Hybrydowy system awaryjnego zasilania elektrycznego akumulatory

GRZECZKA Grzegorz 1 SWOBODA Paweł 2 BOGUSZ Przemysław 3 Hybrydowy system awaryjnego zasilania elektrycznego akumulatory WSTĘP Każde z dających się przewidzieć działanie ratownicze podczas sytuacji kryzysowej uzależnione jest od źródeł energii elektrycznej. Wymagania zarówno co do mocy, jak i wymiarów, a w szczególności warunków eksploatacji tych źródeł są bardzo specyficzne. Dotychczas najszerzej stosowanymi źródłami energii elektrycznej są akumulatory lub baterie ze względu na ich stosunkowo dużą mobilność. Jednakże z analizy teoretycznych możliwości technologii stosowanych w bateriach pierwotnych i wtórnych wynika, że jako samodzielne źródła zasilania w wielu zastosowaniach nie osiągną one wartości pożądanych w sytuacjach kryzysowych. Dlatego rozpatrywane są alternatywne źródła zasilania które teoretycznie mogą osiągnąć większą wydajność energetyczną z jednostki masy lub objętości/na jednostkę masy lub objętości. Mogą one zastąpić baterie lub poprawiać sprawność całego systemu w układach hybrydowych. Jednak obecnie rozpatrywane alternatywne źródła energii wykazują zalety tylko w ściśle określonych warunkach, dlatego konieczny jest rozwój kolejnej dziedziny automatyzacji i optymalizacji współpracy różnych źródeł energii elektrycznej/układów prądotwórczych. W związku z powyższym, w ramach projektu finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (NCBiR), konsorcjum w składzie: Akademia Marynarki Wojennej, Instytut Metali Nieżelaznych oddział w Poznaniu Centralne Laboratorium Akumulatorów i Ogniw oraz Impact Clean Power Technology, podjęło się stworzenia mobilnego demonstratora systemu zasilania na bazie akumulatorów doładowywanych z alternatywnych źródeł energii. Badania tego demonstratora w warunkach operacyjnych pozwolą wskazać kierunki dalszych badań nad nowoczesnymi źródłami prądu i systemami zarządzania energią dla zastosowań kryzysowych. 1. KONCEPCJA ZASADNICZEJ KONFIGURACJI. W wyniku analiz możliwych rozwiązań funkcjonalnych przyjęto modułową budowę demonstratora, której koncepcja pokazana jest na rysunku 1. W skład demonstratora wchodzić będzie: kilka modułów przenośnych zasilających wyposażenie pojedynczego ratownika, które po połączeniu z tymże modułem mobilnym (przewożonym lub przenoszonym przez grupę) będą mogły z niego uzupełniać energię elektryczną lub zwiększą moc całego systemu, wspomniany moduł mobilny stanowiący magazyn energii i zawierający elementy logiki zapewniające współpracę wszystkich elementów systemu oraz transfer energii. Przyjęta koncepcja zakłada centralne zasilanie wyposażenia ratownika. Jest to rozwiązanie alternatywne do zasilania każdego z urządzeń poprzez dedykowane dla niego baterie. Pozwala na unifikację źródeł, złączy oraz uproszczenie zabezpieczenia logistycznego, które przy dużej liczbie typów oraz krótkim czasie działania pojedynczej baterii jest poważnym ograniczeniem w organizacji całej operacji. Podejście takie wymaga unifikacji układów zasilania urządzeń wykorzystywanych przez ratownika, jednak technicznie nie jest to skomplikowane. Ponadto zintegrowanie w ubraniu ratownika sieci zasilającej oraz złączy mocy i złączy komunikacyjnych pozwala na swobodne konfigurowanie wyposażenia wymagającego zasilania elektrycznego. Moduły przenośne, wykorzystujące wytypowane w kolejnym etapie akumulatory, ładowane będą z modułu mobilnego oraz w przypadku konieczności uzyskania większej mocy źródła, na przykład do 1 Akademia Marynarki Wojennej, Wydział Mechaniczno-Elektryczny, Instytut Elektrotechniki i Automatyki Okrętowej, 81-103 Gdynia; ul. Śmidowicza 69. Tel: + 48 58 6262884, g.grzeczka@amw.gdynia.pl 2 Instytut Metali Nieżelaznych oddział w Poznaniu, Centralne Laboratorium Akumulatorów i Ogniw, 61-362 Poznań; Forteczna 12. Tel. 612797825 pawel.swoboda@claio.poznan.pl 3 Impact Clean Power Technology S.A., ul. Mokotowska 1, 00-640 Warszawa POLAND, Tel. +48 22 758 68 65, przemyslaw.bogusz@icpt.pl 381

oświetlenia terenu akcji, będą tą energię do modułu mobilnego oddawały. Wymaga to właściwej konstrukcji mechanicznej zapewniającej pewne i szybkie połączenie oraz właściwej logiki działania zawartej w interfejsie energoelektronicznym. Rys. 1. Koncepcja demonstratora. Podstawowym zadaniem modułu mobilnego będzie magazynowanie energii. Do tego celu wykorzystane zostaną akumulatory oraz ogniwa paliwowe. Ponadto moduł ten umożliwiać będzie uzupełnianie energii elektrycznej z jej odnawialnych źródeł, takich jak generator napędzany wiatrem czy ogniwa fotowoltaiczne. Ogromne znaczenie dla osiągniecia pożądanego efektu mają bloki energoelektroniczne, opisane jako system zarzadzania energią, oraz system dystrybucji energii. Bloki te muszą zapewnić właściwe wykorzystanie energii ze źródeł oferujących w danych warunkach najlepsze parametry, zapewnić ich optymalne warunki pracy oraz przekierowywać energię elektryczną zgodnie z pokazaną na rysunku logiką. 2. DOBÓR ŹRÓDEŁ ENERGII - AKUMULATORÓW. Przyjęto dwa źródła energii, których parametry teoretycznie pozwala na zbudowanie systemu o zakładanych parametrach: akumulatory oraz ogniwa paliwowe. W zakładzie IMN CLAiO przeprowadzono analizę właściwości wszystkich obecnie dostępnych komercyjnych typów akumulatorów według kryteriów określonych przez oczekiwaną funkcjonalność projektowanego demonstratora [1,2]. Po wstępnej analizie parametrów takich jak gęstość energii na masę ogniwa, żywotność i obsługowość wytypowano trzy rodzaje układów elektrochemicznych: akumulatory niklowo-kadmowe, akumulatory niklowo-wodorkowe oraz akumulatory litowo-jonowe. Następnie przeprowadzono analizę własności eksploatacyjnych tych akumulatorów według następujących kryteriów: pozycja pracy, możliwość szybkiego ładowania, możliwość wyładowania dużymi prądami, odporność na przekroczenie dopuszczalnych warunków ładowania i wyładowania, wpływ temperatury, odporność na zanurzenie w wodzie oraz odporność na udary. Dla wybranych układów elektrochemicznych przeprowadzono obliczenia symulacyjne. Do symulacji przyjęto: układ Ni-Cd - dane katalogowe ogniwa Saft VTE F [3], układ Ni-MH - dane katalogowe ogniwa Saft VHT F [4], układ Li-ion - dane katalogowe ogniwa Kokam SLPB125255255H [5] jako najbardziej standardowe 382

parametry poszczególnych układów. Symulację przeprowadzono dla dwóch teoretycznych scenariuszy użycia modułu mobilnego: praca ciągła 20W przez okres 72h, praca dwupoziomowa 20/50W w czasie 72h. W celu weryfikacji wyników symulacji oraz oceny ogólnej przydatności wytypowanych rodzajów akumulatorów do zastosowania w projektowanym urządzeniu rozpoczęto badania laboratoryjne akumulatorów. Głównym zamierzeniem realizowanych pomiarów było zbadanie rzeczywistych parametrów akumulatorów w krańcowych warunkach temperatury pracy, skuteczności ładowania oraz zdolności oddawania ładunku. Ze względu na możliwość przekroczenia dopuszczalnych parametrów napięciowych na początku badań narzucono warunki brzegowe dla poszczególnych typów akumulatorów. Ogniwa badane były zarówno przy parametrach podawanych przez producenta, jak i zoptymalizowanych parametrach określonych dla modułu zasilania. Badane ogniwa poddane zostały również testom na odporność mechaniczną, które są zgodne z unormowaniami zarówno cywilnymi (UN Tests 38.3) jak i wojskowymi (STANAG/NO). W tabeli 1 zobrazowano porównanie parametrów zarówno teoretycznych (dane katalogowe producenta) [6,7] jak i pomiarowych dla ogniw opartych o wybrane układy elektrochemiczne przeprowadzonych zgodnie z zaleceniem producenta. Na rysunku 2 przedstawiono natomiast wyniki jednego z serii badania wpływu temperatury na pracę ogniwa. Tab. 1. Porównanie różnych parametrów pojemność. Układ Nazwa/typ Pojemność teoretyczna minimalna Faktyczna pojemność badanej grupy ogniw [Ah] [Ah] [%] [Ah] [%] Ni-MH Saft VHT F 10 9,6 96% 9,9 103% 3 Ni-Cd Saft VRE F 8,0 8 100% 7,6 95% 5 Ni-Cd CLAiO 20KSX 25P 30 31 103% 20,8 67% 13 Li-ion Kokam SLPB125255255H Li-ion Panasonic NCR18650B Li-ion Samsung ICR18650 22P Źródło: [3, 4, 5, 6, 7]; badania własne 75 75,7 101% 65,4 86% 6 3,3 3,1 94% 3,1 100% 2,1 2,1 100% 0,7 33% 3 Pojemność po wyładowaniu maksymalnym dopuszczalnym prądem dopuszczalny maksymalny prąd wyładowania [C] Wyładowanie II stopniowe, 2/1 Rys. 2. Odporności ogniw na pracę w temperaturze - 30ºC przy ustandaryzowanych parametrach ładowania i wyładowania. 383

Podsumowanie wyników symulacji i badań prowadzi do wniosku, że masa samych tylko układów elektrochemicznych jest dość znaczna. Jedynie pakiet Li-ion przy wadze ok 12 kg mógłby zapewnić założone 72 godzinne wymagania elektroenergetyczne, pozostałe układy ważyły odpowiednio: układ Ni-Cd: 38 kg, układ Ni-MH: 26 kg. Należy również podkreślić, że choć układy Li-ion zapewniają maksymalną pojemność przy najmniejszej realnej masie całego układu, nie należy zapominać, że ze wszystkich układów branych pod uwagę, akurat te są obarczone najwyższym ryzykiem związanym z użytkowaniem. Dodatkowo zauważalny jest znaczny wpływ temperatury na pojemność ogniw układu Li-X. Całościowo z przeprowadzonej analizy wynika, że w module przenośnym jako główne źródło zasilania powinny zostać zastosowane akumulatory litowo-jonowe, które dysponują najwyższą energią w przeliczeniu na jednostkę masy. Ogniwa te powinny jednak działać w układzie hybrydowym, współpracując z ogniwem paliwowym, co pozwoli na wykorzystanie zalet zarówno ogniwa paliwowego, jak i ogniw Li-ion. Ponadto ze względu na bezpieczeństwo i fakt, że ogniwa o oparte o układy Li-X wykazują najlepszą wydajność w zakresie pracy od +5st. C do +30st. C, aplikacja powinna posiadać układ regulacji temperatury. Koncepcja zarządzania temperaturą modułów opracowana została w ICPT. Dla celów projektu rozpatrywane były dwa rodzaje systemów zarządzania temperatury dla których zostały przeprowadzone testy. W pierwszym przypadku radiator jest w postaci blachy aluminiowej specjalnie wyprofilowanej, dopasowanej do kształtu celi, drugie rozwiązanie polega na zastosowaniu prętów aluminiowych, które znajdują się między celami, odprowadzając i doprowadzając ciepło do płyty radiatora. Rys. 3. Koncepcja 1 systemu zarządzania temperaturą. Aby rozkład temperatur był jak najbardziej równomierny, cała przestrzeń między ogniwami oraz radiatorem wypełniona jest żywicą termoprzewodzącą, która poza poprawą rozkładu temperatury izoluje elektrycznie ogniwa między sobą. Żywica termoprzewodząca charakteryzuję się przewodnością cieplną na poziomie 4W/mK, jest dielektrykiem oraz spełnia test niepalności UL94V0. Jak można zaobserwować, temperatura najcieplejszego ogniwa wynosi ok. 40 stopni Celsjusza i jest to wartość poniżej dopuszczalnej przez producenta maksymalnej temperatury pracy, która wynosi 60 stopni Celsjusza. Jednakże różnica temperatur pomiędzy najcieplejszym (40st. C), a najzimniejszym (16st C.) ogniwem wynosi aż 24 stopnie Celsjusza. Tak duża różnica temperatur w przypadku stosowania baterii złożonej z dużej liczby ogniw jest bardzo niekorzystna i prowadzi do nierównomiernego obciążenia, a w konsekwencji nierównomiernego zużycia ogniw, ograniczając trwałość całej baterii. Jak wynika z testów, zastosowanie prętów jako radiatora daje lepsze wyniki, lepiej rozprowadza ciepło. Po ustabilizowaniu się układu różnica temperatur pomiędzy najcieplejszym, a najzimniejszym ogniwem wynosiła tylko 2 stopnie Celsjusza. 384

Rys. 4. Koncepcja 2 systemu zarządzania temperaturą. Dodatkowo jest rozwiązaniem prostszym i tańszym, dlatego ewentualne zarządzanie termika modułu będzie prawdopodobnie opierało się na tej technologii. Rys. 5. Wyniki pomiaru temperatury pakietu testowego. Powyższy wykres prezentuje rozkład temperatur w modelu badawczym, przy czym w pierwszej fazie badanie prowadzono bez włączonego ogniwa Peltier-a, a w drugiej fazie włączono to ogniwo i odczekano aż do ustabilizowania się układu. Analiza wykresu potwierdza zasadność stosowanie aktywnego układu chłodzenia, gdyż, bez stosowania ogniwa Peltier-a, ogniwa dość szybko przekroczyły maksymalną dopuszczalną temperaturę pracy (60 st. C), osiągając nawet 68 stopni Celsjusza. Dalsza analiza pozwala stwierdzić, że zastosowany układ chłodzenia posiadał wystarczającą wydajność i utrzymywał temperaturę ogniw na bezpiecznym poziomie 45 stopni Celsjusza. Znacznie korzystniejszy jest również rozkład temperatur, gdyż, jak już wspomniano wcześniej, po ustabilizowaniu się układu różnica temperatur wynosiła 2 stopnie Celsjusza, co zapewnia wszystkim ogniwom jednakowe warunki pracy i pozwala wydłużyć czas eksploatacji baterii złożonych z wielu ogniw. WNIOSKI Z przeprowadzonych badań wynika, że przy aktualnych wymaganiach energetycznych i dostępnych technologiach tylko akumulatory litowo-jonowe są realnym wyborem źródła energii dla układu hybrydowego mogącego spełnić wymagania akcji ratowniczych i ewakuacyjnych. Ogniwa te jednak muszą zostać wyposażone zarówno w system zarządzania temperaturą, jak i zaawansowany system logiczny sterujący przepływem energii. Ponadto wnioski z symulacji analiz oraz przeprowadzonych badań wykazują, że kombinowane rozwiązania źródeł zasilania (hybrydowe) pozwalają jednocześnie na właściwe wykorzystanie parametrów ogniw i niwelację negatywnych stron poszczególnych układów elektrochemicznych. 385

Streszczenie (styl streszczenie tytuł) W kontekście sformułowanej potrzeby działania stosunkowo niewielkich sił ratowniczych i ewakuacyjnych w obszarach oddalonych od miejsca bazowania, w artykule zawarto koncepcję mobilnego systemu zasilania na bazie akumulatorów współpracujących z ogniwami paliwowymi, doładowywanych z alternatywnych źródeł energii. Założono, że system składał się będzie z przenośnych modułów o hybrydowej konstrukcji elektrycznej umożliwiających długotrwałe zasilanie sprzętu osobistego ratownika, oraz modułu mobilnego, kompatybilnego mechanicznie i elektrycznie z modułami przenośnymi, zapewniającego uzyskanie dużej mocy dla zasilania urządzeń wspierających akcję ratowniczą. Moduł mobilny umożliwia także doładowywanie systemu z alternatywnych źródeł energii. Niniejszy artykuł zawiera wyniki analizy i doboru akumulatorów oraz elementów niezbędnych do ich optymalnego działania. Akumulatory dobierane są pod kątem współpracy z ogniwem paliwowym jako najbardziej perspektywicznym obecnie mobilnym źródłem energii elektrycznej. Hybrid system for emergency power supply secondary batteries Abstract (styl streszczenie tytuł) The article presents a concept of a mobile power source system applied to small rescue and extract forces operating in remote places, with no base support. The proposed system integrates both batteries and fuel cells with rechargeable option using alternative power sources. It was assumed that the system would be composed of hybrid personal modules allowing long term power supply to personal equipment of a rescuer and a mobile module compatible mechanically and electrically with the personal modules. This combination will ensure high energy output for the equipment used in rescue missions. Moreover, the mobile module will enable charging of the whole system from alternative power sources. The article contains results of analytics and research on batteries and elements that are essential for optimal operation of the rechargeable batteries. The batteries are chosen with respect to integration of fuel cells, considered as the most promising solution in today s state of technology for mobile energy sources. BIBLIOGRAFIA 1. AMW, CLAiO, ICPT, Sprawozdanie merytoryczne z I etapu pracy pt. Hybrydowe źródło zasilania elektrycznego urządzeń wspomagających akcje ratownicze i ewakuację 2. Sarah J. Gerssen-Gondelach, André P.C. Faaij; Performance of batteries for electric vehicles on short and longer term; Journal of Power Sources 212 (2012) 111-129 3. Standard Series Nickel-Cadmium VRE F, Doc. No.: 11084-2-0604 - Published by the Communication Department; 4. VHT F High Temperature Series, Doc No.: 11140-2-0612, Edition: June 2012; 5. SLPB (Superior Lithium Polymer Battery) Technical Specification Model # SLPB125255255H, Document # : KD07-RG14-01, Issue date: 14 July 2009, Revision : A0; 6. NCR-18650B LITHIUM-ION / NNP + HRL TECHNOLOGY, Panasonic Industrial Devices Sales Europe/Winsbergring 15/22525 Hamburg/Website: http://industrial.panasonic.com/eu; [http://www.hurt.com.pl/prods/mactronic/panasonic_3400.pdf dostęp 07.07.2014 7. SPECIFICATION OF PRODUCT for Lithium-ion Rechargeable Cell Model: ICR18650-22P; Spec. No. ICR18650-22P; Version No. 1.0 http://li-ion.unas.hu/shop_ordered/9265/pic/adatlapok/li-ion_iparik/samsung-18650-2.2p-hv.pdf dostęp 07.07.2014 386