Швидкі та надшвидкі зарядні пристрої

Ніде надшвидка зарядка не користується таким попитом, як в електромобілях (EV). Зарядка електромобіля за лічені хвилини відтворює зручність заправки 50 літрів (13 галонів) пального в бак, який забезпечує 600 кВт·год енергії. Таке велике накопичення енергії в електрохімічному пристрої непрактичне, оскільки акумулятор такої ємності важив би 6 тонн. Більшість літій-іонних акумуляторів виробляють лише близько 150 Вт·год на кг, енергія з викопного палива приблизно в 100 разів вища.

Заряджання електромобіля завжди триватиме довше, ніж заповнення бака, а акумулятор завжди забезпечуватиме менше енергії на вагу, ніж викопне паливо. Порушення закону та примусове використання надшвидкої зарядки додає стресу, навіть якщо акумулятор розроблений для такої мети. Ми повинні пам'ятати, що акумулятор за своєю природою млявий. Як і старіюча людина, його фізичний стан стає менш ідеальним з використанням та віком. Так само, як і здатність до швидкої зарядки. Вважається, що вся енергія заряду надходить в акумулятор, незалежно від того, заряджається він повільно, швидко чи надшвидким методом. Акумулятори є нелінійними пристроями, і більшість хімічних елементів приймають швидкий заряд від нуля до приблизно 50% стану заряду (SoC) з невеликими втратами. NiCd робить це найкраще та зазнає найменшого навантаження. Стрес виникає у другій половині циклу зарядки до повного заряду, коли прийняття стає утрудненим. Аналогія - це насолода десертом після того, як голод вгамовано.

Застосування надшвидкої зарядки, коли акумулятор розряджений, а потім поступове зменшення струму при досягненні 50% SoC і вище називається ступінчастою зарядкою. Індустрія ноутбуків застосовує ступінчасту зарядку вже багато років, так само як і електромобілі. Струми заряду повинні узгоджуватися з типом акумулятора, оскільки різні системи акумуляторів мають різні вимоги до прийняття заряду. Виробники акумуляторів не публікують швидкості зарядки як функцію SoC. Значна частина цієї інформації є конфіденційною.

Зарядні пристрої Victron Energy

Високоякісні зарядні пристрої для довговічної служби та надійності роботи

Зарядний пристрій Victron Blue Smart IP22 Charger 12/30 (1)

 Ідеально підходить для використання в майстернях, а також для заряджання акумуляторів автомобілів, мотоциклів, човнів та кемперів.

Купити

Зарядний пристрій Blue Smart IP65 Charger 12/15

Завдяки класу захисту IP65, пристрій стійкий до пилу та води, що робить його ідеальним для використання в суворих умовах.

Купити

Зарядний пристрій Victron Phoenix Smart IP43 Charger 12/30 (3) 120/240V

Оснащений Bluetooth-інтерфейсом для простого налаштування й моніторингу через додаток VictronConnect. Висока ефективність та надійність роблять його ідеальним рішенням для комерційних, промислових та морських застосувань.

Купити

Подивитися більше

Температурний контроль та безпека

Оскільки наші тіла найкраще працюють при температурі 37ºC (98ºF), механізм транспортування покращується, коли акумулятор теплий. Сучасні електромобілі мають функцію «попереднього заряджання», щоб підготувати температуру акумулятора до майбутнього швидкого заряджання під час руху. 

Надшвидкісний зарядний пристрій можна порівняти з високошвидкісним поїздом ( рис.1), який рухається зі швидкістю 300 км/год (188 миль/год). Збільшити потужність – це відносно просто. Допустиму швидкість поїзда визначає колія, а не механізм. Так само стан акумулятора визначає швидкість заряджання.

Рисунок 1: Надшвидку зарядку можна порівняти з високошвидкісним поїздом.

Добре розроблений надшвидкісний зарядний пристрій оцінює стан «хімічного акумулятора» та вносить корективи відповідно до здатності отримувати заряд. Зарядний пристрій також повинен мати температурну компенсацію та інші функції безпеки, щоб знизити струм заряду за певних умов та зупинити заряд, якщо акумулятор перебуває під надмірним навантаженням.

«Розумний» акумулятор, що працює по SMBus або іншим протоколам, відповідає за струм заряду. Система спостерігає за станом акумулятора та знижує або припиняє заряд, якщо виникає аномалія. Поширеними порушеннями є дисбаланс елементів або необхідність калібрування. Деякі «розумні» акумулятори перестають працювати, якщо помилку не виправити.

10-хвилинна зарядка

Автомобільна промисловість вимагає надшвидкої зарядки. Дослідницькі лабораторії реагують на це нагріванням літій-іонних акумуляторів до температури, яка запобігає утворенню літієвих покриттів, одночасно обмежуючи ріст твердого електролітного інтерфазного шару (SEI), що відбувається за підвищених температур. Обрана температура зарядки становить 60ºC (140ºF), нагрівання відбувається нагрівальними елементами протягом усього процесу зарядки, а потім охолодження приблизно до 24ºC (75ºF) за допомогою вбудованої системи охолодження електромобіля, щоб обмежити час перебування акумулятора при високій температурі. Це дозволяє заряджати літій-іонні акумулятори зі швидкістю розряду 6ºC до 80% SoC за 10 хвилин.

Рисунок 2: Цикли роботи літій-іонного акумулятора з зарядом та розрядом 1C, 2C та 3C

Заряджання при 60ºC запобігає утворенню літію, одночасно стримуючи ріст SEI через короткий час дії високих температур.

Технологія під назвою Aligned Graphite® Technology стверджує, що скорочує час заряджання з 25 хвилин до лише 15 хвилин шляхом вертикального розташування графітових пластівців на негативному електроді. Battrion, дочірнє підприємство Швейцарського федерального технологічного інституту (ETH Zurich), стверджує, що така орієнтація зменшує відстань, яку долає літій, забезпечуючи дуже високі струми заряду та розряду без деградації.

Обмеження надшвидкої зарядки літій-іонних акумуляторів

Максимальний струм заряду, який може витримувати літій-іонний акумулятор, визначається конструкцією елемента, а не матеріалом катода, як зазвичай вважається. Мета полягає в тому, щоб уникнути літієвого покриття анода та контролювати температуру. Тонкий анод з високою пористістю та дрібними частинками графіту забезпечує надшвидку зарядку завдяки великій площі поверхні. Енергетичні елементи можна заряджати та розряджати при високих струмах, але щільність енергії низька. Енергетичні елементи, для порівняння, мають товстіший анод і меншу пористість, а швидкість заряду повинна становити 1C або менше. Деякі гібридні елементи в NCA (нікель-кобальт-алюміній) можна заряджати вище 1C лише при помірному навантаженні.

Акумулятори LiFePO4

Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)

Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.

Купити

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження

Купити

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

 Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy

Купити

Подивитися більше

Використовуйте надшвидку зарядку лише за необхідності. Добре розроблений надшвидкий зарядний пристрій повинен мати функцію вибору часу зарядки, щоб дати користувачеві можливість вибрати найменш стресовий заряд протягом відведеного часу. На рисунку 3 порівнюється термін служби типової літій-іонної батареї при зарядці та розрядці струмом 1C, 2C та 3C. Термін служби можна додатково подовжити, заряджаючи та розряджаючи струмом нижче 1C, рекомендована швидкість – 0,8C.

Рисунок 3: Цикли роботи літій-іонного акумулятора з зарядом та розрядом 1C, 2C та 3C

Заряджання та розряджання літій-іонного акумулятора струмом понад 1C скорочує термін його служби. Якщо можливо, використовуйте повільніший режим заряджання та розряджання. Це правило стосується більшості акумуляторів.

Осадження літію

Літієві відкладення утворюються, якщо швидкість заряду перевищує здатність літію інтеркалюватися в негативний графітовий електрод літій-іонного заряду. На негативному електроді утворюється плівка металевого літію, яка рівномірно розподіляється по матеріалу-носія або тяжіє до однієї області в площинній, мохоподібній або дендритній формі. Дендритна форма викликає занепокоєння, оскільки вона може збільшити саморозряд, що в крайніх випадках може призвести до короткого замикання та призвести до вибуху полум'я.

Умови навколишнього середовища впливають на осадження літію наступним чином:

1. Літієві відкладення зростають, коли літій-іонний акумулятор надшвидко заряджається за низької температури
2. Осадження розвивається, якщо літій-іонний акумулятор надшвидко заряджається понад заданий рівень заряду.
3. Також кажуть, що накопичення збільшується зі старінням літій-іонних елементів через підвищений внутрішній опір.

Споживачі вимагають швидкої зарядки за низьких температур, і це особливо важливо для електромобілів. Рішення включають спеціальні добавки до електролітів та розчинники, оптимальне співвідношення негативних та позитивних електродів, а також спеціальну конструкцію елементів.

Часто ставлять питання: «Чому надшвидкісні зарядні пристрої заряджають акумулятор лише до 70-80 відсотків?» Це може бути зроблено навмисно для зменшення навантаження, але також це природно спричинено затримкою між напругою та станом заряду, яка посилюється, чим швидше заряджається акумулятор. Це можна порівняти з гумовою стрічкою, яка піднімає важку вагу. Чим більша вага, тим більшою стає затримка. Надшвидка зарядка змушує напругу швидко досягати граничного значення 4,20 В/елемент, поки акумулятор заряджений лише частково. Повна зарядка відбуватиметься повільніше в рамках насичення.

Титанат літію може бути винятком і дозволяти надшвидку зарядку без зайвого навантаження. Ця функція, ймовірно, буде використовуватися в майбутніх електромобілях, однак, літій-титанат має нижчу питому енергію, ніж літій-іонний акумулятор зі змішаним кобальтом, і сам акумулятор дорогий. 

Нікель-кадмій – це ще один хімічний елемент акумулятора, який можна зарядити за лічені хвилини до 70 відсотків заряду. Як і у випадку з більшістю акумуляторів, здатність до заряду падає до повного заряду, і струм заряду необхідно зменшувати.

Усі надшвидкісні методи потребують високої потужності. Надшвидка зарядна станція для електромобілів споживає еквівалент електроенергії п'яти домогосподарств. Зарядка парку електромобілів може затемнити місто.

Короткий зміст

Усі акумулятори найкраще працюють за кімнатної температури та з помірним зарядом і розрядом. Такий захищений спосіб життя не завжди відображає реальні ситуації, коли компактний акумулятор потрібно швидко заряджати та видавати високі струми. Типовими такими сферами застосування є дрони та пристрої дистанційного керування для любителів. Очікуйте короткий термін служби, коли невеликий акумулятор повинен видавати всю свою потужність.

Якщо швидка зарядка та високі вимоги до навантаження є обов'язковими умовами, міцний Power Cell ідеально підійде; однак це збільшує розмір і вагу акумулятора. Аналогічною є вибір важкого дизельного двигуна для роботи великої вантажівки замість потужного двигуна, розробленого для спортивного автомобіля. Великий дизель переживе легкий двигун, навіть якщо обидва мають однакову потужність. Використання важчого двигуна буде економічнішим у довгостроковій перспективі.