ŁADOWANIE BATERII AKUMULATORÓW PRZY WYKORZYSTANIU PRZETWORNICY DC/DC ZE STEROWANIEM MIKROPROCESOROWYM

Transkrypt

1 Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej Nr 21 XV Seminarium ZASTOSOWANIE KOMPUTERÓW W NAUCE I TECHNICE 2005 Oddział Gdański PTETiS ŁADOWANIE BATERII AKUMULATORÓW PRZY WYKORZYSTANIU PRZETWORNICY DC/DC ZE STEROWANIEM MIKROPROCESOROWYM Krzysztof KORYCKI, Jacek SKIBICKI, Daniel SOCZYŃSKI Politechnika Gdańska, WEiA, KTE, ul. Sobieskiego 7, Gdańsk tel: (058) kkorycki@ely.pg.gda.pl jskibic@ely.pg.gda.pl dsoczyn@ely.pg.gda.pl W referacie przedstawiono metodologię procesu ładowania baterii akumulatorów kwasowo ołowiowych, z wykorzystaniem nowoczesnego prostownika impulsowego (przetwornicy DC/DC), sterowanego mikroprocesorem. Zaprezentowano i omówiono wyniki analizy energetycznej i sprawnościowej dla wybranej metody ładowania. Przedstawiono wady i zalety ładowania akumulatorów kwasowo ołowiowych prądem o charakterze impulsowym i wysokiej częstotliwości pulsacji. Zaprezentowano opracowany model matematyczny układu składający się z: modelu baterii chemicznej, przetwornicy DC/DC oraz układu regulacji. Obliczenia wykonano w programie symulacyjnym PSpice, z wykorzystaniem opracowanych modeli matematycznych. 1. WSTĘP Pomimo dynamicznego rozwoju różnych nowoczesnych źródeł energii, takich jak ogniwa paliwowe czy superkondensatory, nadal szeroko stosowanymi zasobnikami energii elektrycznej pozostają baterie akumulatorów kwasowo ołowiowych. Stale rozwijane technologie produkcji a przede wszystkim korzystna cena powodują, że akumulatory kwasowo-ołowiowe są źródłem energii elektrycznej nadal stosowanym m.in. w trakcji elektrycznej do zasilania autonomicznego pojazdu elektrycznego. Użytkowanie akumulatorów kwasowo ołowiowych wiąże się jednak z wieloma problemami. Dotyczy to szczególnie sposobów ich prawidłowego ładowania tzn. takich, które zapewnią przede wszystkim szybkie naładowanie akumulatora nie powodując znaczącego zmniejszenia jego żywotności. Dzięki postępowi w dziedzinie elektroniki, dostępne stały się układy prostowników impulsowych sterowanych przez mikroprocesory. Takie rozwiązanie umożliwiło prawie dowolne kształtowanie charakterystyk ładowania akumulatorów, a co za tym idzie poprawę warunków ładowania. Recenzent: Prof dr hab. inż. Piotr Chrzan, Wydział Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej

2 MODELE Badania symulacyjne wykonano przy użyciu modelu akumulatora przedstawionego na rys. 1. Model ten uwzględnia podstawowe parametry akumulatora kwasowo ołowiowego. W badaniach pominięto zmiany pojemności akumulatora podczas kolejnych cykli ładowania i rozładowania, wpływ temperatury zewnętrznej na parametry akumulatora oraz wpływ nagrzewania spowodowanego stratami przy przepływie prądu ładownia. Nie uwzględniono także pracy baterii akumulatorów w różnych warunkach środowiskowych, zakładając eksploatację baterii w zamkniętym pomieszczeniu. Rys. 1. Uproszczony schemat modelu akumulatora wykorzystanego do obliczeń symulacyjnych pracy impulsowej ładowarki akumulatorów, gdzie: E 0 zmienna siła elektrochemiczna; R22 rezystancja stała materiału elektrod, przewodów łączących itd...; C 0 pojemność pomiędzy elektrolitem, a elektrodami; R 0 zmienna rezystancja elektrolitu. R 0, C 0, E 0 są zależne od stopnia naładowania Tr Rys. 2. Schemat blokowy modelu przetwornicy zaporowej (ang. Flyback) z separacją galwaniczną obwodów wyjściowych użytego w przeprowadzonych symulacjach, gdzie: L indukcyjność impulsowa; C we pojemność wejściowa; C wy1,2 pojemności wyjściowe; L wy2 indukcyjność filtru wyjściowego; IC, IC1 -sterowniki kluczujące tranzystory T i Q1; IC2 obwód sprzężenia zwrotnego napięciowego z separacją galwaniczną; D, CR1, CR2 diody prostownicze szybkie; Tr transformator impulsowy

3 Schemat blokowy ładowarki baterii akumulatorów przedstawiono na rys. 2. Badany model zawiera: przetwornicę z transformatorem impulsowym izolującym obwody zasilania sieciowego od wyjścia ładowarki, filtr wejściowy, prostownik sieciowy, prostownik wyjściowy oraz sterownik. Opcjonalny blok podnoszący napięcie nie został uwzględniony. Model przetwornicy utworzono w programie symulacyjnym PSpice, w którym dokonano także symulacji jej pracy. 3. METODY ŁADOWANIA W tablicy 1 przedstawiono najczęściej stosowane metody ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych. W dostępnej literaturze znaleźć można więcej opisanych algorytmów ładowania [1, 3, 4, 6], jednak większość z nich jest nadal w fazie eksperymentu, lub zaimplementowanie ich w układzie fizycznym wymagałoby wsparcia bardzo zaawansowanym układem sterowania, kontroli i diagnostyki ładowanych akumulatorów. W przeciętnych zastosowaniach inżynierskich metody te nie zdobyły większej popularności. W punkcie 4 dotyczącym sterowania przetwornicą impulsową ładowarki akumulatorów przedstawiono także algorytm implementujący szybką metodę ładowania akumulatorów z doładowaniem końcowym. Jest to metoda coraz częściej stosowana na przykład przy ładowaniu akumulatorów wózków elektrycznych. Ładowanie szybkie jest wykorzystywane przy pracy cyklicznej baterii akumulatorów. Tablica 1. Stosowane metody ładowania akumulatorów [5].

4 Tablica 2. Wady i zalety impulsowych ładowarek akumulatorów w porównaniu do urządzeń o pracy ciągłej [2] Parametr Ładowarka o pracy ciągłej Ładowarka impulsowa sprawność % % masa około 6 kg/100 W 1,5 kg/100 W objętość około 7,5 dm 3 /100 W 1,5 dm 3 /100 W zakłócenia ewentualnie kondensatory przeciwzakłóceniowe konieczne środki konstrukcyjne i filtry 4. STEROWANIE Ze względu na prace buforową baterii akumulatorów wykorzystywanej do weryfikacji eksperymentalnej w układzie ładowarki zaimplementowano tylko metodę ładowania z ograniczeniem prądowo-napięciowym (IU z tablicy 1). Opracowany algorytm został przedstawiony na rys. 3. Po włączeniu ładowarki do sieci następuje pomiar napięcia baterii, od tego napięcia uzależniona jest decyzja rozpoczęciu procesu ładowania. Podczas ładowania działa ograniczenie prądowe, po osiągnięciu przez akumulator napięcia o wartości świadczącej, że został on naładowany (U n ), włączone zostaje ograniczenie napięciowe oraz zabezpieczenie zwarciowe badające prąd akumulatora I bat. START Pomiar napięcia baterii U bat U bat < U n N T Ładowanie baterii prądem I bat = I n Ładowanie baterii napięciem U bat = U n Pomiar prądu baterii I bat T I bat < I n N Awaria STOP Rys. 3. Algorytm sterowania przetwornicą ładowarki baterii akumulatorów dla metody ładowania z ograniczeniem prądowo-napięciowym (IU)

5 WYNIKI SYMULACJI Przebadano proces ładowania pod kątem jego sprawności i poprawności działania systemu sterowania przetwornicą zasilającą. Rys. 4. przedstawia przebieg napięcia akumulatora i prądu ładowania. Widać, że układ regulacji utrzymuje zadaną wartość maksymalnego prądu ładowania do czasu osiągnięcia napięcia równego co do wartości napięciu nominalnemu baterii, po czym jest on ograniczany stopniowo (doładowanie końcowe). Utrzymany został charakter impulsowy prądu, ze względu na działanie odsiarczające [1]. Na rys. 5 przedstawiono przebieg sprawności procesu ładowania w czasie. Przebiegi przedstawiono w jednostkach względnych w odniesieniu do parametrów nominalnych. Widać że sprawność w czasie zmienia się od wartości 55 % do około 90 %. Daje to średnią sprawność ładowania na poziomie około 70 %. Wartość ta jest wyższa od osiąganych w klasycznych układach ładowania baterii kwasowo-ołowiowych [2]. 1,1 0,8 Napięcie akumulatora 0,4 Prąd akumulatora 0 0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s Time Rys. 4. Wyniki symulacji procesu ładowania baterii akumulatorów prąd i napięcie akumulatora. (napięcie znamionowe baterii akumulatorów U n = 216 V, pojemność Q = 28 Ah, prąd maksymalny ładowania I max = 5A) s 2s 4s 6s 8s 10s 12s Time Rys. 5. Wyniki symulacji procesu ładowania baterii akumulatorów - sprawność procesu ładowania

6 WNIOSKI Pokazane wyniki uwidaczniają jak sprawność ładowania baterii kwasowo ołowiowej zależy od przyjętego algorytmu procesu ładowania i topologii układu przetwornicy DC/DC. Przyjęta metoda z ograniczeniem prądowo napięciowym (IU) pozwala na uzyskanie sprawności ładowania na poziomie 80 %. Poziom ten jest znacznie wyższy niż osiągany w klasycznych układach ładowania. Pełniejsze dopracowanie metody ładowania z pewnością pozwoliłoby na dalsze (nieznaczne) podniesienie sprawności. Dodatkowo zaproponowana metoda umożliwia dokładną kontrolę prądu ładowania w zależności od pojemności baterii i aktualnej wartości napięcia na jej zaciskach. Kontrola prądu jest ważna ze względu na trwałość akumulatorów. Układ zapewnia również całkowitą separację galwaniczną obwodu prądu stałego i obwodu zasilającego napięcia przemiennego. Problem trwałości eksploatacyjnej i sprawności energetycznej podczas ładowania baterii akumulatorów, a zwłaszcza akumulatorów trakcyjnych jest istotny, gdyż na pewno udział pojazdów elektrycznych o zasilaniu autonomicznym w ogólnym rynku pojazdów samochodowych będzie wzrastał na skutek wyczerpywania się źródeł paliw kopalnych. 7. BIBLIOGRAFIA 1. Czerwiński A.: Akumulatory, baterie, ogniwa. Wydanie pierwsze. Warszawa WKŁ ISBN X 2. Ferenczi Ö.: Zasilanie układów elektronicznych. Zasilacze ze stabilizatorami o pracy ciągłej. Przetwornice DC-DC. Warszawa, WNT J.Marcos, A. Lago, C.M.Peñalver, J.Doval, A.Nogueira, C.Castro and J. Chamadoira: An approach to real behaviour modeling for traction lead_acid batteries. IEEE 2001 Vancouver 4. Sutanto D., Chan H.L. and Fok C.C.: Battery Model for Use in Electric Vehicles and Battery Energy Storage Systems. EPE 99 Lausanne. 5. Praca zbiorowa: Poradnik inżyniera elektryka. Tom I. Wydanie drugie poprawione. Warszawa WNT Ziętkiewicz Z.: Akumulatory samochodowe i motocyklowe. Warszawa, WKiŁ 1979 Charging the lead-acid batteries using the DC/DC processor controlled pulse converter In this paper are presented the methodology of lead-acid batteries charging with use of the modern processor controlled pulse rectifier (DC/DC converter). Results of the energetic and efficiency analysis of chosen charging method are showed and discussed. Faults and advantages of the high frequency pulse current charging of lead-acid batteries are shown. Also presented the mathematics models of: chemical battery, DC/DC converter and control system. All these models were developed for PSpice simulating program.