Zaloguj
Na początku przypomnijmy, że BDMS jest zaawansowanym układem BMS, różniącym się od układów typowych cechami takimi, jak modułowość, skalowalność i uniwersalność. Dzięki podanym powyżej cechom możemy skonfigurować pakiet bateryjny wyposażony w moduły Slave mające możliwość balansowania pasywnego lub aktywnego. Pozwala to dostosować projektowany układ do naszych potrzeb, biorąc pod uwagę spodziewaną cenę, możliwości techniczne oraz osiągi pakietu bateryjnego. Do głównych korzyści technicznych, które zostaną szczegółowo opisane, należą: zwiększenie ogólnej sprawności ładowania, zwiększenie szybkości balansowania oraz wydłużenie żywotności całego pakietu ogniw zabezpieczonego za pomocą układu BDMS.
Charakterystyka ładowania
W celu lepszego zrozumienia zagadnień poruszanych w artykule na wstępie warto skrótowo przybliżyć charakterystykę ładowania ogniw i akumulatorów litowo-jonowych, w szczególności litowo-żelazowo-fosforanowych. Proces ładowania akumulatora litowo-jonowego można podzielić na trzy cykle zobrazowane na rysunku 1: cykl stałego prądu (CC – Constant Current), stałego napięcia (CV – Constant Voltage) oraz cykl uruchamiany w przypadku naładowanej baterii.
Cykl CC
W trakcie tego cyklu akumulator jest ładowany stałym prądem, natomiast napięcie wyjściowe ładowarki jest wyższe niż nominalne napięcie ładowania akumulatora. Jest to warunek niezbędny, ponieważ zachodzi potrzeba takiej różnicy potencjałów, aby wymusić prąd ładowania o danej wartości natężenia. Kiedy akumulator osiąga maksymalne napięcie bezpieczne, kończy się cykl CC i zaczyna cykl CV.
Cykl CV
W trakcie cyklu CV akumulator jest utrzymywany przy stałym napięciu aż do czasu, gdy wartość prądu ładowania znajdzie się blisko wartości 0 A. W tym cyklu głównie odbywa się balansowanie ogniw akumulatora. Balansowanie może odbywać się na dwa sposoby – aktywnie lub pasywnie. Podczas balansowania pasywnego ogniwa, które osiągnęły zbyt wysoką wartość napięcia, są rozładowywane poprzez specjalny rezystor. W przypadku balansowania aktywnego nadmiarowa energia zgromadzona w danych ogniwach jest aktywnie przekierowywana do ogniw niedoładowanych. Kiedy różnica napięć balansowanych ogniw będzie na tyle mała, że osiągnie wartość dopuszczalną przez ładowarkę i BMS, cykl CV się zakończy i układ przechodzi do cykl naładowanej baterii.
Naładowana bateria
Cykl naładowanej baterii rozpoczyna się zaraz po zakończeniu balansowania i kończy proces ładowania. Podczas tego etapu ładowarka jest odłączona od akumulatora dzięki otwarciu stycznika ładowania.
Realne korzyści
W testach przeprowadzonych na pierwszej produkcyjnej wersji systemu BDMS wykazane zostały realne korzyści techniczne, wynikające z zastosowania balansowania aktywnego. Po pierwsze, obliczono średnią sprawność balansowania aktywnego wynoszącą 86%. Wartość ta oznacza, że 86% ładunku odbieranego z przeładowanych ogniw jest kierowane do ogniw niedoładowanych. Dla porównania, w przypadku balansowania pasywnego cały ładunek nadmiarowy jest tracony na rezystorze (przetwarzany na ciepło). Z danych testowych otrzymanych na podstawie wieloletniego serwisowania akumulatorów litowo-jonowych wynika, że typowo ok. 2,5% energii jest przekazywane do akumulatora w trakcie cyklu CV, w którym najczęściej dochodzi do balansowania. Oznacza to, że sprawność balansowania na poziomie 86% odpowiada zwiększeniu całkowitej sprawności ładowania (oszczędności energii) o ok. 2%.
Drugą z korzyści jest zwiększenie szybkości balansowania o ok. 60...80%. W przypadku akumulatorów o pojemnościach do kilkuset Ah prąd balansowania pasywnego wynosi zazwyczaj od 200...500 mA, a proces balansowania może zajmować do 1 godz. dla każdych 100 Ah pojemności akumulatora. W takich układach typowe różnice w naładowaniu poszczególnych ogniw po cyklu CC wynoszą 0,05%...0,2%. Dzięki zastosowaniu balansowania aktywnego przy prądzie dochodzącym do 1 A można osiągnąć czas balansowania wynoszący poniżej 15 minut dla każdych 100 Ah pojemności akumulatora.
Trzecia korzyść dotyczy zwiększenia żywotności pakietu ogniw przy określonych warunkach użytkowania. Problem skróconej żywotności występuje w przypadku pakietów ogniw, które przez dłuższą liczbę cykli nie są całkowicie naładowane. Typowo, tego rodzaju działanie nie jest zabronione przez producentów akumulatorów litowo-jonowych, jednak może wpłynąć negatywnie na zachowanie całego pakietu.
Jest to spowodowane faktem, że w przypadku balansowania pasywnego proces balansowania trwa przede wszystkim w trakcie cyklu CV. Oznacza to, że jeżeli ogniwa nie są ładowane do pełna, to nie dochodzi do balansowania lub są one balansowane w niewielkim stopniu. Tym samym, w dłuższym okresie ogniwa mogą ulec rozbalansowaniu. W efekcie układ BMS może wcześniej rozłączać możliwość rozładowywania akumulatora, kiedy pierwsze ogniwo osiąga dopuszczalne napięcie minimalne, a inne ogniwa mają jeszcze zgromadzoną energię. Tym samym rzeczywista użytkowa pojemność akumulatora dostępna dla użytkownika spada.
Ponadto rozbalansowane ogniwa są obciążane nierównomiernie, co wpływa na ich zmniejszoną żywotność. W przypadku balansowania aktywnego proces balansowania może zostać uruchomiony w dowolnym momencie, przez co unikamy niedogodności technicznych opisanych dla przypadku balansowania pasywnego. Z opisanych powyżej względów wydłużamy również żywotność całego pakietu ogniw.
Kon-TEC Sp. z o.o.
