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

Podobne dokumenty
PRZETWORNICA PAIM-240, PAIM-240R

PL B1. AZO DIGITAL SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Gdańsk, PL BUP 20/10. PIOTR ADAMOWICZ, Sopot, PL

OPIS PRZEDMIOTU ZAMÓWIENIA

MODEL SYMULACYJNY ENERGOELEKTRONICZNEGO ZASILACZA AWARYJNEGO UPS O STRUKTURZE TYPU VFI

Stabilizatory impulsowe

Podzespoły i układy scalone mocy część II

BADANIA SYMULACYJNE PROSTOWNIKA PÓŁSTEROWANEGO

Stabilizatory ciągłe

Część 4. Zmiana wartości napięcia stałego. Stabilizatory liniowe Przetwornice transformatorowe

Prostowniki. 1. Prostowniki jednofazowych 2. Prostowniki trójfazowe 3. Zastosowania prostowników. Temat i plan wykładu WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

Stabilizatory liniowe (ciągłe)

ZASILACZE DO URZĄDZEŃ SYGNALIZACJI POŻAROWEJ, KONTROLI ROZPRZESTRZENIANIA DYMU I CIEPŁA ORAZ URZĄDZEŃ PRZECIWPOŻAROWYCH I AUTOMATYKI POŻAROWEJ

Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej, Zakład Energoelektroniki i Sterowania Laboratorium energoelektroniki

LUZS-12 LISTWOWY UNIWERSALNY ZASILACZ SIECIOWY DOKUMENTACJA TECHNICZNO-RUCHOWA. Wrocław, kwiecień 1999 r.

Układ ENI-EBUS/URSUS stanowi kompletny zespół urządzeń napędu i sterowania przeznaczony do autobusu EKOVOLT produkcji firmy URSUS..

Zbiór zadań z elektroniki - obwody prądu stałego.

Moduł Zasilacza Buforowego MZB-01EL

Magazyn energii w układzie zasilania kolejowej trakcji elektrycznej 3 kv DC

INSTRUKCJA OBSŁUGI ZASILACZ PWS-150RB-xx SPBZ

(57) 1. Układ samowzbudnej przetwornicy transformatorowej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B2 PL B2 H02M 3/315. fig.

INSTRUKCJA OBSŁUGI ZASILACZ PWS-150RB

12. Zasilacze. standardy sieci niskiego napięcia tj. sieci dostarczającej energię do odbiorców indywidualnych

Moduł Zasilacza Buforowego MZB-01

Modelowanie i badania transformatorowych przekształtników napięcia na przykładzie przetwornicy FLYBACK. mgr inż. Maciej Bączek

INSTRUKCJA OBSŁUGI ZASILACZ PWS-100RB-2

KOMPUTEROWE MODELOWANIE UKŁADÓW PRZEKSZTAŁT- NIKOWYCH PRZY WYKORZYSTANIU RÓŻNYCH PROGRA- MÓW SYMULACYJNYCH ANALIZA PORÓWNAWCZA

Przekształtniki energoelektroniczne wielkich mocy do zastosowań w energetyce

Zasilacz stabilizowany ZS2,5

Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice lato 2015/16. dr inż. Łukasz Starzak

INSTRUKCJA OBSŁUGI ZASILACZ PWS-100RB

DŁUGI CZAS DŁUGI CZAS PODTRZYMYWANIA PODTRZYMYWANIA

Badanie przekształtnika impulsowego DC/DC obniżającego napięcie

Własności i zastosowania diod półprzewodnikowych

INSTRUKCJA INSTALACJI

Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej, Zakład Energoelektroniki i Sterowania Laboratorium energoelektroniki

STABILIZATORY NAPIĘCIA STAŁEGO. 1. Wiadomości wstępne

Układy zasilania EUS

MODEL SYMULACYJNY ENERGOELEKTRONICZNEGO STEROWANEGO ŹRÓDŁA PRĄDOWEGO PRĄDU STAŁEGO BAZUJĄCEGO NA STRUKTURZE BUCK-BOOST CZĘŚĆ 2

PL B1. POLITECHNIKA LUBELSKA, Lublin, PL MIEJSKIE PRZEDSIĘBIORSTWO KOMUNIKACYJNE - LUBLIN - SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Lublin, PL

Laboratorium Podstaw Energoelektroniki. Krzysztof Iwan Piotr Musznicki Jarosław Guziński Jarosław Łuszcz

Zasady doboru prostowników do baterii trakcyjnych otwieranych (PzS) i zamkniętych, regulowanych zaworem (PzV)

PSPower.pl. PSPower MULTIFAL (Basic ; PV)

INSTRUKCJA OBSŁUGI. SIŁOWNIA PS-AW-15U-48V/5A/16Ah-KBT. Spis treści 1. WSTĘP 2. OPIS TECHNICZNY 3. INSTALOWANIE, OBSŁUGA, EKSPLOATACJA

ĆWICZENIE 15 BADANIE WZMACNIACZY MOCY MAŁEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

IMPULSOWY PRZEKSZTAŁTNIK ENERGII Z TRANZYSTOREM SZEREGOWYM

PRZEKSZTAŁTNIK REZONANSOWY W UKŁADACH ZASILANIA URZĄDZEŃ PLAZMOWYCH

Ćwiczenie 2a. Pomiar napięcia z izolacją galwaniczną Doświadczalne badania charakterystyk układów pomiarowych CZUJNIKI POMIAROWE I ELEMENTY WYKONAWCZE

Ładowarka UAC-01. Przeznaczenie. Parametry Techniczne

Politechnika Białostocka

12.7 Sprawdzenie wiadomości 225

Przekształtniki napięcia stałego na stałe

Pytania podstawowe dla studentów studiów I-go stopnia kierunku Elektrotechnika VI Komisji egzaminów dyplomowych

BADANIA MODELOWE OGNIW PALIWOWYCH TYPU PEM

CYFROWY REGULATOR PRĄDU DIOD LED STEROWANY MIKROKONTROLEREM AVR *)

Baterie akumulatorów jako potencjalne technologie zasobnikowe w EP

Wyjścia analogowe w sterownikach, regulatorach

I we. F (filtr) U we. Rys. 1. Schemat blokowy układu zasilania odbiornika prądu stałego z sieci energetycznej z zastosowaniem stabilizatora napięcia

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL

Zaznacz właściwą odpowiedź (właściwych odpowiedzi może być więcej niż jedna)

Wykaz symboli, oznaczeń i skrótów

1. Wiadomości wstępne 9

WYMAGANIA EDUKACYJNE I KRYTERIA OCENIANIA Z PRZEDMIOTU POMIARY W ELEKTROTECHNICE I ELEKTRONICE

Elektronika przemysłowa

Specyfikacja techniczna zasilaczy buforowych pracujących bezpośrednio na szyny DC

Akumulator AGM 90Ah/12V

Stabilizacja napięcia. Prostowanie i Filtracja Zasilania. Stabilizator scalony µa723

Krótka informacja o bateriach polimerowych.

STABILIZATORY NAPIĘCIA I PRĄDU STAŁEGO O DZIAŁANIU CIĄGŁYM Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych

ANALOGOWE I MIESZANE STEROWNIKI PRZETWORNIC. Ćwiczenie 3. Przetwornica podwyższająca napięcie Symulacje analogowego układu sterowania

(54) (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 PL B1 C23F 13/04 C23F 13/22 H02M 7/155

Pytania podstawowe dla studentów studiów I-go stopnia kierunku Elektrotechnika VI Komisji egzaminów dyplomowych

ZASILACZ SEPARATOR ZS-30 DTR.ZS-30 APLISENS PRODUKCJA PRZETWORNIKÓW CIŚNIENIA I APARATURY POMIAROWEJ DOKUMENTACJA TECHNICZNO-RUCHOWA

Przetwarzania energii elektrycznej w fotowoltaice. Modelowanie autonomicznych systemów fotowoltaicznych przy użyciu oprogramowania PSpice

Zasilacz. Ze względu na sposób zmiany napięcia do wartości wymaganej przez zasilany układ najczęściej spotykane zasilacze można podzielić na:

Badanie układów prostowniczych

Politechnika Białostocka

BATERIE STACJONARNE SONNENSCHEIN A400 SYSTEMY BATERYJNE DLA TELEKOMUNIKACJI I PRZEMYSŁU.

PL B1. POLITECHNIKA OPOLSKA, Opole, PL BUP 05/18. JAROSŁAW ZYGARLICKI, Krzyżowice, PL WUP 09/18

Magazyn energii elektrycznej - definicja

BADANIE PRZERZUTNIKÓW ASTABILNEGO, MONOSTABILNEGO I BISTABILNEGO

Obwody prądu stałego. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12)Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

ZASTOSOWANIE PRZETWORNICY BUCK BOOST W UKŁADZIE ZAPŁONOWYM CDI

Własności i zastosowania diod półprzewodnikowych

ELEMENTY ELEKTRONICZNE TS1C

APS Właściwości. ZASILACZ BUFOROWY aps-412_pl 04/15

PRZEKSZTAŁTNIK ENERGOELEKTRONICZNY PEŁNIĄCY FUNKCJĘ SPRZĘGU MIĘDZY SIECIĄ ENERGETYCZNĄ A ZESPOŁEM PANELI FOTOWOLTAICZNYCH PV

Przemiennik częstotliwości 1,8 MV A

DOKUMENTACJA TECHNICZNO-RUCHOWA. Zasilacz EL r. -

Przetwornica SEPIC. Single-Ended Primary Inductance Converter z przełączanym jednym końcem cewki pierwotnej Zalety. Wady

Układ ENI-EBUS/ELTR/ZF/AVE

MDR - 10 MDR - 20 MDR - 40

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11)

BADANIA MODELU WIELOPOZIOMOWEGO FALOWNIKA PRĄDU

Część 5. Mieszane analogowo-cyfrowe układy sterowania

Część 3. Magazynowanie energii. Akumulatory Układy ładowania

SUPERKONDENSATOROWO AKUMULATOROWY UKŁAD ZASILANIA Z SZYBKIM ŁADOWANIEM

Ćwiczenie 1b. Silnik prądu stałego jako element wykonawczy Modelowanie i symulacja napędu CZUJNIKI POMIAROWE I ELEMENTY WYKONAWCZE

Rok akademicki: 2013/2014 Kod: EEL s Punkty ECTS: 4. Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: -

Odbiór energii z modułu fotowoltaicznego

PL B1. Sposób zabezpieczania termiczno-prądowego lampy LED oraz lampa LED z zabezpieczeniem termiczno-prądowym

Transkrypt:

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, 80-216 Gdańsk tel: (058) 347 2053 e-mail: 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

- 152-2. 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

- 153 - 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].

- 154 - Tablica 2. Wady i zalety impulsowych ładowarek akumulatorów w porównaniu do urządzeń o pracy ciągłej [2] Parametr Ładowarka o pracy ciągłej Ładowarka impulsowa sprawność 30..45 % 60..90 % 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)

- 155-5. 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) 1.0 0.5 0 0s 2s 4s 6s 8s 10s 12s Time Rys. 5. Wyniki symulacji procesu ładowania baterii akumulatorów - sprawność procesu ładowania

- 156-6. 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 2005. ISBN 83-206-1564-X 2. Ferenczi Ö.: Zasilanie układów elektronicznych. Zasilacze ze stabilizatorami o pracy ciągłej. Przetwornice DC-DC. Warszawa, WNT 1979 3. 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 1996. 6. 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.