باتری‌های لیتیوم-یون امروزه به عنوان یکی از مهم‌ترین منابع تأمین انرژی در دستگاه‌های الکترونیکی و خودروهای برقی شناخته می‌شوند. عملکرد و عمر مفید این باتری‌ها تا حد زیادی به روش‌های شارژ آن‌ها بستگی دارد. این نوع از باتری‌ها در دهه‌های اخیر به دلیل چگالی انرژی بالا، وزن کم، و کارایی مناسب، جایگاه ویژه‌ای در صنعت یافته‌اند. با این حال، شارژ نادرست آن‌ها می‌تواند به کاهش عمر مفید و حتی خطراتی مانند انفجار یا آتش‌سوزی منجر شود. در نتیجه، شناخت روش‌های بهینه برای شارژ این نوع باتری‌ها امری ضروری است. در ادامه، روش‌های مختلف شارژ باتری لیتیوم-یون را بررسی خواهیم کرد.
روش‌های مختلفی برای شارژ این باتری‌ها استفاده می‌شود که شامل روش جریان ثابت-ولتاژ ثابت (CCCV)، شارژ پالس، شارژ قطره‌ای، شارژ سریع و روش‌های نوین شارژ باتری می‌شود. در این مقاله، به بررسی دقیق هر یک از این روش‌ها، مزایا و معایب آن‌ها و تأثیر آن‌ها بر عمر باتری پرداخته خواهد شد.
روش جریان ثابت – ولتاژ ثابت(CCCV)
یکی از متداول‌ترین روش‌های استاندارد شارژ باتری لیتیوم-یون، روش جریان ثابت – ولتاژ ثابت (Constant Current-Constant Voltage) است. در این روش، فرآیند شارژ در دو مرحله انجام می‌شود:
- مرحله اول جریان ثابت: باتری با یک جریان ثابت شارژ می‌شود تا زمانی که ولتاژ به مقدار مشخصی برسد.
- مرحله دوم ولتاژ ثابت: پس از رسیدن ولتاژ به مقدار تعیین‌شده، جریان کاهش یافته و ولتاژ ثابت نگه داشته می‌شود تا زمانی که جریان به مقدار ناچیزی که از پیش تعیین شده است برسد (فرآیند انتقال بار الکتریکی به پایان رسد).
این روش باعث افزایش ایمنی باتری و جلوگیری از آسیب به سلول‌های آن می‌شود. با این حال، زمان شارژ در مقایسه با برخی روش‌های دیگر ممکن است طولانی‌تر باشد.
روش شارژ پالسی (Pulse Charging)
در این روش، باتری به جای دریافت جریان ثابت، مجموعه‌ای از پالس‌های جریان را دریافت می‌کند. بین هر پالس، یک وقفه کوتاه برای تخلیه جزئی ایجاد می‌شود که باعث کاهش دمای باتری و افزایش عمر آن می‌گردد. این وقفه‌ی زمانی موجب توزیع یون‌ها در الکترود و ایجاد پایداری شیمیایی در آن می‌شود. مزایای این روش شامل کاهش گرمای تولیدی، بهبود عملکرد چرخه‌ای باتری و افزایش سرعت شارژ است. با این حال، اجرای این روش به یک سیستم مدیریت باتری پیشرفته نیاز دارد.
- این روش، شامل مجموعه‌ای از مراحل شارژ با جریان ثابت است که با فازهای استراحت همراه هستند.
- فازهای استراحت، قطبیت سلول را کاهش داده و راندمان شارژ را بهبود می‌بخشند.
- بهبود تشکیل لایه الکترولیت جامد (SEI) به افزایش عملکرد باتری کمک می‌کند.
- به‌ویژه برای افزایش عمر باتری و حفظ ظرفیت آن در چرخه‌های شارژ متعدد مفید است.
روش شارژ قطره‌ای (Trickle Charging)
این روش معمولاً برای حفظ شارژ باتری در طولانی‌مدت به کار می‌رود. در این روش، پس از شارژ کامل، جریان شارژ بسیار کم شده و فقط برای جبران تخلیه خودبه‌خودی باتری استفاده می‌شود. این روش بیشتر برای باتری‌هایی استفاده می‌شود که به‌طور مداوم نیاز به آماده‌باش دارند، مانند تجهیزات پزشکی و دستگاه‌های پشتیبان برق.
روش شارژ سریع (Fast Charging)
در این روش، جریان شارژ اولیه به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد تا باتری در مدت زمان کوتاهی شارژ شود. بسیاری از گوشی‌های هوشمند و خودروهای الکتریکی از این فناوری بهره می‌برند. با این حال، گرمای ایجادشده در حین شارژ سریع می‌تواند باعث کاهش طول عمر باتری شود. شرکت‌های تولیدکننده باتری در حال توسعه فناوری‌هایی مانند شارژ سریع تطبیقی هستند که برای کاهش اثرات منفی این روش بر عمر باتری طراحی شده‌اند.
بهینه‌سازی راندمان شارژ و عملکرد باتری در باتری‌های لیتیوم-یون
بهینه‌سازی راندمان شارژ و افزایش عملکرد باتری از ملاحظات کلیدی در توسعه روش‌های شارژ برای باتری‌های لیتیوم-یون هستند. ارائه یک مرور مختصر از پروتکل‌های مختلف شارژ می‌تواند به درک بهتر این روش‌ها کمک کند.
پروتکل شارژ جریان ثابت چندمرحله‌ای (MCC)
- شامل دو یا چند مرحله CC است که هرکدام در یک ولتاژ قطع خاص خاتمه می‌یابند.
- پروتکل MCC امکان شارژ کارآمد را فراهم کرده و خطر شارژ بیش از حد را کاهش می‌دهد.
- مناسب برای باتری‌هایی که نیاز به شارژ سریع دارند.
پروتکل شارژ جریان ثابت – ولتاژ ثابت – پالس منفی (CC-CVNP)
- از یک پروفایل جریان ثابت با پالس‌های منفی متناوب استفاده می‌کند.
- پالس‌های منفی به کاهش گرادیان‌های غلظت درون الکترود کمک کرده و عملکرد کلی باتری را بهبود می‌بخشند.
- این روش برای کاهش تلفات ظرفیت غیرقابل برگشت و افزایش عمر چرخه‌ای باتری مفید است.
پروتکل شارژ افزایشی (Boost Charging)
- با یک جریان اولیه بالا آغاز شده و سپس به یک مرحله CC-CV معمولی منتقل می‌شود.
- جریان اولیه بالا، فاز ابتدایی شارژ را تسریع کرده و زمان شارژ را کاهش می‌دهد.
- کارآمد برای کاربردهایی که نیاز به شارژ سریع دارند.
پروتکل پروفایل جریان متغیر (VCP)
- از یک پروفایل جریان متغیر که بر اساس خروجی‌های یک مدل مدار معادل تنظیم می‌شود، استفاده می‌کند.
- جریان شارژ را در زمان واقعی تنظیم کرده و راندمان شارژ و عملکرد باتری را بهینه می‌کند.
- مناسب برای کاربردهایی که به کنترل دینامیک شارژ بر اساس شرایط متغیر باتری نیاز دارند.
همچنین لازم است توجه شود که انتخاب پروتکل شارژ به الزامات خاصی مانند زمان شارژ، طول عمر باتری و ملاحظات ایمنی بستگی دارد.
توضیحات تصویر:
شکل a) روش CC-CV، شکل b) روش MCC، شکل c) روش CC-CVNP، شکل d) روش پالسی، شکل e) روش شارژ افزایشی (Boost Charging)، شکل f) روش جریان متغیر
شارژ مبتنی بر مدل‌سازی در باتری‌های لیتیوم-یون: رویکردی نوآورانه برای بهینه‌سازی فرآیند شارژ
شارژ مبتنی بر مدل‌سازی در باتری‌های لیتیوم-یون یک روش نوآورانه برای بهینه‌سازی فرآیند شارژ محسوب می‌شود. این روش از یک مدل محاسباتی برای پیش‌بینی وضعیت داخلی باتری استفاده می‌کند و متغیرهایی مانند میزان شارژ (SoC)، وضعیت سلامت (SoH)، دمای داخلی و سایر ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی باتری را در نظر می‌گیرد. در این روش، جریان شارژ باتری با استفاده از مدل الکتروشیمیایی یا مدل مدار معادل تعیین می‌شود.
مزایای شارژ مبتنی بر مدل
این روش چندین مزیت مهم دارد:
- تنظیم دینامیک پارامترهای شارژ: امکان تنظیم جریان و ولتاژ شارژ به‌صورت پویا بر اساس وضعیت فعلی باتری فراهم می‌شود. این امر می‌تواند منجر به کاهش زمان شارژ شود و در عین حال از شرایط مخربی که ممکن است به باتری آسیب برسانند، جلوگیری کند.
- افزایش عمر و ایمنی باتری: مدیریت بهتر فرآیند شارژ می‌تواند طول عمر باتری را افزایش داده و ایمنی آن را بهبود بخشد.
چالش‌های پیاده‌سازی شارژ مبتنی بر مدل
با وجود مزایای بالقوه، پیاده‌سازی شارژ مبتنی بر مدل با چالش‌های خاصی همراه است:
- نیاز به شناخت دقیق خصوصیات باتری – ویژگی‌های باتری می‌توانند به‌طور قابل‌توجهی بین انواع مختلف باتری و تولیدکنندگان متفاوت باشند. بنابراین، تحقیق و کالیبراسیون گسترده‌ای برای ایجاد مدل‌های دقیق باتری لازم است.
- نیاز به سخت‌افزار و نرم‌افزار پیشرفته – محاسبه مدل باتری در زمان واقعی و تنظیم دینامیکی پارامترهای شارژ نیازمند سیستم‌های کنترلی و پردازشی پیشرفته‌ای است. هزینه و پیچیدگی این سیستم‌ها در حال حاضر یکی از موانع اجرای گسترده این روش محسوب می‌شود.
با وجود چالش‌های موجود، مزایای بالقوه شارژ مبتنی بر مدل در باتری‌های لیتیوم-یون، این حوزه را به گزینه‌ای جذاب برای تحقیقات و توسعه‌های بیشتر تبدیل کرده است.
بیشتر بخوانید:
