Быстрые и сверхбыстрые зарядные устройства

Нигде сверхбыстрая зарядка не пользуется таким спросом, как в электромобилях (EV). Зарядка электромобиля за считанные минуты воспроизводит удобство заправки 50 литров (13 галлонов) топлива в бак, который обеспечивает 600 кВт·ч энергии. Такое большое накопление энергии в электрохимическом устройстве непрактично, поскольку аккумулятор такой емкости весил бы 6 тонн. Большинство литий-ионных аккумуляторов производят всего около 150 Вт·ч на кг, энергия из ископаемого топлива примерно в 100 раз выше.

Зарядка электромобиля всегда будет длиться дольше, чем заполнение бака, а аккумулятор всегда будет обеспечивать меньше энергии на единицу веса, чем ископаемое топливо. Нарушение закона и принудительное использование сверхбыстрой зарядки добавляет стресса, даже если аккумулятор разработан для этой цели. Мы должны помнить, что аккумулятор по своей природе медлителен. Как и стареющий человек, его физическое состояние становится менее идеальным с использованием и возрастом. То же самое касается и способности к быстрой зарядке. Считается, что вся энергия заряда поступает в аккумулятор, независимо от того, заряжается ли он медленно, быстро или сверхбыстрым методом. Аккумуляторы являются нелинейными устройствами, и большинство химических элементов принимают быстрый заряд от нуля до примерно 50% состояния заряда (SoC) с небольшими потерями. NiCd справляется с этим лучше всего и испытывает наименьшую нагрузку. Стресс возникает во второй половине цикла зарядки до полного заряда, когда прием становится затруднительным. Аналогия - это наслаждение десертом после того, как голод утолен.

Применение сверхбыстрой зарядки, когда аккумулятор разряжен, а затем постепенное уменьшение тока при достижении 50% SoC и выше называется ступенчатой зарядкой. Индустрия ноутбуков применяет ступенчатую зарядку уже много лет, так же как и электромобили. Токи заряда должны соответствовать типу аккумулятора, поскольку разные системы аккумуляторов имеют разные требования к приему заряда. Производители аккумуляторов не публикуют скорости зарядки как функцию SoC. Значительная часть этой информации является конфиденциальной.

Зарядные устройства Victron Energy

Высококачественные зарядные устройства для долговечной службы и надежной работы

Зарядное устройство Victron Blue Smart IP22 Charger 12/30 (1)

Идеально подходит для использования в мастерских, а также для зарядки аккумуляторов автомобилей, мотоциклов, лодок и кемперов.

Купить

Зарядное устройство Blue Smart IP65 Charger 12/15

Благодаря классу защиты IP65, устройство устойчиво к пыли и воде, что делает его идеальным для использования в жестких условиях.

Купить

Зарядное устройство Victron Phoenix Smart IP43 Charger 12/30 (3) 120/240V

Оснащено Bluetooth-интерфейсом для простого настройки и мониторинга через приложение VictronConnect. Высокая эффективность и надежность делают его идеальным решением для коммерческих, промышленных и морских применений.

Купить

Посмотреть больше

Температурный контроль и безопасность

Поскольку наши тела лучше всего работают при температуре 37°C (98°F), механизм транспортировки улучшается, когда аккумулятор теплый. Современные электромобили имеют функцию «предварительной подготовки», чтобы подготовить температуру аккумулятора к предстоящей быстрой зарядке во время движения.

Сверхбыстрое зарядное устройство можно сравнить с высокоскоростным поездом (рис. 1), который движется со скоростью 300 км/ч (188 миль/ч). Увеличить мощность – это относительно просто. Допустимую скорость поезда определяет путь, а не механизм. Точно так же состояние аккумулятора определяет скорость зарядки.

Рисунок 1: Сверхбыструю зарядку можно сравнить с высокоскоростным поездом.

Хорошо разработанное сверхбыстрое зарядное устройство оценивает состояние «химического аккумулятора» и вносит коррективы в соответствии со способностью принимать заряд. Зарядное устройство также должно иметь температурную компенсацию и другие функции безопасности, чтобы снизить ток заряда при определенных условиях и остановить заряд, если аккумулятор находится под чрезмерной нагрузкой.

«Умный» аккумулятор, работающий по SMBus или другим протоколам, отвечает за ток заряда. Система наблюдает за состоянием аккумулятора и снижает или прекращает заряд, если возникает аномалия. Распространенными нарушениями являются дисбаланс элементов или необходимость калибровки. Некоторые «умные» аккумуляторы перестают работать, если ошибку не исправить.

10-минутная зарядка

Автомобильная промышленность требует сверхбыстрой зарядки. Исследовательские лаборатории реагируют на это нагревом литий-ионных аккумуляторов до температуры, которая предотвращает образование литиевых покрытий, одновременно ограничивая рост твердого электролитного межфазного слоя (SEI), который происходит при повышенных температурах. Выбранная температура зарядки составляет 60°C (140°F), нагрев происходит нагревательными элементами в течение всего процесса зарядки, а затем охлаждение примерно до 24°C (75°F) с помощью встроенной системы охлаждения электромобиля, чтобы ограничить время пребывания аккумулятора при высокой температуре. Это позволяет заряжать литий-ионные аккумуляторы со скоростью 6C до 80% SoC за 10 минут.

Рисунок 2: Циклы работы литий-ионного аккумулятора с зарядом и разрядом 1C, 2C и 3C

Зарядка при 60°C предотвращает образование лития, одновременно сдерживая рост SEI из-за короткого времени воздействия высоких температур.

Технология под названием Aligned Graphite® Technology утверждает, что сокращает время зарядки с 25 минут до всего 15 минут путем вертикального расположения графитовых пластин на отрицательном электроде. Battrion, дочернее предприятие Швейцарского федерального технологического института (ETH Zurich), утверждает, что такая ориентация уменьшает расстояние, которое преодолевает литий, обеспечивая очень высокие токи заряда и разряда без деградации.

Ограничения сверхбыстрой зарядки литий-ионных аккумуляторов

Максимальный ток заряда, который может выдерживать литий-ионный аккумулятор, определяется конструкцией ячейки, а не материалом катода, как обычно считается. Цель состоит в том, чтобы избежать литиевого покрытия анода и контролировать температуру. Тонкий анод с высокой пористостью и мелкими частицами графита обеспечивает сверхбыструю зарядку благодаря большой площади поверхности. Силовые ячейки можно заряжать и разряжать при высоких токах, но плотность энергии низкая. Энергетические ячейки, для сравнения, имеют более толстый анод и меньшую пористость, а скорость заряда должна составлять 1C или меньше. Некоторые гибридные элементы в NCA (никель-кобальт-алюминий) можно заряжать выше 1C только при умеренной нагрузке.

Аккумуляторы LiFePO4

Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.

Купить

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки

Купить

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy

Купить

Посмотреть больше

Используйте сверхбыструю зарядку только при необходимости. Хорошо разработанное сверхбыстрое зарядное устройство должно иметь функцию выбора времени зарядки, чтобы дать пользователю возможность выбрать наименее стрессовый заряд в течение отведенного времени. На рисунке 3 сравнивается срок службы типичной литий-ионной батареи при зарядке и разрядке током 1C, 2C и 3C. Срок службы можно дополнительно продлить, заряжая и разряжая током ниже 1C, рекомендуемая скорость – 0,8C.

Рисунок 3: Циклы работы литий-ионного аккумулятора с зарядом и разрядом 1C, 2C и 3C

Зарядка и разрядка литий-ионного аккумулятора током свыше 1C сокращает срок его службы. Если возможно, используйте более медленный режим зарядки и разрядки. Это правило касается большинства аккумуляторов.

Осаждение лития

Литиевые отложения образуются, если скорость заряда превышает способность лития интеркалироваться в отрицательный графитовый электрод литий-ионного заряда. На отрицательном электроде образуется пленка металлического лития, которая равномерно распределяется по материалу-носителю или тяготеет к одной области в плоской, мшистой или дендритной форме. Дендритная форма вызывает беспокойство, поскольку она может увеличить саморазряд, что в крайних случаях может привести к короткому замыканию и взрывному воспламенению.

Условия окружающей среды влияют на осаждение лития следующим образом:

1. Литиевые отложения растут, когда литий-ионный аккумулятор сверхбыстро заряжается при низкой температуре
2. Осаждение развивается, если литий-ионный аккумулятор сверхбыстро заряжается сверх заданного уровня заряда.
3. Также говорят, что накопление увеличивается со старением литий-ионных ячеек из-за повышенного внутреннего сопротивления.

Потребители требуют быстрой зарядки при низких температурах, и это особенно важно для электромобилей. Решения включают специальные добавки к электролитам и растворители, оптимальное соотношение отрицательных и положительных электродов, а также специальную конструкцию ячеек.

Часто задают вопрос: «Почему сверхбыстрые зарядные устройства заряжают аккумулятор только до 70-80 процентов?» Это может быть сделано намеренно для уменьшения нагрузки, но также это естественно вызвано задержкой между напряжением и состоянием заряда, которая усиливается, чем быстрее заряжается аккумулятор. Это можно сравнить с резиновой лентой, которая поднимает тяжелый вес. Чем больше вес, тем больше становится задержка. Сверхбыстрая зарядка заставляет напряжение быстро достигать предельного значения 4,20 В/элемент, пока аккумулятор заряжен лишь частично. Полная зарядка будет происходить медленнее в рамках насыщения.

Титанат лития может быть исключением и позволять сверхбыструю зарядку без лишней нагрузки. Эта функция, вероятно, будет использоваться в будущих электромобилях, однако, литий-титанат имеет более низкую удельную энергию, чем литий-ионный аккумулятор со смешанным кобальтом, и сам аккумулятор дорогой.

Никель-кадмий – это еще один химический элемент аккумулятора, который можно зарядить за считанные минуты до 70 процентов заряда. Как и в случае с большинством аккумуляторов, способность к приему заряда падает по мере приближения к полному заряду, и ток заряда необходимо уменьшать.

Все сверхбыстрые методы требуют высокой мощности. Сверхбыстрая зарядная станция для электромобилей потребляет эквивалент электроэнергии пяти домохозяйств. Зарядка парка электромобилей может обесточить город.

Краткое содержание

Все аккумуляторы лучше всего работают при комнатной температуре и с умеренным зарядом и разрядом. Такой щадящий режим не всегда отражает реальные ситуации, когда компактный аккумулятор нужно быстро заряжать и выдавать высокие токи. Типичными такими сферами применения являются дроны и устройства дистанционного управления для любителей. Ожидайте короткий срок службы, когда небольшой аккумулятор должен выдавать всю свою мощность.

Если быстрая зарядка и высокие требования к нагрузке являются обязательными условиями, прочный силовой элемент (Power Cell) идеально подойдет; однако это увеличивает размер и вес аккумулятора. Аналогией является выбор тяжелого дизельного двигателя для работы большого грузовика вместо мощного двигателя, разработанного для спортивного автомобиля. Большой дизель прослужит дольше легкого двигателя, даже если оба имеют одинаковую мощность. Использование более тяжелого двигателя будет экономичнее в долгосрочной перспективе.