Utilizarea a două surse unipolare de curent continuu într-o configurație anti-serie este o altă abordare pentru generarea tensiunii pozitive și negative - și una care nu suferă de întreruperea alimentării.

negativă

Descărcați acest articol în format .PDF
Acest tip de fișier include grafică și schemă de înaltă rezoluție, atunci când este cazul.

Arhitect de soluții pentru testarea bateriei, grupul de soluții industriale electronice, Keysight Technologies

În 2012, am scris două articole în Electronic Design care au discutat mai multe metode pentru generarea unui semnal de alimentare care ar putea fi pozitiv și negativ în tensiune folosind relee de inversare a polarității („Turn Positive Voltages Negative with Relays”) și folosirea surselor de alimentare bipolare (Bipolar Power Supplies) Rulați Gamut ”). În acest articol, vă prezint o a treia metodă de generare a unui semnal de putere care ar putea fi pozitiv și negativ în tensiune folosind două surse de curent continuu.

Revizuirea rapidă a metodelor anterioare

Cel mai mic mod de a atinge acest obiectiv este de a utiliza o sursă de curent continuu unipolar cu 1 cadran (Fig. 1a) echipată cu un releu de inversare a polarității. Cu toate acestea, utilizarea unui releu de inversare a polarității aduce cu sine trei limitări majore: întreruperea alimentării în timpul operațiunilor de releu de inversare a polarității; incapacitatea de a furniza mici tensiuni pozitive și negative; și creșterea timpului de execuție a testului datorită timpului de releu pentru a comuta. De asemenea, atunci când aplicația necesită curent mare, găsirea unui releu de inversare a polarității adecvat poate fi o provocare.

O altă metodă este utilizarea unei surse de alimentare bipolare (Fig. 1b). Principala sa caracteristică este că, dintr-o singură pereche de terminale, alimentarea poate furniza tensiuni pozitive și negative. Deoarece nu există un releu pentru comutarea polarității, o sursă bipolară se poate deplasa lin de la tensiuni pozitive, la zero, la tensiuni negative. De asemenea, poate regla zero volți sau alte tensiuni foarte mici.

Cu toate acestea, datorită complexității lor de proiectare, sursele de alimentare bipolare tind să fie mult mai scumpe decât omologii lor de alimentare cu curent continuu unipolar. Deoarece majoritatea aplicațiilor de alimentare de curent continuu pot fi satisfăcute în mod adecvat de o sursă de alimentare de curent continuu unipolar standard, majoritatea producătorilor de surse de alimentare nu oferă o mare varietate a varietății bipolare.

1. Sursele de alimentare pot fi configurate în configurații unipolare cu 1 cadran, unipolar cu 2 cadrane și bipolare cu 4 cadrane pentru a genera tensiune pozitivă și negativă.

Anti-serie pentru tensiuni pozitive și negative

Există o altă alternativă. Puteți utiliza două surse de alimentare DC unipolare într-o configurație anti-serie (Fig. 2).

În această configurație, sursa principală trebuie evaluată pentru dublul tensiunii maxime. Dacă trebuie să treceți de la +20 V la –20 V, atunci sursa principală trebuie evaluată pentru +40 V. În această configurație anti-serie, sursa secundară este conectată „înapoi” și oferă o tensiune maximă negativă constantă. Prin urmare, în acest caz, furnizează –20 V.

2. Această configurare anti-serie poate atinge +20 până la 20 V la bornele motorului.

Alimentarea secundară trebuie să fie o sursă plutitoare, astfel încât să poată fi conectată „înapoi” ca sursă de tensiune negativă. Rețineți, de asemenea, că pentru alimentarea secundară, curentul va circula în sens invers prin sursa de alimentare. Ca urmare, această sursă va trebui să fie o sursă de curent continuu unipolar flotant cu 2 cadrane (Fig. 1c) care să susțină curent pozitiv și negativ, cum ar fi Keysight N6782A sau familia APS a companiei.

După cum puteți vedea în tabel, oferta principală este de a face toată munca. Alimentarea secundară a rămas constantă la +20 V, dar a produs –20 V, deoarece este conectată în configurație anti-serie. Pentru a obține un semnal variabil pozitiv și negativ la terminale este necesară schimbarea doar a sursei principale, simplificarea programării. Utilizând o sursă de curent continuu ca sursă principală, puteți genera semnale de putere de până la câțiva kiloherci.

O aplicație pentru aceasta ar fi alimentarea oricăror dispozitive care consumă energie pozitivă (adică dispozitivul în sine nu este o sursă de energie), dar au nevoie de tensiune pozitivă și negativă. De exemplu, trebuia să pornesc un motor utilizat într-o aplicație de feedback haptic pentru un design de joc în care motorul era conectat la volan într-un simulator de conducere. Când s-a aplicat +20 V, motorul s-a rotit în sensul acelor de ceasornic. Când s-a aplicat –20 V, motorul s-a rotit în sens invers acelor de ceasornic. Deci, prin variația rapidă a tensiunii de acționare a motorului între +20 și –20 V, am putea întoarce roata și le putem oferi feedback-ului jucătorului, cum ar fi rezistența la rotirea roții sau umflăturile pe drum.

Cu această configurație anti-serie, în timp ce costul total al configurării este de două ori mai mare decât cel al unei singure surse, va fi totuși mai puțin costisitor decât o singură sursă de alimentare bipolară cu aceeași putere. Spre deosebire de sursa de alimentare cu relee de inversare a polarității, configurația anti-serie nu va avea nicio întrerupere a tensiunii în timp ce semnalul trece de la pozitiv la negativ.

Demistificarea calibrării electronice
50 de ani în domeniul electronicii de putere
Temperatura contează ... Chiar și atunci când se utilizează surse de curent continuu
Generarea rezistenței negative

Mai multe startup-uri și OEM-uri au anunțat recent inovații care ar putea accelera adoptarea vehiculelor electrice.

Ce veți învăța:

  • Bateria solidă necombustibilă a QuantumScape cu densitate mai mare.
  • Celula în stare solidă a Solid Power cu un electrolit solid sulfurat.
  • Separator neporos Toray Industries pentru baterii litiu-ion.
  • Celula Toyota despre care pretinde că poate face o călătorie de 500 km cu o singură încărcare.

Dezvoltarea bateriilor cu litiu de nouă generație bazate pe electroliți solizi poate rezolva fundamental unele probleme cheie în vehiculele electrice (EV):

  • Gamă: Majoritatea vehiculelor electrice au o rază de acțiune de 300 mile sau mai puțin.
  • Timp de incarcare: Durează mai mult de o oră pentru a reîncărca bateriile actuale, în timp ce ar dura aproximativ 10 minute să se încarce un vehicul electric echipat cu o baterie solid-state.
  • Pierderea taxei: Celulele își pot pierde aproape o treime din capacitatea lor într-un deceniu.
  • Siguranță: Electrolitii lichizi convenționali care iau ioni de litiu între electrozi prezintă un risc grav de siguranță din cauza materialelor inflamabile utilizate.

Săptămâna trecută, mai multe start-up-uri și OEM-uri existente care încearcă să dezvolte baterii în stare solidă au anunțat inovații care ar putea accelera adoptarea EV, oferind producătorilor auto o alternativă mai sigură și mai ieftină la bateriile litiu-ion.

De exemplu, QuantumScape, care are un parteneriat strategic cu Volkswagen, a anunțat rezultate promițătoare ale testelor pentru o celulă în stare solidă. În același timp, o pornire de șase ani numită Solid Power a dezvăluit că a realizat o celulă în stare solidă funcțională și produce baterii prototip cu 10 straturi stivuite la o fabrică pilot din Colorado .

Mai mult, Toray Industries a creat un separator neporos pentru bateriile litiu-ion care ar putea crește considerabil capacitatea bateriei prin îmbunătățirea siguranței anodilor litiu-metalici, iar Toyota a declarat că intenționează să aibă tehnologia bateriei în stare solidă în vehiculele sale de producție până în 2025.

Să analizăm aceste evoluții pe rând.

QuantumScape

Într-un anunț de presă, QuantumScape, o companie în vârstă de 10 ani din San Jose, California, a furnizat rezultate tehnice din testele de laborator ale bateriei în stare solidă a companiei. Anterior, bateriile în stare solidă care lucrau cu litiu metalic la viteze ridicate de energie sufereau de o durată scurtă de viață și de o rată de încărcare lentă. Dar, potrivit QuantumScape, celula sa necombustibilă se poate încărca la 80% din capacitate în 15 minute, poate păstra mai mult de 80% din capacitatea sa după 800 de cicluri de încărcare și are o densitate a energiei volumetrice mai mare de 1.000 de wați-oră pe litru, aproape dublă densitatea energetică a celulelor comerciale litiu-ion.

Catodul QuantumScape, sau terminalul pozitiv, constă din oxid de nichel-mangan cobalt, care este comun în bateriile EV. Cu toate acestea, electrodul său negativ, sau anodul, este fabricat din litiu pur metalic format in situ atunci când celula finită este încărcată, mai degrabă decât atunci când celula este produsă (Fig. 1).

1. Afișat este bateria cu acumulator litiu-metal în stare solidă a unui singur strat QuantumScape. (Sursa: QuantumScape)

Proiectarea în stare solidă a companiei crește și mai mult densitatea energiei, deoarece se spune că nu necesită exces de litiu pe anod. Unele încercări anterioare de a folosi baterii în stare solidă au folosit un anod de litiu depus, care reduce densitatea energiei.

Principala descoperire este utilizarea unui separator ceramic între catod și anod pentru a înlocui electrolitul lichid utilizat în celulele convenționale ale bateriei. La fel ca electrolitul lichid din această schemă, ionii de litiu curg de la un terminal la altul atunci când bateria se încarcă și se descarcă. În timpul descărcării, litiul curge de la anod la catod și partea anodică este comprimată. La fel de subțire ca un păr uman, separarea este „sosul secret” al unei baterii în stare solidă. Trebuie să acționeze ca o barieră care împiedică dendritele de litiu - grinzi metalice care se formează pe anodii litiu-metal în timpul ciclurilor de încărcare - să treacă între electrozi și să provoace un scurtcircuit.

Dendritele sunt cauzate de un fenomen în care cristalele în formă de ramură cresc pe suprafața electrodului negativ din cauza unei reacții chimice inegale. Dendritele de litiu se formează de-a lungul porilor filmului microporos. Eliminarea porilor separatorilor poate opri o astfel de creștere, dar dezavantajul este mult redus permeabilitatea litiu-ion. Separatorul în stare solidă al QuantumScape înlocuiește separatorul organic utilizat în celulele convenționale, permițând o arhitectură fără anod, cu exces de litiu zero.

În trecut, eforturile acumulatorului în stare solidă s-au bazat fie pe un polimer - materialul separator ales în bateriile lichide cu electroliți - fie pe o ceramică dură. Din păcate, polimerii nu blochează dendritele. Iar ceramica utilizată pentru bateriile experimentale în stare solidă s-a dovedit a fi prea fragilă pentru a rezista la suficiente cicluri de încărcare. QuantumScape nu a dezvăluit natura separatorului pe care îl folosește în afară de a spune că materialul este ușor disponibil.

Rezultatele recent lansate ale QuantumScape, bazate pe testarea celulelor bateriei cu un singur strat, arată că separatoarele sale în stare solidă sunt capabile să funcționeze la viteze de putere foarte ridicate, permițând o încărcare de 15 minute la o capacitate de 80%, mai rapidă decât bateriile convenționale sunt capabile să livreze.

Celulele testate au fost celule de pungă cu un singur strat cu suprafață mare, în factorul de formă comercial țintă, cu catoduri groși care rulează la viteze de încărcare de o oră și descărcare la 30 ° C. Aceste teste au demonstrat o capacitate reținută mai mare de 80% după 800 de cicluri.

Celula subțire dezvăluită de QuantumScape este destinată să fie stivuită împreună cu aproximativ 100 de alte pentru a forma o celulă completă de dimensiunea unui pachet de cărți. Până în prezent, compania nu a testat o celulă complet stivuită.

Putere solidă

O pornire de șase ani numită Solid Power a făcut, de asemenea, o celulă în stare solidă funcțională. Electrolitul lichid inflamabil dintr-o baterie convențională litiu-ion este înlocuit cu un electrolit solid cu sulfură de proprietate. Solid Power a început să producă baterii litiu-metal cu stare solidă de 330 de Wh/kg, cu 22 de straturi, pe linia de producție continuă roll-to-roll a companiei la o fabrică pilot din Louisville, Colorado (Fig. 2). Compania are o foaie de parcurs pentru a depăși 400 Wh/kg până în 2022.

2. Celula solid-metalică cu litiu, cu 22 de straturi, 20 Ah, în stare solidă, este comparată cu celula de 2Ah cu 10 straturi din prima generație a companiei. (Sursa: Solid Power)

Solid Power are parteneriate cu un număr de producători auto, inclusiv BMW Hyundai și Ford, pentru a dezvolta în comun baterii cu stare solidă. Compania este susținută și de investitori proeminenți, inclusiv Samsung, Volta Energy Technologies și Solvay.

Celulele de pungă cu 10 straturi și 2 Ah ale Solid Power prezintă cicluri timpurii stabile la aproape temperatura camerei, în timp ce celulele de pungă cu dublu strat corespunzătoare au depășit deja 250 de cicluri stabile. Se anticipează alte progrese înainte de a intra în procesul oficial de calificare auto.

Solid Power a demonstrat cele mai recente compoziții de electrozi ale companiei, care vor trece la linia de producție în 2021, inclusiv:

  • Funcționare −10 ° C
  • 50% încărcare rapidă în 15 minute la temperatura camerei
  • Grosimea separatorului de până la 25 microni

Compania anticipează intrarea în procesul oficial de calificare a automobilelor la începutul anului 2022, cu celule de baterie cu capacitate chiar mai mare, toate în stare solidă.

Toray Industries

Toray Industries a creat un separator neporos pentru bateriile litiu-ion care ar putea crește foarte mult capacitatea prin îmbunătățirea siguranței bateriilor cu anod litiu-metal. Toray a abordat provocarea formării de dendrite de litiu pe suprafețele litiu-metalice în timpul încărcării - pătrunzând în separatoare și provocând scurtcircuite care deteriorează siguranța - utilizând tehnologia de proiectare moleculară a polimerului aramidic cu rezistență ridicată la căldură. Compania a reușit astfel să suprime formarea dendritei în bateriile cu anod litiu-metal, menținând în același timp conductivitatea ionilor. A făcut acest lucru folosind polimerul ca separator neporos cuprinzând un strat fără pori pe un separator microporos.

Toray a arătat că o baterie cu un astfel de separator a suprimat scurtcircuitele atribuite dendritelor și și-a menținut mai mult de 80% din capacitatea sa după 100 de cicluri de încărcare/descărcare. Compania a mai spus că va accelera cercetarea și dezvoltarea pentru a stabili rapid tehnologii cu baterii cu anodi litiu-metalici, astfel încât să poată conduce capacitate și siguranță ultra-ridicate pentru bateriile litiu-ion de mâine.

Toyota dezvoltă o celulă în stare solidă despre care oficialii companiei spun că ar fi capabilă să facă o călătorie de 500 km cu o singură încărcare și să se reîncarce de la zero la complet în 10 minute. Și celula ar face acest lucru cu preocupări minime de siguranță. Toyota a planificat să-și dezvăluie bateria în stare solidă la Jocurile Olimpice de la Tokyo anul acesta înainte de a fi amânată din cauza pandemiei

Toyota intenționează să fie prima companie care vinde un vehicul electric echipat cu o baterie solidă la începutul anilor 2020. Cel mai mare producător auto din lume se așteaptă să lanseze un prototip anul viitor.