Zastosowania akumulatorów bezobsługowych

Transkrypt

1 Zastosowania akumulatorów bezobsługowych Podstawowe źródło zasilania (main power source) telekomunikacja przekaźniki pojazdy, roboty, elektronarzędzia rozruch silników sprzęt foto-wideo-audio, zabawki oświetlenie podstawowe fotowoltaika Zasilanie podtrzymujące lub awaryjne (stand-by / back-up) telekomunikacja stacje bazowe, telewizja kablowa zasilacze bezprzerwowe (UPS) alarmy, sygnalizacja, oświetlenie awaryjne, gaśnice, kontrola położenia zatrzymania (windy) 10

2 Praca cykliczna (cycle charge) Akumulator naprzemiennie: zasila odbiornik jako jedyne źródło ładowany po odłączeniu od odbiornika Czas życia określany liczbą cykli ładowania-rozładowania Parametry eksploatacji wpływające na czas życia: głębokość rozładowania prąd rozładowania metoda (przebieg) ładowania temperatura przerwa między rozładowaniem i ładowaniem (im mniejsza tym lepiej) Czas życia czas, po jakim następuje określona utrata pojemności (zwykle 50%) 11

3 Praca buforowa (trickle charge, float charge) Stale połączone: źródło, akumulator, odbiornik akumulator jest stale podładowywany (kompensacja upływu) stanowi awaryjne źródło zasilania w razie niedostępności źródła Czas życia określany liczbą lat Parametry eksploatacji wpływające na czas życia: napięcie ładowania prąd rozładowania temperatura 12

4 Wpływ parametrów rozładowania na pojemność i czas życia Aktualnie zgromadzony ładunek określa się w % pojemności nominalnej Pojemność nominalna dla temperatury i prądu nominalnego zwykle 20 C i CA/20 I20 (nie CA!) Płytkie rozładowanie DOD do 25% SOC = State of Charge stan ładunku DOD = Depth of Discharge głębokość rozładowania elektrody Pb wzmacniane Ca duży stosunek S/V elektrod większy prąd mniej Pb tańsze Głębokie rozładowanie DOD do 80% elektrody Pb+Sb (antymon) większa grubość, mniejszy stosunek S/V mniejsza obciążalność 13

5 Wpływ czasu składowania Nieodwracalna utrata pojemności powyżej 6 12 mies. (silny wpływ temperatury) Pozostała (resztkowa) pojemność (residual capacity) może być oszacowana przez pomiar napięcia w stanie rozwarcia odłączenie od źródła i odbiornika zalecane na 24 h wcześniej Akumulator musi być odświeżany (wartości dla akumulatorów AGM Panasonic) 14

6 Akumulatory żelowe firmy Sonnenschein 1910 firmę zakłada w Berlinie dr Theodor Sonnenschein, student Maxa Plancka 1957 wynalezienie ogniwa żelowego (Otto Jache) 1978 produkcja komercyjnych ogniw 2 V 15

7 Cechy ogniw żelowych w porównaniu z AGM Większa rezystancja wewnętrzna Kontakt elektrolitu z całą powierzchnią obudowy Niższe napięcie rozwarcia i pracy Niższe napięcie ładowania i większa wrażliwość na za duże w żelu powstają dziury, które zmniejszają pojemność lepsze odprowadzanie ciepła mniejszy wzrost temperatury Wolniejsze samorozładowanie mniejsza obciążalność mniejsza sprawność z powodu strat energii rzadziej wymagane odświeżanie Dłuższy czas życia nawet przy głębokim rozładowaniu 16

8 Zwarcia wewnętrzne Reakcje chemiczne podczas rozładowania stężenie elektrolitu (H2SO4) spada wskutek tworzenia PbSO4 + H2O w niższym stężeniu H2SO4 rozpuszczalność Pb i PbSO4 jest większa Powstają wewnętrzne częściowe zwarcia intensywniejsze samorozładowanie niższe napięcie Ogniwa AGM więcej jonów Pb w elektrolicie podczas ponownego ładowania jony rekonwertują do czystego Pb, jednak częściowo tworząc dendryty tworzywo maty szklanej wspomaga wzrost dendrytów Ogniwa żelowe występuje nadmiar elektrolitu z tego powodu stężenie elektrolitu osiąga zawsze wyższe wartości niż w ogniwach AGM mikropory w separatorze przeciwdziałają tworzeniu dendrytów mniejsza tendencja do tworzenia zwarć oraz samorozładowania 17

9 Odporność na głębokie rozładowanie Test zgodnie z normą DIN akumulator obciąża się opornikiem dającym przy pełnym naładowaniu prąd rozładowania 2 I20 i pozostawia na 30 dni odłącza się opornik i ładuje się akumulator przez 48 h akumulator musi odzyskać co najmniej 75% pierwotnej pojemności Żelowe znoszą głębokie rozładowanie lepiej niż AGM dzięki nadwyżce elektrolitu zżelowany elektrolit wypełnia całą objętość akumulatora w przypadku mat szklanych są one nasycone w ok. 95% (niedobór) dodatkowo stężenie po ponownym ładowaniu jest wyższe obecności separatora z mikroporami ograniczenie zwarć Jednak AGM lepiej znoszą długie składowanie w stanie rozładowanym żelowe mogą trwale utracić pojemność 18

10 Stratyfikacja elektrolitu Nierównomierny rozkład pionowy stężenia kwasu podczas ładowania przy elektrodach tworzy się skoncentrowany H2SO4 większa gęstość niż kwasu rozpuszczonego grawitacja powoduje, że stężony kwas gromadzi się przy dnie efekt szczególnie wyraźny przy pracy cyklicznej Akumulatory otwarte brak możliwości utrzymania kwasu w górnych partiach na koniec ładowania doprowadza się do tworzenia bąbelków H2 celem wymieszania elektrolitu Kwas powinien być absorbowany do elektrolitu zanim opadnie większa skuteczność żelu niż mat szklanych w całej objętości stężenie wyższe niż początkowe 19

11 Rezystancja wewnętrzna Parametr syntetyczny rezystancje połączeń i elektrod zmienna wydajność reakcji chemicznych powodująca zmianę napięcia w funkcji prądu Zależy od temperatury i bieżącego stopnia rozładowania Akumulatory AGM Panasonic Akumulatory żelowe Sonnenschein wartości względne odniesione do θ = 20 C, DOD = 0% / SOC = 100% 20

12 Praca akumulatorów bezobsługowych w niskich temperaturach Pojemność spada wraz z temperaturą W temperaturach ujemnych elektrolit zamarza Odporność na zamarzanie dodatkowe ograniczenie: pojemności w danej temperaturze prądu rozładowania od dołu Pojemność w % nominalnej (w warunkach 20 C, I20) żel zwiększa objętość możliwe pęknięcie obudowy w akumulatorach AGM elektrolit jest związany w matach odporne mechanicznie i elektrycznie po rozmrożeniu pracują poprawnie nie należy ładować zamarzniętego lub częściowo zamarzniętego akumulatora lokalnie większa gęstość prądu możliwe uszkodzenie szczególnie metodą stałoprądową 21

13 Wpływ głębokości rozładowania na punkt zamarzania DOD Tfr (czyli łatwiej zamarza) gęstość względna = 1,28 1,30 dla pełnego naładowania podczas rozładowania spada wskutek zmniejszania stężenia elektrolitu Zapobieganie zamarzaniu jeżeli przewidywana jest praca w ujemnych temperaturach Temperatura zamarzania H2SO4 w funkcji względnej gęstości elektrolitu (względem wody) SOC na koniec cyklu musi być odpowiednio wysoki przewymiarowanie akumulatora zawyżenie napięcia zakończenia rozładowania Temperatura zamarzania H2SO4 w funkcji głębokości rozładowania 22

14 Zasady rozładowywania i ładowania dla pracy cyklicznej Prąd rozładowania powinien wynosić od CA/20 (I20) do (2 4) CA Napięcie rozładowania zależy silnie od prądu rozładowania napięcie mierzone na zaciskach zależy nie tylko od stanu ładunku, ale i prądu Prąd ładowania powinien wynosić od CA/(10 20) do CA/(2,5 3) Napięcie ładowania musi być ograniczone do wartości ok. 2,3 2,5 V/ogniwo (zależnie od technologii i temperatury) 23

15 Metody ładowania dla pracy cyklicznej Stałonapięciowa konieczny szeregowo włączony opornik dla ograniczenia prądu prosty układ, ale dodatkowe straty mocy konieczna ścisła kontrola czasu ładowania Stałego napięcia lub prądu w etapie 1. stały prąd w etapie 2. stałe napięcie stabilizator napięcia z ograniczeniem prądowym (w sprzężeniu zwrotnym) 24

16 Wpływ charakterystyki wyjściowej stabilizatora na przebieg ładowania 25

17 Zasady ładowania dla pracy buforowej Napięcie ładowania powinno być bardzo dokładnie ustalone konieczny pomiar i regulacja po podłączeniu akumulatora do układu ładowania wymagana dokładność miernika 0,5% Skutki niedopasowania napięcia zbyt niskie skróci czas życia zbyt wysokie grozi przeładowaniem emisja gazów, skrócenie czasu życia, uszkodzenie Istotne uwzględnienie wpływu temperatury nawet niewielkie niedopasowanie napięcia może znacząco skrócić czas życia odpowiednie dostosowanie napięcia ładowania akumulator i układ ładowania powinny pracować w tej samej temperaturze lub wymagany zdalny czujnik montowany na akumulatorze 26

18 Metody ładowania dla pracy buforowej Metoda dwuetapowa szybkie ładowanie przy wyższym napięciu (wartość jak dla pracy cyklicznej) utrzymywanym przez układ 1 po wykryciu spadku prądu poniżej określonej wartości włączenie układu 2 dającego mniejsze napięcie ładowania (wartość dla pracy podtrzymującej) umożliwia szybkie uzupełnienie ładunku po zaniku zasilania 27

19 Metody ładowania dla pracy buforowej (cd.) Kompensacja upływu (trickle) gdy napięcie sieci obecne akumulator odłączony od odbiornika, podładowywany dla kompensacji upływu ładunku (nie zawsze ciągle) gdy brak napięcia sieci akumulator przyłączony, zasila odbiornik Pływający akumulator (float) akumulator stale włączony równolegle do odbiornika, poddaje się napięciu w systemie ciągłe podładowywanie źródło awaryjne (jak trickle) dodatkowo gdy Io < IL brakującej energii dostarcza akumulator (Ic < 0) 28

20 Zalecane napięcie, temperatura i czas ładowania Napięcie zależy od trybu pracy Czas ładowania dla pracy cyklicznej Uwzględnienie wpływu temperatury wydłuża czas życia o 15% dla 40 C szacunkowo: tch Qdis / Ich(ini) + tc Qdis DOD przed danym ładowaniem w Ah Ich(ini) początkowy prąd ładowania tc = (3 5) h dla Ich(ini) CA/4; (6 10) h dla Ich(ini) < CA/4 nie należy ładować dłużej Czas ładowania dla pracy buforowej typowo h jest to czas odzyskania SOC=100%, nie ograniczenie (wartości dla akumulatorów AGM Panasonic) 29

21 Podsumowanie wymagań w zależności od trybu użytkowania i metody ładowania 30

22 Łączenie akumulatorów Łączenie w łańcuchy szeregowe Łączenie równoległe wszystkie akumulatory jednakowego typu i o jednakowej historii pierwsze ładowanie osobno lub przez ograniczony czas konieczna okresowa weryfikacja rozkładu ładunku poprzez pomiar napięć dopuszczalna różnica: 0,02 V dla pojedynczych ogniw, 0,04 V dla 6 V, 0,05 V dla 12 V przy stwierdzeniu nierównego podziału konieczne ładowanie równoważące (equalizing charge) tak aby uzyskać SOC=100% dla wszystkich akumulatorów zaleca się do 4 10 łańcuchów szeregowych mogą być różnych typów w poszczególnych łańcuchach wymaga jednakowych rezystancji połączeń przed pierwszym połączeniem upewnić się, że napięcia są identyczne nie zaleca się ładować połączonych akumulatorów pracujących cyklicznie Wszelkie decyzje dotyczące sterowania i utrzymania podejmuje się w oparciu o obserwację najsłabszego akumulatora (najniższe napięcie) 31

23 Znaczenie konfiguracji połączeń 32

24 Znaczenie konfiguracji połączeń (cd.) Zyski z zastosowania opcji 2 Wady opcji 1 identyczna rezystancja połączeń dla każdego akumulatora zrównoważenie prądów ładowania i rozładowania dla każdego akumulatora cykl ładowania/rozładowania kończy się tak samo akumulator bardziej rozładowany rezystancja wewnętrzna rośnie prąd rozładowania maleje samoregulacja rozładowania różne prądy gałęzi; różny prąd ładowania i rozładowania przeładowanie lub niedoładowanie narastające czas życia Opcja 3 krótkie połączenia (ℓ2) mają dużo mniejszy przekrój niż długie (ℓ1) rezystancja przewodów ℓ2 dominuje w każdej gałęzi, co równoważy prądy 33