Ładowanie i rozładowanie dla technologii niklowych i litowych

Transkrypt

1 Ładowanie i rozładowanie dla technologii niklowych i litowych Szybkość ładowania zależy od prądu dla Li-ion brak kontroli w trybie wolnym gdyż konieczne ładowanie napięciowe Znacząco różny przebieg napięcia podczas rozładowania Nie wszystkie akumulatory są przystosowane do szybkiego ładowania Szybkie ładowanie zawsze wymaga bardziej zaawansowanego układu sterowania tym procesem monitorowanie napięcia, temperatury ograniczenie czasu ładowania 59

2 Metody ładowania akumulatorów litowych Stałe napięcie z ograniczeniem prądowym (szybkie) pierwsza faza stały prąd druga faza stałe napięcie Stałe, niskie napięcie (wolne) Zakończenie po spadku prądu poniżej określonego progu Metody identyczne jak dla Pb-acid możliwość stosowania tych samych sterowników wymagają innych progów oraz jeszcze dokładniejszego ustalenia napięcia ładowania 60

3 Metoda ładowania akumulatorów niklowych Stały prąd przez cały czas Zakończenie po wykryciu (jeden z warunków lub suma logiczna) korzystne dla współpracy z modułami PV du/dt < 0 du/dt = 0 U > Uth dt/dt > (dt/dt)th T > ( T)th Najprostsze układy ładowania mniej złożone niż dla akumulatorów Pb-acid i Li-ion Jednak detekcja pochodnej i pomiar temperatury komplikują 61

4 Analogowo-cyfrowa przetwornica SEPIC do ładowania akumulatorów Zasilanie 5,3 16 V Prąd do 2 A Profile ładowania NiMH, NiCd, Li-Ion Funkcje MCU: zegar dla MCP1631 VREF (PWM + RC) prąd ładowania rodzaj akumulatora napięcie i temperatura akumulatora liczba akumulatora zabezpieczenie OV wyjęcie/przeładowanie UI przyciski i LED 62

5 Scalony sterownik analogowy MCP1631 Zasoby liniowy stabilizator napięcia wzmacniacz błędu zabezpieczenia (OV, UVLO, OT) sterownik bramki (5 V) możliwość realizacji sprzężenia napięciowego lub prądowego Przeznaczenie Rola MCU sterowanie analogowo-cyfrowe współpraca z prostymi i średnio złożonymi mikrokontrolerami częstotliwość przełączania przekształtnika faza sygnału sterującego względem innych bloków ograniczenie współczynnika wypełnienia napięcie odniesienia (zamiast DAC filtrowany PWM) Dużo większa dokładność regulacji wyjścia niż przez zmianę współczynnika wypełnienia PWM o niskiej rozdzielczości w MCU 63

6 Sterowanie procesem ładowania Pętla prądowa (CS) ograniczenie prądowe Pętla napięciowa (VFB) również steruje prądem odpowiada za uzyskanie Icharge Isec(av) = Ibat bocznik nie musi być w szereg z akumulatorem brak strat podczas rozładowania 64

7 Pełny schemat obwód mocy + sterownik 65

8 Pełny schemat obwód mikrokontrolera PIC16F 66

9 Algorytm 67

10 Program generator PWM 68

11 Program parametry ładowania 69

12 Program pętla główna Wykonywana co 1 s Odczyt z dwóch ADC (napięcie, temperatura) średnia z 16 pomiarów Sprawdzenie stanu przycisków Sprawdzenie stanu napięcia i temperatury (dla NiMH/NiCd) Maszyna stanowa on / off / odpowiedni etap ładowania Zapis stanu do pamięci EEPROM 70

13 Program maszyna stanowa, rozruch 71

14 Program maszyna stanowa, NiMH/NiCd od pierwszego IRef==ConditionCurrent do IRefMax==MaxChargeCurrent z krokiem ~100 ma 72

15 Wybór topologii układu impulsowego (1) Przetwornica obniżająca Zalety mała złożoność Wady napięcie wejściowe musi być wyższe od napięcia na akumulatorach + bocznikach i przyrządach półprzewodnikowych ścieżka rozładowania przez diodę podłożową konieczna dodatkowa dioda blokująca prąd wejściowy jest nieciągły zaburzenia elektromagnetyczne może wymagać filtru brak możliwości ograniczenia prądu w razie zwarcia tranzystora konieczny bezpiecznik 73

16 Wybór topologii układu impulsowego (2) Przetwornica obniżającopodwyższająca Zalety napięcie wejściowe wyższe lub niższe od wyjściowego dość prosta jeżeli dopuszczalna odwrotna polaryzacja niemożliwe gdy system stale zasilany z akumulatorów dioda wyjściowa blokuje Wady konieczne 2 pary łączników jeżeli ma nie odwracać polaryzacji złożoność przerywany prąd wejściowy brak możliwości ograniczenia prądu w razie zwarcia tranzystora 74

17 Wybór topologii układu impulsowego (3) Przetwornica zaporowa Zalety Wady specyficzny transformator, na zamówienie niezbędny tłumik przepięcia od indukcyjności upływu większa komplikacja mniejsza sprawność izolacja galwaniczna możliwość zasilania napięciem nie-bezpiecznym napięcie wejściowe wyższe lub niższe od wyjściowego, różnica może być bardzo duża tylko jeden klucz, strony niskiej prostsze sterowanie detekcja prądu na boczniku względem masy dioda po stronie wtórnej blokuje rozładowanie akumulatora łatwo uzyskać kilka napięć wyjściowych (torów ładowania) poprzez kilka uzwojeń wtórnych 75

18 Wybór topologii układu impulsowego (4) Przetwornica SEPIC Zalety Wady dwie pary elementów biernych izolacja jest pojemnościowa identyczne indukcyjności ograniczony stosunek napięć duże obciążenie C1 i Cout (Irms) oraz T (U, I) napięcie wejściowe wyższe lub niższe od wyjściowego nie odwraca polaryzacji tylko jeden klucz, strony niskiej dioda po stronie wtórnej blokuje rozładowanie akumulatora prąd wejściowy jest ciągły brak lub prostszy filtr wejściowy mała emisja zaburzeń elektromagnetycznych akumulator nie zostaje zwarty w przypadku zwarcia tranzystora kondensator sprzęgający C1 działa jak tłumik niepotrzebny osobny cewki sprzężone łatwo dostępne (typowe do filtrów EMI) 76

19 Fizyczne modele akumulatorów Bieżące testowanie układów ładowania i rozładowania jest praktycznie niemożliwe z rzeczywistymi akumulatorami czas ładowania i rozładowania nieprawidłowe działanie niebezpieczne stosuje się modele fizyczne Układy ładowania Układy rozładowania akumulator jest źródłem napięcia można wprost wykorzystać zasilacz DC ręczne lub programowane zmniejszanie się napięcia odzwierciedli rozładowywanie akumulatora może być dowolnie szybkie i głębokie zasilacz musi mieć zdolność pobierania prądu (current sinking) większość jej nie ma! specjalne typy o wyjściu czteroćwiartkowym (U/I +/ ) zasilacze o skróconym czasie reakcji muszą mieć zdolność rozładowania swoich kondensatorów wyjściowych lub należy użyć dodatkowych elementów 77

20 Prosty model ERCD zasilacz DC zapobiega przepływowi prądu z obwodu do zasilacza pochłania prąd w stanie ładowania ale też przejmuje część prądu w stanie rozładowania straty kondensator stabilizuje napięcie Podczas rozładowania U bat=u ps U F opornik Podczas ładowania U bat=max (I ch R ; U ps U F ) dostarcza energię w trybie rozładowania I ch R <U ps(min) U F(max) U bat =U ps U F odpowiada za symulację napięcia I D =U bat /R P D =U bat / R U F akumulatora I R =I ch +U bat / R P R =U bat (I ch +U bat /R ) dioda Ich Idch I R =U bat /R P R =U 2bat /R I D =I R +I dch =U bat /R +I dch P D =(U bat /R +I dch ) U F I dch =U bat / R L (odbiornik R) IR Ubat UF ID Ups 78

21 Wybór rezystancji Wartość R musi odzwierciedlać kompromis między minimalnym napięciem w stanie ładowania a mocą strat w oporniku i diodzie (w obu stanach) ID R P(Ubat) PR IR R Ubat(min) Ubat Ich = 1,5 A ; R = {1; 2,2; 4,7; 10; 22; 47; 100} Ω ; oś X: Ups = 0 15 V 79

22 Złożone modele elektroniczne Konieczne gdy chce się zweryfikować więcej niż poziomy napięć i prądów dynamika (stabilność) wymaga odzwierciedlenia zmian napięcia wskutek dostarczania ładunku w czasie (który może być przyspieszony do ~10 s) zalecany jest także test w czasie rzeczywistym, aby wystąpiły rzeczywiste efekty cieplne (termiczne stałe czasowe są dużo dłuższe niż elektryczne) przebieg napięcia (wyjście pomiarowe) bocznik + rezystancja wewnętrzna pochłanianie prądu ładowania stabilizacja napięcia =f(q)=f( i) całkowanie prądu wzmocnienie prądu rozładowanie przebieg prądu (wyjście pomiarowe) Model ogniwa Li-ion na bocznikowym stabilizatorze napięcia MAX

23 Charakterystyki modelu Li-ion na MAX8515 napięcie początkowe 3 V (typowe napięcie rozładowania) MAX8515 duża dokładność wewnętrznego źródła odniesienia czas osiągnięcia pełnego naładowania (4,2 V): 6 7 s poprawny wpływ prądu skróceniu ulega tylko czas do osiągnięcia trybu CV przełącznik A: U=f( i); B: U=const testowanie w konkretnym pkt. pracy brak symulacji efektów cieplnych nachylenie krzywych = rezystancja wewnętrzna 0,1 Ω Vbat = Vset + I Rsense B, D: Ich = 1 A A, C: Ich = 2 A 81

24 Superkondensatory Nazewnictwo Budowa ultrakondensatory supercapacitors, ultracapacitors, (electro-chemical) double-layer capacitors EDLC elektrody nanorurki węglowe separator porowata folia duża powierzchnia przy małej odległości (~1000 m2/g) Kondensator konwencjonalny Superkondensator elektrolit kwas siarkowy Mechanizmy fizyczne elektrostatyczny (warstwa podwójna) elektrochemiczny (reakcje redoks) 82

25 Warstwa podwójna Tworzy się na granicy fazy ciekłej i innej (np. stałej) Naładowana powierzchnia ciała adsorbuje jony o przeciwnym znaku z cieczy warstwa ładunku powierzchniowego (silnie związanego z ciałem) Ładunek ten przyciąga siłami Coulomba jony znów przeciwnego znaku warstwa dyfuzyjna (jony są luźno związane i nadal poruszają się w cieczy) 83

26 Właściwości i obszary zastosowań Wysoka pojemność w małej V ~0, F (Urat C ) duża W nawet przy niskim U szybkie ładowanie, dostarczanie impulsów prądu (do ~100 A) typowo 2,7/3,3/5,5 V, max. ~12 V często konieczne łączenie szeregowe Wysoka rezystancja szeregowa Niskie napięcie maksymalne Małe elementy Duża moc ~0,1 100 Ω nie nadają się do filtracji Duża upływność składowanie energii raczej na krótki czas (sec min) mały pobór prądu, długi czas podtrzymanie zasilania duży pobór prądu, praca przerywana serwonapędy, nadajniki, LED, przekaźniki krótkie doładowaniarozładowania energia odnawialna, pozyskiwanie energii (energy harvesting) Duże elementy energia odnawialna (wiatrowa, słoneczna) zasilanie bezprzerwowe i korekcja parametrów sieci pojazdy elektryczne, rozruch silników 84

27 Zalety superkondensatorów 85

28 Szczegółowe zastosowania 86

29 Serie produkcyjne 87

30 Wyznaczanie parametrów nominalnych Pojemność układ ładowania (charge system) Pojemność układ rozładowania (discharge system) Rezystancja szeregowa 88

31 Superkondensator w systemie hybrydowym Rola superkondensatora: wspomagający zasobnik energii na czas, gdy chwilowo dostępna energia słoneczna jest większa, niż może przyjąć akumulator Moduł PV Unom = 12 V Isc = 0,65 A Pm = 8,55 W Akumulator LC-R121R3PG Unom = 12 V Qnom = 1,3 Ah (20 h) Imax = 0,52 A Superkondensatory 2 SCSRA1B200RB00MV00 Urat = 2,5 V, Cnom = 200 F Rs = 7 mω; Rp = 280 Ω Qtot,max = 0,139 Ah Wtot,max = 0,347 Wh 0 8,55 W: tch 2,5 min 89

32 Układ równoważenia ładunku Główna przyczyna niezrównoważenia: rozrzut rezystancji równoległej (prądu upływu) Bocznikowy stabilizator napięcia (shunt voltage regulator) tranzystory są wysterowywane tym bardziej, im bardziej napięcie zbliża się do nastawionego (2,5 V na każdym) dokładność wynika z dokładności źródeł odniesienia LMV431 i oporników dzielnika wymagane źródło o niskim napięciu (LMV431: 1,25 V) 90

33 Superkondensator jako tymczasowy magazyn energii w systemie hybrydowym ηw = 77% ηq = 81% 91

34 Technologie wodorowe zasobników energii Duża gęstość energii ( < od ropy, ale > od akumulatorów) Wytwarzanie wodoru Łatwy odzysk energii, gdyż wodór: elektroliza wody ogniwa PV dostarczają napięcia stałego i o wystarczającej wartości dla wysokiej wydajności procesu problem: utrzymanie procesu przy silnie zmiennym nasłonecznieniu woda nie jest dobrym przewodnikiem stosuje się elektrolity łączy się z tlenem tworząc wodę reakcja egzotermiczna bez szkodliwych produktów węglowych spala się też w zwykłym powietrzu wytwarzanie pary np. do napędu turbiny; produktem jest także woda skroplony może być przechowywany oraz transportowany nie ucieka ze szczelnego zbiornika praktycznie brak upływu energii Możliwe magazynowanie i oddawanie energii elektrycznej wodór wytworzony w systemie PV może oddać energię w innej postaci, np. w silniku 92

35 Ogniwa paliwowe Oddawanie energii: reakcja wodoru (reduktora, paliwa) i tlenu (utleniacza) odwrotna do elektrolizy Reakcja jest egzotermiczna konieczne ciągłe dostarczanie reduktora i utleniacza możliwe też inne związki chemiczne mniejsza objętość na cząstkę wodoru, mniejsze zagrożenie zapłonem lub wybuchem ale konieczne przekształcenie produkty C oraz mniejsza sprawność możliwość jednoczesnego zasilania w elektryczność i ogrzewania (CHP Combined Heat and Power) również energia cieplna jest wykorzystana zwiększenie całkowitej sprawności przetwarzania energii słonecznej brak spalania szkodliwych produktów Inne zalety (w porównaniu z akumulatorami i generatorami spalinowymi) wysoka sprawność przetwarzania energii (~50%) brak mechanizmów ruchomych większa niezawodność szeroki zakres temperatur pracy: C; pracując same się podgrzewają, a podwyższona temperatura im nie szkodzi (a sprawność rośnie) długi czas życia 10 lat 93

36 Działanie ogniwa paliwowego Ciągle dostarczane paliwo i utleniacz energia nie jest zgromadzona w samym ogniwie łatwy i dokładny pomiar pozostałej energii ilość (ciśnienie) paliwa brak degradacji gdy nie oddaje energii krótki czas rozpoczęcia generacji energii PEM: H+ Podstawowy typ: z membraną do wymiany protonów (PEM = Proton Exchange Membrane) i polimerowym elektrolitem (PEFC) 94

37 Najpowszechniejsze technologie (1) coal gas gaz koksowniczy (H2 + CO + CH4 + ) 95

38 Najpowszech niejsze technologie (2) 96

39 Najpowszechniejsze technologie (3) 97

40 Sprawność Nie są to maszyny cieplne Spada ze wzrostem prądu nie ma pośredniej generacji energii cieplnej maks. η = 40 60% dla maszyny Carnot, zwykle ~30% dla ogniw paliwowych osiągana ~50% spadek sprawności przejawia się w spadku uzyskiwanego napięcia Kluczowe jest wykonanie elektrod dobry kontakt 3 faz: elektrody, elektrolitu i gazu kataliza reakcji (zwykle Pt) przepuszczanie odpowiednich jonów w odpowiednim kierunku przechwytywanie elektronów i kontakt elektryczny z obwodem zewnętrznym Rośnie ze wzrostem temperatury ogniwa wysokotemperaturowe Zużycie wodoru w ogniwie PEFC o mocy 1 kw 98

41 Mechanizmy strat bezpośrednie przejście paliwa przez katodę (purge, crossover) wewnętrzne przejście elektronów (z ominięciem obwodu zewnętrznego) aktywacja podtrzymanie reakcji na elektrodach słabo zależne od prądu b. małe w wysokiej temperaturze omowe rezystancja jonowa (elektrody, elektrolit, kontakty) wewnętrzne straty elektryczne na zasilanie podzespołów (wentylacja, chłodzenie, sterowanie itd.) transport masy spadek ciśnienia cząstkowego H2 wraz z intensyw nością reakcji, a więc prądem gwałtownie rosną od pewnego natężenia prądu Wartości dla ogniw niskotemperaturowych PEFC, dla średnich prądów 99

42 Urządzenia praktyczne Gaz wejściowy może wymagać przekształcenia w H2 Pojedyncze ogniwa są łączone w stosy (stacks) dla zwiększenia mocy Napięcie stałe może wymagać przekształcenia na przemienne Niezbędne napięcie stałe do rozruchu; może być konieczne do zasilania odbiorników przez czas rozruchu lub zwiększonego zapotrzebowania na energię akumulatory 100

43 Aplikacje ogniw paliwowych Pierwsze ogniwo paliwowe Pierwsze poważne zastosowanie idea Christian Schönbein, 1838 wykonanie sir William Grove, 1839 projekt NASA Gemini ogniwa na czysty zamrożony wodór i tlen, General Electric (1955) Współcześnie urządzenia telekomunikacyjne (komercyjne, opłacalne) komputery pojazdy samochodowe (prototypy) niemiecka łódź podwodna serii 212 (w stanie dryfu) zasilanie (~MW) pojedyncze osiedla lub zakłady 101

44 Opłacalność W porównaniu z akumulatorami ogniwa są drogie, ale jednostka zmagazynowanej energii tania najwyższa opłacalność dla dużego zapotrzebowania na energię a jednocześnie małego na moc Zasilanie zapasowe radiowej stacji bazowej 3 kw (av); 4,5 kw (pk) 12h = 40 kwh Zasilanie zapasowe stacji łączności służb ratowniczych 1 kw (av); 1,5 kw (pk) 5d = 120 kwh 102

45 Elektroliza Zasadniczy elektrolizator budowa jak ogniwo paliwowe, ale odwrotne działanie PEM (katoda) (anoda) zasadowe (katoda) (anoda) 103

46 Właściwości komercyjnych elektrolizatorów Wydajność Ciśnienie wyjściowe samej produkcji wodoru: 80 95% energetyczna: max % koszt energii elektrycznej znaczący Czystość wodoru między 99 a 99,9% bardzo szeroka gama: od <5 do >500 bar musi być dopasowane do zbiornika Czas rozruchu Sprawność 10 kg wody ok. 1 kg wodoru szeroka gama: od <1 do >1000 kg/dzień 1 samochód osobowy zużywa ok. 0,6 kg H2 dziennie przez ok. 1h elektrolizator pobiera pełną moc nie produkując wodoru Zasilanie AC lub DC wymaga dopasowania do źródła dla PV większą sprawność da DC (mniej przekształtników) 104

47 Prototypowy system kombinowany (PV+wiatr) dla stacji paliwowej H2 105

48 Ocena opłacalności stosowania MPPT Udział w kosztach systemu elektrolizy: 15 30% Dodatkowy mniejszy stos umożliwił bezpośrednie połączenie z modułem PV dzięki lepszemu dopasowaniu punktu (napięcia) pracy 106

49 Autonomiczny system fotowoltaiczny wykorzystujący ogniwa paliwowe Wyspa Stuarta 107

50 Instalacja na Wyspie Stuarta (USA, WA) Zasilany jest domek letniskowy Ogniwa paliwowe wykorzysty wane są w dni pochmurne Niezbędne akumulatory (mniej) Elektrolizator (nieoptymalny) zasilanie AC; 1,2 kw; η = 18% napełnia zbiornik w 60 dni 2000 l, 14 atm 73 kwh energii Ogniwo PEM Problemy instalacyjne i eksploatacyjne wynikają głównie z właściwości wodoru Zbiornik na wodór 1 kw; 48 V η = 40%; pmin = 3 atm 29 kwh energii elektrycznej Sprawność PV-gniazdko: 7% zapłon przy stężeniu powietrza 23% (propan 90%) niedopuszczalne zapowietrzenie zbiornika i rur płomień jest niewidoczny małe cząsteczki łatwo wycieka (na szczęście dużo lżejszy od powietrza szybko ulatuje) ciepło wytwarzane przy przeciskaniu się przez zawory powoduje korozję metali i zmęczenie materiałów Konieczne czujniki, zabezpieczenia, dobre materiały, szczelność, czystość 108

51 Porównanie technologii zasobników energii zastosowania jakość energii (power quality) ciągłość (wartość, częstotliwość, zaburzenia) rząd 1 s pomostowe źródła energii (bridging power) na czas przełączania źródeł rząd 1 s 1 zarządzanie energią (energy management) rozdzielenie okresu dostępności i poboru rząd 1h 1d 109

52 Porównanie technologii zasobników energii moc/energia 110