو موضح في الشكل 11-2، كلما زاد معدل الشحن، قلت سعة الشحن.
يوضح تحليل الخصائص الكهروكيميائية أن معدل شحن بطاريات الليثيوم-أيون يقتصر بشكل أساسي على معدل انتشار أيونات الليثيوم وخصائص مواد الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة. وباستخدام المعادلة (11-3)، يمكن إنشاء معادلة انتشار أيون الليثيوم.
في الصيغة، يمثل CL تركيز أيون الليثيوم-؛ x يمثل مسافة الانتشار؛ يمثل t وقت الانتشار؛ ويمثل DLi معامل انتشار أيون الليثيوم-.
أظهرت الدراسات أن بطاريات أيون الليثيوم- تظهر فترتين سريعتين للتقادم أثناء اختبار الدورة:
1) فترة تكوين فيلم SEI (الطور البيني للإلكتروليت الصلب)، وهي عملية تستهلك جزءًا من أيونات الليثيوم المتاحة لتكوين فيلم SEI على سطح القطب.
2) في نهاية كل دورة شحن، تكون مقاومة هجرة أيونات الليثيوم في الطور السائل داخل البطارية صغيرة نسبيًا، بينما يكون معامل الانتشار في الطور الصلب صغيرًا نسبيًا. لذلك، إذا كان تيار الشحن كبيرًا جدًا في نهاية دورة الشحن، فسوف يركز عدد كبير من أيونات الليثيوم على سطح القطب، مما قد يؤدي بسهولة إلى تكوين معدن الليثيوم وتقليل محتوى أيون الليثيوم.
تشكيل فيلم SEI له تأثير كبير على عمر البطارية. إذا لم يكن من الممكن تكوين طبقة SEI جيدة، على الرغم من أن البطارية قد تتمتع بكفاءة شحن/تفريغ عالية وقدرة قابلة للاستخدام في مراحل الشحن/التفريغ الأولية، إلا أن السعة ستنخفض بشكل حاد مع زيادة عدد الدورات، خاصة في أوضاع الشحن النبضي الحالية المنخفضة-. ولذلك، فإن فقدان أيون الليثيوم- في المرحلة الأولى أمر لا مفر منه. ومع ذلك، يجب ألا يكون التيار أثناء الشحن النبضي مرتفعًا جدًا. سيؤدي التيار الزائد إلى تكوين فيلم SEI غير متساوٍ، وسماكة فيلم SEI السريعة، وزيادة كبيرة في المقاومة، مما يقلل من عدد الأيونات القابلة للاستخدام ويؤدي إلى فقدان القدرة.
يستخدم الشحن النبضي في المقام الأول توقف الشحن مؤقتًا أو التفريغ العكسي لإزالة الاستقطاب أثناء عملية الشحن. يرتبط الاستقطاب ارتباطًا وثيقًا بنوع البطارية وعملية التصنيع وخصائص المواد، كما أن اختلافاته معقدة. ومع التحسينات المستمرة في تكنولوجيا البطاريات، تم التحكم في الاستقطاب بشكل جيد. ولذلك، فإن مزايا أوضاع الشحن النبضي التقليدية ليست واضحة. من الضروري دمج معلمات خصائص البطارية ذات الصلة من أجل المراقبة في الوقت الفعلي-وضبط سعة ودورة الشحن النبضي للحفاظ على البطارية في حالة التشغيل المثالية-وضع الشحن الذكي الموضح لاحقًا.
طريقة الشحن السريع Reflex™
إن طريقة الشحن السريع ReflexTM هي تقنية حاصلة على براءة اختراع في الولايات المتحدة، وقد تم تصميمها في البداية بشكل أساسي لشحن بطاريات النيكل-والكادميوم. تعمل طريقة الشحن هذه على تخفيف مشكلة تأثير الذاكرة الخاصة ببطاريات النيكل-والكادميوم، وبالتالي تقليل وقت الشحن السريع بشكل كبير. بالمقارنة مع طرق الشحن النبضي، فإن أكبر ميزة في طريقة الشحن السريع ReflexTM هي إضافة نبض سلبي. تستخدم آليتها تأثير "الحاجز" الذي يوفره النبض السلبي لإزالة الفقاعات المتولدة على سطح القطب أثناء عملية التفاعل، مما يقلل من ارتفاع درجة الحرارة وزيادة المقاومة الداخلية أثناء شحن البطارية. يتيح ذلك تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة كيميائية داخل البطارية على أكمل وجه ممكن، مما يساعد على التخلص من استقطاب التركيز الناتج عن الانتشار البطيء، وتحسين معدل استخدام المواد النشطة داخل البطارية، وبالتالي زيادة عدد دورات الشحن-التفريغ.
كما هو موضح في الشكل 11-6، تشتمل دورة العمل الواحدة لطريقة الشحن السريع ReflexTM على ثلاث مراحل: نبضة شحن أمامية، ونبضة تفريغ لحظية عكسية، وتوقف مؤقت في الشحن للصيانة. تتمثل وظيفة نبض الشحن الأمامي في توفير تيار نبضي ذو سعة موجبة لشحن البطارية؛ تتمثل وظيفة نبض التفريغ الفوري العكسي في جعل أيونات الإلكتروليت منتشرة بشكل أكثر توازناً لتأخير تفاعل الاستقطاب داخل البطارية، وبالتالي تحسين كفاءة الشحن وزيادة عمر البطارية؛ وتتمثل وظيفة مرحلة إيقاف الشحن في جعل أيونات الإلكتروليت تنتشر بشكل أكثر توازناً وتخفيف ظاهرة الاستقطاب، وبالتالي تحسين كفاءة الشحن وإطالة عمر البطارية.
طريقة الشحن المتقطعة الحالية المتغيرة
تعتمد طريقة الشحن المتقطع بالتيار المتغير على الشحن الحالي الثابت والشحن النبضي، كما هو موضح في الشكل 11-7. وتتمثل خصائصه في استبدال قسم الشحن الحالي الثابت بقسم شحن متقطع متغير التيار ومحدود الجهد. في المراحل الأولى من الشحن، يتم استخدام طريقة الشحن المتقطع ذات التيار المتغير لضمان تيار شحن أعلى والحصول على أغلبية كمية الشحن.
خلال المراحل اللاحقة من الشحن، يتم استخدام مرحلة شحن ذات جهد ثابت للحصول على شحن زائد واستعادة البطارية إلى حالة الشحن الكامل. من خلال إيقاف الشحن بشكل متقطع، يتوفر للأكسجين والهيدروجين الناتج عن التفاعل الكيميائي في البطارية الوقت لإعادة توحيدهما وامتصاصهما، مما يؤدي بشكل طبيعي إلى القضاء على استقطاب التركيز والاستقطاب الأومي. يؤدي ذلك إلى تقليل الضغط الداخلي للبطارية، مما يسمح للجولة التالية من الشحن الحالي الثابت بالتقدم بسلاسة أكبر وتمكين البطارية من امتصاص المزيد من الكهرباء.
استناداً إلى طريقة الشحن المتقطع بالتيار المتغير، تم اقتراح طريقة الشحن المتقطع بالجهد المتغير، كما هو موضح في الشكل 11-8. الفرق بين طرق الشحن المتقطع للجهد المتغير والتيار المتغير هو أن المرحلة الأولى ليست تيارًا ثابتًا متقطعًا، بل جهد ثابت متقطع.
وبمقارنة الأشكال 11-7 و11-8، يمكن ملاحظة أن الشكل 11-8 يعكس بشكل أفضل منحنى الشحن الأمثل. في كل مرحلة شحن بجهد ثابت، وبسبب شحن الجهد الثابت، يتناقص تيار الشحن بشكل طبيعي بشكل كبير، بما يتوافق مع خاصية انخفاض تيار البطارية المقبول تدريجيًا أثناء عملية الشحن.
الجهد المتغير، موجة التيار المتغيرة-النوع صفر إيجابي وسالب متقطع-طريقة الشحن السريع بالنبض
من خلال الجمع بين مزايا الشحن النبضي، والشحن السريع Reflex™، والشحن المتقطع بالتيار المتغير، والشحن المتقطع بالجهد المتغير، تم تطوير وتطبيق طريقة الشحن السريع المتقطع للجهد الكهربي المتغير وموجة التيار المتغيرة -النوع الموجب والسالب صفر-النبض المتقطع. ينقسم التحكم في دائرة شحن النبض بشكل عام إلى فئتين:
1) سعة تيار النبض متغيرة، في حين أن تردد إشارة PWM (طاقة PWM) ثابت.
2) سعة تيار النبض ثابتة، في حين أن تردد إشارة PWM قابل للتعديل.
يستخدم الشكل 9-11 وضع تحكم مختلفًا عن هذين: يتم تثبيت كل من سعة تيار النبضة وتردد إشارة PWM، بينما تكون دورة تشغيل PWM قابلة للتعديل. ومن خلال إضافة مرحلة شحن/إيقاف متقطع، يمكن الحصول على المزيد من الشحن في وقت أقصر، مما يحسن قدرة قبول شحن البطارية.
كل وضع شحن له مزاياه ونطاق التطبيق الخاص به. لكن مع انتشار استخدام السيارات الكهربائية، يتزايد الطلب على سرعات الشحن، مما أدى إلى ظهور الشحن الذكي. يهدف الشحن الذكي في المقام الأول إلى شحن البطارية بالكامل أو الوصول إلى السعة المحددة في وقت قصير. ويتم تحقيق ذلك من خلال ضبط القيمة الحالية وفقًا لحالة شحن البطارية (SOC) والحالة الصحية (SOH)، مما يجعل وقت الشحن مشابهًا لوقت إعادة تزويد السيارة التقليدية بالوقود.
لقد اجتذب الشحن الذكي اهتمامًا واسع النطاق. يركز الباحثون في جميع أنحاء العالم موارد كبيرة على البحث في استراتيجيات التحكم في الشحن لتحسين معدلات الشحن مع ضمان عمر البطارية بشكل فعال. وهذا بدوره يعزز التطبيق العملي والقبول الاجتماعي للسيارات الكهربائية.
