Koncepcja stanowiska do badań eksploatacyjnych ogniw chemicznych stosowanych w elektrycznych środkach transportu

Transkrypt

1 Marcin Koniak 1, Piotr Tomczuk 2, Andrzej Czerepicki 3 Politechnika Warszawska, Wydział Transportu Piotr Jaskowski 4 Politechnika Warszawska, Koło Naukowe Elektrotechniki w Systemach Transportowych Koncepcja stanowiska do badań eksploatacyjnych ogniw chemicznych stosowanych w elektrycznych środkach transportu 1. WPROWADZENIE W życiu każdego z nas coraz liczniej pojawiają się urządzenia zasilane energią elektryczną pochodzącą z akumulatorów. Do najpopularniejszych należą zegarki, telefony komórkowe, laptopy, czy przenośne odtwarzacze muzyki. Coraz powszechniejsze stają się środki transportu indywidualnego i zbiorowego korzystające z takiego zasilania. Obecnie na światowym rynku dostępnych jest ponad 30 modeli samochodów elektrycznych, przeszło 10 tzw. mikrosamochodów z jednym lub dwoma siedzeniami oraz również około 20 modeli samochodów o ograniczonej prędkości maksymalnej i niewielkiej mocy. Popyt na takie pojazdy przez klientów indywidualnych powodowany jest modą, chęcią ograniczenia kosztów eksploatacji oraz przekonaniem o ich pozytywnym wpływie na środowisko. Miasta natomiast szukają rozwiązań korzystnie wpływających na lokalne zmniejszenie zanieczyszczenia powietrza, ograniczenie hałasu oraz kosztów związanych z eksploatacją pojazdów transportu publicznego. Wiele z nich testuje i wymienia część taboru lub jak Zielona Góra cały tabor na elektryczne autobusy. Szczególnym zainteresowaniem cieszą się pojazdy hybrydowe, czyli takie, w których napęd realizowany jest w zależności od sytuacji przez silnik elektryczny, spalinowy lub oba jednocześnie. Takie rozwiązanie umożliwia ograniczenie zużycia paliwa, czyli spadek kosztów eksploatacji pojazdu, zachowując duży zasięg pojazdu. Współczesne samochody często posiadają rozwiązanie typu start stop polegające na wyłączeniu silnika w czasie postoju w korku lub w oczekiwaniu na zmianę sekwencji sygnalizacji świetlnej, również w tym systemie wykorzystywana jest energia z akumulatora przez rozrusznik. Do środków transportu zasilanych akumulatorami mogą należeć także tramwaje eksploatowane w miejscach gdzie względy architektoniczne nie pozwalają na wybudowanie sieci trakcyjnej. 2. RODZAJE OGNIW CHEMICZNYCH WYKORZYSTYWANYCH W TRANSPORCIE 2.1. Ogniwa niklowo-metalowo-wodorowe Ogniwo tego typu znalazło zastosowanie w pierwszym samochodzie hybrydowym wprowadzonym na rynek, czyli w Toyocie Prius. Genezą prac nad nimi okazała się konieczność zastąpienia technologii niklowo kadmowej na inną, mniej toksyczną. Gęstość energii takich ogniw wynosi około 120 Wh/kg, a napięcie znamionowe to 1,2 V [1] Ogniwa litowo jonowe Jedne z najczęściej wykorzystywanych ogniw, cechują się wysoką gęstością energii rzędu 160 Wh/kg. Charakteryzują się wysokim napięciem znamionowym 3,6 V. Dodatkowym atutem jest duża liczba cykli pracy i powolny proces samorozładowania. Wadą akumulatorów litowo-jonowych jest brak odporności na 1 koniakm@wt.pw.edu.pl 2 ptomczuk@wt.pw.edu.pl 3 a.czerepicki@wt.pw.edu.pl 4 piotr.jaskowski0@gmail.com Logistyka 4/

2 spadki napięć poniżej 2,4 V, które powodują utratę funkcjonalności ogniwa i mogą prowadzić do jego zniszczenia. W celu wyeliminowania tej wady stosuje się układ sterujący chroniący akumulator przed nadmiernym spadkiem napięcia Ogniwa litowo polimerowe Zasadnicza różnica pomiędzy ogniwami litowo jonowymi i litowo polimerowymi polega na zastosowaniu elektrolitów w postaci stałej. Wykorzystane zostały tu przewodzące polimery, w których znajduje się rozpuszczona sól litu. Rozwiązanie to eliminuje możliwość wycieku elektrolitu. Niestety ogniwa te są bardzo wrażliwe na przeładowanie, które może prowadzić do jego uszkodzenia, a w skrajnej sytuacji zapłonu. Z tego powodu konieczne jest stosowanie systemów rygorystycznie kontrolujących przebieg procesu ładowania. [4] Głównym zastosowaniem tej technologii jest modelarstwo, lecz trwają prace nad przystosowaniem ich do potrzeb transportowych. Napięcie znamionowe równe jest 3,3 V, a gęstość energii dochodzi nawet do 250 Wh/kg Litowo żelazowo-fosfatowe Ogniwa te obecnie zdobywają popularność ze względu na wysoki stopień bezpieczeństwa, jaki zapewnia ta technologia. Dodatkową ich zaletą jest długi czas życia. Charakteryzują się jednak mniejszą gęstością energii niż klasyczne ogniwa litowo jonowe, wynoszącą około 110 Wh/kg. Napięcie znamionowe zaś równe jest 3,2 V. Znajdują zastosowanie w transporcie zwłaszcza tam gdzie istnieje możliwość umieszczenia większego pakietu bateryjnego, przykładem tego mogą być jachty napędzane energią elektryczną. [2] 3. MOTYWACJA BADAŃ Wraz ze wzrostem liczby urządzeń zasilanych z akumulatorów pojawiło się na rynku zapotrzebowanie na konstrukcje dobrane zgodnie z konkretnymi wymaganiami użytkownika. Często prawidłowe wykonanie prototypu pakietu bateryjnego decyduje o dalszych losach całego projektu. Jest to związane z kosztem ogniw oraz ich czasem życia. Przykładowo samochód elektryczny powinien być zasilany akumulatorem o następujących cechach: duży prąd szczytowy, duża pojemność, duża liczba cykli pracy, niska waga, małe wymiary, zapewnienie wysokiego bezpieczeństwa użytkowników. Często te cechy są niemożliwe do spełnienia jednocześnie, należy zatem wybrać najkorzystniejszy kompromis. Trzeba wziąć pod uwagę różne typy chemii ogniw, z których składać się ma docelowy pakiet bateryjny. Różnice wpływające na właściwości eksploatacyjne występują także pomiędzy ogniwami tego samego typu w zależności od serii produkcyjnej lub producenta. Dobór właściwych ogniw opiera się analizie specyfikacji technicznej dostarczonej przez producenta. Znając parametry takie jak: zakres temperatury pracy, dopuszczalne prądy robocze, wymagania związane z bezpieczeństwem, wymagania odnośnie serwisu, zakładany koszt zasobnika, można ocenić, które ogniwa spełniają powyższe wymagania dla rozpatrywanej aplikacji. Zazwyczaj po takiej analizie okazuje się, że kilka typów ogniw może być wykorzystanych do budowy pakietu zgodnie z zakładanymi kryteriami. Wówczas należy dokonać doboru szczegółowego polegającego na przeanalizowaniu takich parametrów jak: wpływ prądu ładowania i rozładowania na dostępną pojemność, 476 Logistyka 4/2015

3 wpływ temperatury na dostępną pojemność, zależność czasu życia od liczby i głębokości wykonanych cykli pracy [3]. Obserwuje się również coraz większe zainteresowanie właściwym doborem zasobników energii do konkretnej aplikacji, nie jak było dotychczas ze strony producenta pakietów, ale klienta takiej firmy. Coraz częściej zdarzają się sytuacje, gdy do zapytania ofertowego dołączona jest charakterystyka np. przejazdu tramwaju elektrycznego, który będzie wykonywany na bateriach. Wybór oferty uzależniony jest wówczas od szczegółowości i kompletności przedstawionej analizy doboru najlepszego rozwiązania. Komplet danych niezbędnych do wykonania opisanych czynności, nie jest niestety jawnie dostępny. Jedyną metodą pozyskania tych brakujących danych jest wykonanie własnych badań. Ilość danych, która konieczna jest do przeprowadzenia doboru zasobnika jest znacząca, a ich zbieranie musi być realizowane na specjalnie do tego zaprojektowanym stanowisku sterowanym komputerowo. 4. BADANE PARAMETRY OGNIW Zgromadzenie bazy parametrów opisujących pracę danego ogniwa dla wszystkich możliwych warunków spełniających zakres parametrów dopuszczalnych przez producenta wymaga bardzo dużej liczby testów i jest niezwykle czasochłonne. Z tego powodu istotne jest zidentyfikowanie ograniczeń zgodnych z warunkami pracy ogniw w planowanej aplikacji. W ich skład wchodzą: dopuszczalne temperatury pracy, dopuszczalne prądy pracy lub ich zakres, zakładana głębokość rozładowania. Taka analiza pozwala ograniczyć liczbę pomiarów i skrócić czas pozyskiwania danych. Aby uzyskać dane, które zostaną wykorzystane do budowy modeli poszczególnych typów ogniw konieczne jest przeprowadzenie serii pomiarów. Pomiary te musza spełniać następujące kryteria: stała czasowa kolejnych pomiarów dla każdego ogniwa musi być możliwie zbliżona, każdy pomiar musi zawierać następujące dane: znacznik czasowy, temperatura ogniwa, prąd pracy, energia przesłana/ odebrana, napięcie ogniwa. Utrzymana musi być wartość między następującymi po sobie pomiarami dla wszystkich ogniw, o którą zmienia się prąd ładowania / rozładowania. Poniżej znajduje się opis każdego parametru, zgodnie z którym mają być wykonywane badania Prąd Prąd pracy jest podstawowym czynnikiem wpływającym na eksploatację baterii. To od jego wartości zależy temperatura pracy ogniw, ich pojemność oraz czas życia. Dlatego zakres jego pomiarów oraz krok pomiarowy musi być dobrany do wartości, w jakich będzie pracowało ogniwo w docelowej aplikacji. Pierwszym etapem jest określenie prądu, od którego zaczynać się będą pomiary i może on zostać przyjęty na poziomie 0,1 A. Następnie trzeba przyjąć krok między kolejnymi pomiarami i może być to również 0,1 A. Badania wykonywane będą do osiągnięcia: maksymalnego dopuszczalnego przez producenta prądu ładowania / rozładowania, lub maksymalnego zakładanego prądu pracy w pakiecie dla danego ogniwa Czas Czas pomiaru musi być rejestrowany od momentu jego rozpoczęcia do zakończenia procesu. Jako krok czasowy między kolejnymi pomiarami można przyjąć wartość 5 s. Parametr ten jest niezbędny do kontroli Logistyka 4/

4 postępu zbierania danych pomiarowych oraz czasu trwania pomiaru, umożliwi on także weryfikację kompletności zebranych wyników Napięcie Każde ogniwo musi być testowane tylko i wyłącznie w zakresie napięć podanych w jego karcie katalogowej przez producenta, jako bezpieczne. Sprawdzone zostanie, w jakim zakresie napięć ogniwo osiąga pojemność podaną przez producenta i w takim zakresie będzie ono testowane. Istotny jest również sposób pomiaru napięcia, ponieważ pomiar na wyjściu urządzenia testującego może być obarczony błędem związanym ze spadkami napięć na przewodach zasilających oraz wszystkich występujących tam połączeniach np. zamontowanym bezpieczniku, czy złączach Liczba cykli pracy Każdy typ ogniw zostanie poddany testom mającym na celu określić ich rzeczywistą liczbę cykli pracy. Badania takie polegać będą na przeprowadzeniu serii pomiarów ładowania i rozładowania z określonymi prądami roboczymi, aż do osiągnięcia ubytku pojemności równego 30% pojemności początkowej. Badania takie planowane są dla określonych głębokości rozładowania, odpowiadających pracy w pełnym zakresie pojemności, jej połowie oraz w tak zwanych mikrocyklach Wyniki pomiarów Wynikiem pomiarów jest dla każdego ogniwa katalog zawierający komplet danych pomiarowych zebrany dla każdego prądu. Badania będą realizowane na stanowisku złożonym z czterech niezależnych układów pomiarowych. Każde z nich wykonywać będzie badania wg własnego programu dostosowanego do parametrów eksploatacyjnych podanych przez producenta. Nadzór nad badaniami możliwy będzie z poziomu komputera. 5. WARUNKI PRZEPROWADZENIA TESTÓW Dla otrzymania wiarygodnych wyników pomiarów istotne są warunki przeprowadzania testów. Podstawowym parametrem, który należy stale kontrolować jest temperatura otoczenia. Wszystkie badania będą prowadzone w komorze termicznej stabilizującej temperaturę zewnętrzna na poziomie 21ºC. Ogniwa można umieścić w termoprzewodzącej cieczy lub połączyć z radiatorem by umożliwić efektywną wymianę ciepła z otoczeniem. W czasie badań konieczny jest także ciągły pomiar temperatury ogniw. Podyktowane jest to względami bezpieczeństwa. Ogniwa, które będą badane w przypadku uszkodzenia zaczynają się gwałtownie ogrzewać, dlatego w urządzeniu pomiarowym musi być ustawiona temperatura awaryjnego przerwania pracy, gdy wykryty zostanie jej nadmierny wzrost. Temperatura ta nie może być większa niż 45ºC. 6. SYSTEM INFORMATYCZNO POMIAROWY Podstawowym procesem realizowanym w systemie pomiarowym jest ładowanie oraz rozładowanie ogniwa. Jest ona podłączona do ładowarki w sposób umożliwiający przeprowadzenie obu procesów oraz sterowanie nimi. Kontrola odbywa się w sposób wizualny za pośrednictwem ekranu wbudowanego w ładowarkę lub za pomocą komputera pomiarowego podłączonego do ładowarki poprzez kabel szeregowy USB. Do ładowarki są przekazywane sygnały sterujące oraz odczytywany jest jej aktualny stan pracy. 478 Logistyka 4/2015

5 Rys. 1. Komponenty systemu informatyczno pomiarowego Źródło: opracowanie własne Komputer pomiarowy jest komputerem przenośnym typu laptop. Są na nim zainstalowane aplikacje wspomagające proces zarządzania ładowarką. Aplikacja monitorująca jest narzędziem bieżącej kontroli stanu pracy ładowarki i przedstawia w postaci graficznej istotne parametry takie jak napięcie lub prąd oraz ich zmiany w czasie. Aplikacja sterująca służy do automatycznego nadzorowania parametrów procesów oraz zmiany wykonywanego programu w zależności od osiągnięcia wartości krytycznej jednego z monitorowanych parametrów. Dla przykładu: po ukończeniu procesu ładowania baterii ładowarka wysyła sygnał, który jest analizowany i przetwarzany przez aplikację sterującą, po czym wysyła ona polecenie zmiany programu bieżącego na rozładowanie baterii z zadanymi charakterystykami. Aplikacja eksportująca dane działa w trybie przetwarzania pakietowego i pozwala na przekazanie danych zarejestrowanych na komputerze pomiarowym, do dalszej obróbki oraz analizy. Rola użytkownika w systemie polega na: definiowaniu programów dla procesów ładowania oraz rozładowania, konfiguracji aplikacji sterującej tymi programami, monitorowania poprawności działania aplikacji oraz ładowarki, a także obróbce danych eksportowanych przez system informatyczny. 7. PODSUMOWANIE Przedstawiona koncepcja stanowiska do badań eksploatacyjnych ogniw chemicznych stanowi podstawę do budowy rzeczywistego systemu pomiarowego. Kolejnym krokiem realizacji systemu będzie dobór urządzeń spełniających przedstawione powyżej założenia w zakresie wykonania testu, jego rejestracji i sterowania, komunikacji z użytkownikiem zarówno z poziomu urządzenia, jaki i komputera poprzez interfejs USB. Wykonane stanowisko będzie służyło do zbierania danych eksploatacyjnych ogniw w ramach projektu Innowacyjny jacht z hybrydowym napędem zasilanym z odnawialnych źródeł energii Logistyka 4/

6 realizowanego na Wydziale Transportu Politechniki Warszawskiej. Zebrane dane posłużą do budowy modeli komputerowych ogniw chemicznych na potrzeby dobory do pakietu bateryjnego, oraz analizy ich pracy dla zdefiniowanych cykli rejsu. Projekt finansowany jest przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu ERA NET TRANSPORT Streszczenie Coraz większa liczba środków transportu napędzana jest silnikami elektrycznymi czerpiącymi energię z akumulatorów. I to właśnie one stanowią obecnie największe wyzwanie dla tej gałęzi techniki. Prawidłowy dobór i eksploatacja mogą znacząco wydłużyć ich życie. Dlatego zwiększa się zainteresowanie prognozowaniem czasu eksploatacji akumulatorów w konkretnych aplikacjach. W artykule autorzy przedstawiają rodzaje ogniw chemicznych wykorzystywane w środkach transportu. Następnie omówione zostały kluczowe parametry ich pracy, które rejestrowane będą podczas testów. W artykule zamieszczono koncepcję stanowiska laboratoryjnego do badań parametrów ogniw w ramach projektu Innowacyjny jacht z hybrydowym napędem zasilanym z odnawialnych źródeł energii. Przedstawiono proces gromadzenia bazy parametrów oraz warunki przeprowadzenia testów. Prawidłowym przebiegiem badań zarządza autorsko zaprojektowany system informatyczny. Słowa kluczowe: pojazdy elektryczne, pakiety bateryjne, transport miejski The concept of testing set up for exploitation tests of chemical cells used in electric transport Abstract More and more means of transport are powered by electric engines supplied by batteries. Those batteries are the biggest challenge for this field of technology. Proper assortment and exploitation can significantly extend their life cycle. For this reason, the interest in forecasting battery life cycle in specific applications increased. The authors present in the article chemical types of batteries used in different types of transport. Next topic is the most important work parameters that will be registered during tests. The article contains the concept of lab workplace concerning the tests of battery parameters in the context of project "Innovative yacht with hybrid drive, fueled by renewable energy sources". The process of gathering parameter s base and the conditions of conducting the tests are presented in the present text. An original informatics system manage the proper progress of the research. Keywords: electric vehicles, battery pack, urban transport LITERATURA [1] Riezenman, M.J., "The search for better batteries," Spectrum, IEEE, vol.32, no.5, pp.51,56, May 1995 [2] Jiayuan W., Zechang S., Xuezhe W., "Performance and characteristic research in LiFePO4 battery for electric vehicle applications," Vehicle Power and Propulsion Conference, VPPC '09. IEEE, vol., no., pp.1657,1661, 7-10 [3] Guena, T., Leblanc, P., How Depth of Discharge Affects the Cycle Life of Lithium-Metal-Polymer Batteries, Telecommunications Energy Conference, INTELEC '06. 28th Annual International, vol., no., pp.1,8, Sept. [4] Binkiewicz A. Dobór parametrów baterii litowo -polimerowych w mieszanych systemach zasilania Opracowanie nr 334/Z5 z pracy statutowej Instytutu Łączności, Warszawa Logistyka 4/2015