Metody ładowania samochodów elektrycznych
Istnieją różne metody ładowania akumulatorów samochodów elektrycznych . Obecnie największym problemem związanym z transportem pojazdów elektrycznych jest całkowity zasięg dostępny przed koniecznością ładowania. Najdłuższy zarejestrowany dotychczas zasięg wyniósł 606,2 mil, osiągnięty przez Teslę Model 3. Został on jednak przeprowadzony w bardzo kontrolowanych warunkach, w których samochód utrzymywał stałą prędkość bez dodatkowego drenażu sprężarki klimatyzacji. Zazwyczaj bateria wystarcza na około 300 mil – co odpowiada trzem dniom dojazdów do pracy w mieście w cieplejsze dni lub jednemu dniu w chłodniejsze dni. Przy tych ograniczeniach podróże długodystansowe są obecnie nieodpowiednie dla samochodu elektrycznego , chyba że na trasie podróży dostępne są stacje szybkiego ładowania.
Zasady szybkiego ładowania
Proces rozładowania polega na przejściu jonów litu z elektrody dodatniej przez separator/ elektrolit . Jony następnie przenoszą się przez interfejs stałego elektrolitu (SEI) i interkalują do elektrody ujemnej. Potencjalny negatywny wpływ szybkiego ładowania polega na tym, że starzenie się baterii może zostać przyspieszone przez niestabilną SEI, spowodowaną wielokrotnym ładowaniem i rozładowywaniem.
Nowe ładowanie impulsowe znacznie poprawiło stabilność SEI, ponieważ niepotrzebna reakcja chemiczna została zmniejszona dzięki nowym metodom ładowania, a SEI jest hodowany poprzez reakcję redukcji. W ten sposób cykl życia i wydajność akumulatora również uległy poprawie w porównaniu z tradycyjną metodą ładowania. Również w tradycyjnej metodzie ładowania etylen może być wytwarzany podczas ładowania w wyniku redukcji elektrolitu (głównie EC) jonami litu. Ponieważ akumulator jest zamknięty, ciśnienie wewnętrzne jest ograniczone. Wytworzony etylen doprowadzi do nadciśnienia wewnątrz akumulatora. Nadmierne ciśnienie w akumulatorze może również spowodować jego rozszerzenie w wyniku wzrostu temperatury wewnętrznej, co może spowodować wybuch akumulatora. Jednak dzięki zastosowaniu tej nowej metody ładowania w kształcie fali kompozytowej można zredukować wytwarzany etylen poprzez tłumienie reakcji redukcji elektrolitu. W związku z tym, dając umiarkowaną energię do przenoszenia jonów litu podczas ładowania i szybki impuls ujemny w celu ograniczenia niepożądanych reakcji chemicznych, wydaje się, że jest to teoretyczna metoda ładowania w przyszłości.
Algorytmy ładowania
Różne algorytmy różnią się wydajnością ładowania, czasem ładowania, cyklami życia baterii i kosztami. Jednak badacze nadal nie mogą określić, który z nich jest najbardziej odpowiedni dla danego zastosowania, ponieważ opracowano wiele algorytmów; każdy ma zalety i wady. Na przykład metoda ładowania stałoprądowo-stałym napięciem ma dłuższy czas ładowania w porównaniu z wielostopniowym algorytmem ładowania prądowego, a koszt badań nad tym drugim jest wyższy niż w przypadku pierwszego. Biorąc pod uwagę zalety i wady każdego algorytmu, celem jest dopasowanie każdego z nich do odpowiedniej aplikacji.
Prąd stały
Metoda ładowania prądem stałym dostosowuje napięcie wyjściowe urządzeń ładujących lub rezystancję szeregowo z akumulatorem, aby utrzymać stały prąd. Wykorzystuje stałą wartość prądu od początku do końca ładowania. Ponieważ akumulatory niklowo-kadmowe łatwo ulegają polaryzacji podczas konwencjonalnego ładowania, elektrolit w sposób ciągły wytwarza gazowy wodór i tlen zarówno w konwencjonalnych algorytmach ładowania ze stałym napięciem, jak i ze stałym prądem. Pod wpływem wewnętrznego wysokiego ciśnienia tlen przenika do elektrody ujemnej i oddziałuje z płytką kadmową, tworząc CdO, co powoduje zmniejszenie efektywnej pojemności płytki elektrody. Ponieważ akceptowalna pojemność prądowa akumulatora stopniowo maleje wraz z postępem procesu ładowania, doprowadziło to do przeładowania akumulatora w późniejszym okresie ładowania. Ostatecznie doprowadzi to również do gwałtownego spadku pojemności baterii.
Stałe napięcie
Ładowanie stałonapięciowe jest szeroko stosowaną metodą ładowania polegającą na stałym napięciu między biegunami akumulatora. Akumulator rozruchowy ładuje się stałym napięciem podczas jazdy pojazdu. Jeśli określona wartość stałej napięcia jest odpowiednia, może zapewnić pełne naładowanie akumulatora, jednocześnie minimalizując straty gazu i wody.
Odmiana algorytmów ładowania stałym prądem/stałym napięciem
Algorytm ładowania Boost Charger CC/CV jest dalszym rozwinięciem algorytmów stałego prądu/stałego napięcia. Zamiast stałego napięcia i prądu przez cały okres ładowania, zwiększa efektywność ładowania poprzez maksymalizację napięcia w pierwszym okresie, przy czym akumulator osiąga około 30% swojej nominalnej pojemności ładowania. Po tym okresie algorytm ładowania zostaje przełączony na standardowy CC/CV. Ze względu na początkowe wyższe napięcie ładowania, BC-CC/CV może ładować akumulator szybciej niż CC/CV, ale przed ładowaniem wymagane jest całkowite rozładowanie akumulatora. Ponieważ ładowarka musi zapewniać zmienne napięcie, wszystkie komponenty muszą akceptować najwyższe napięcie generowane przez ładowarkę. Rozładowanie akumulatora przed ponownym naładowaniem jest ważne, ponieważ wpłynie to na efektywność algorytmu ładowania i cykl życia akumulatorów.
Algorytm wielostopniowego ładowania prądem
Wielostopniowe ładowanie prądem dzieli cały okres ładowania na kilka etapów ładowania, które próbują wykorzystać optymalny prąd ładowania na każdym etapie, maksymalizując wydajność ładowania. Poprzez określenie optymalnego prądu ładowania dla każdego etapu, regulator rozmyty służy do określenia prądu ładowania poprzez zmianę temperatury. Podsumowując, algorytm ten bazuje na mikrokontrolerze lub komputerze. Szybkość ładowania jest większa, a wydajność ładowania wyższa niż w CC/CV.
Bezkontaktowa metoda ładowania
Ładowanie bezdotykowe wykorzystuje rezonans magnetyczny do przenoszenia energii w powietrzu między ładowarką a akumulatorem. Osiąga to wysoce wydajną transformację energii. Ponieważ ładowarka bezdotykowa może nadal ładować pojazd, pozwala pojazdom elektrycznym mieć mniejszą baterię. Sama w sobie jest bardziej ekonomiczna, bezpieczniejsza i bardziej zrównoważona. Ponieważ akumulator jest głównym składnikiem kosztu pojazdu elektrycznego, sugerowana cena detaliczna pojazdu elektrycznego jest obniżana w wyniku zastosowania ładowania bezdotykowego. Opracowanie systemu ładowania bezdotykowego wiąże się jednak z ogromnym wsparciem finansowym. Na przykład, aby realizować ładowanie w czasie rzeczywistym na drodze, należy zainstalować cewkę odbiornika pod samochodem i przebudować drogę oraz umieścić cewkę nadajnika pod torem zasilającym. W ten sposób umożliwia automatyczne ładowanie samochodu podczas jazdy po drodze. Z tego powodu wielu producentów pojazdów elektrycznych stosuje tradycyjne metody ładowania, aby obniżyć koszty. Ponieważ systemy ładowania bezdotykowego wykorzystują pole elektromagnetyczne jako mechanizm działania, podczas ładowania może to mieć negatywny wpływ na urządzenia elektroniczne znajdujące się w pobliżu ładowarki. Istnieje również możliwość wpływu na zwierzęta. Wydajność to kolejny problem dla badaczy.
Wymiana baterii
Wymiana baterii polega na wykorzystaniu automatycznego lub półautomatycznego systemu wymiany rozładowanej baterii na w pełni naładowaną. Ten proces może być wykonany tylko przez personel techniczny. Proces ten ma na celu osiągnięcie czasu tankowania porównywalnego z tradycyjnym pojazdem benzynowym, przy czym wymiana zwykle trwa około 3 minut. W Chinach firma taka jak NIO zbudowała ponad 1151 stacji wymiany akumulatorów, aby pomóc w popularyzacji tej technologii.