Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Relpol przekaźniki
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Systemy akumulatorowe z łącznikami hybrydowymi

magic9 27 Cze 2019 09:55 2205 7
  • W ostatnim dziesięcioleciu można zaobserwować bardzo silny trend w elektronice użytkowej i motoryzacji związany ze zmianą podejścia do mobilności. W zasadzie miejsce komputerów PC typu desktop zastąpiły przenośne komputery typu laptop, notebook, tablet i inne konstrukcje, wliczając w to najnowsze telefony komórkowe, które zasilane są z akumulatorowych źródeł energii. Podobnie jest w obszarze motoryzacji, gdzie klasyczne rowery, motorowery i inne pojazdy jednośladowe są wyposażane w napęd elektryczny i zasilanie bateryjne. Podobny trend obserwowany jest w pojazdach osobowych i użytkowych, w których napęd elektryczny z zasilaniem akumulatorowym zastępuje powoli dotychczasowe silniki spalinowe. Wspomniane trendy wynikają głównie z rosnącej potrzeby mobilności społeczeństwa, w zakresie zarówno dostępu do informacji, jak i przemieszczania. Ponadto energia elektryczna jest najbardziej ekologiczną i użyteczną formą energii, konwertowaną w najbardziej efektywny sposób na pozostałe formy energii, takie jak energia cieplna, kinetyczna i elektromagnetyczna. Dużym wyzwaniem związanym z użytkowaniem energii elektrycznej jest jej magazynowanie i przechowywanie.

    Współczesne systemy zasilania akumulatorowego w dużej części bazują na ogniwach wtórnych wykonanych w technologii litowej. Ogniwa litowe charakteryzują się najwyższymi obecnie współczynnikami energii właściwej (Wh·kg-1), gęstości objętościowej energii (Wh·L-1) oraz najwyższej aktywności elektrycznej elektrod wyrażanej jako potencjał międzyelektrodowy ogniw naładowanych. Dlatego też, na bazie związków litu wytwarzane są zarówno elektrody, jak i elektrolity komercyjnych ogniw. Nazwy własne i handlowe najczęściej wynikają ze składu chemicznego katody, który ma decydujący wpływ na parametry techniczne ogniw. Najpopularniejsze, komercyjne ogniwa mają katody wykonane na bazie LiCoO2 (skr. LCO) , LiNiO2 (skr. LNO), Li(Ni1-x-yCoxAly)O2 (skr. NCA), Li(Ni1-x-yMnxCoy)O2 (skr. NMC), LiMn2O4 (skr. LMO) lub LiFePO4 (skr. LFP). Materiał elektrod decyduje o dwóch kluczowych parametrach elektrycznych ogniwa: wartości potencjału międzyelektrodowego (napięcia wyjściowego) pojedynczego ogniwa oraz gęstości energii. Produkowane obecnie ogniwa Li-Ion charakteryzują się znamionowym napięciem wyjściowym od 2,2V (LTO) do 4,0V (NMC, LMO), a gęstość masowa energii osiąga wartości w zakresie od 85Wh/kg do 170Wh/kg. Prognozuje się, że w najbliższych latach nastąpi dalszy wzrost tego parametru w konwencjonalnych ogniwach litowo-jonowych do wartości 400Wh/kg. Znaczący progres w rozwoju alternatywnych materiałów elektrodowych i bardzo intensywne badania naukowe wskazują, że tańszą alternatywą dla obecnych rozwiązań, bliską komercjalizacji mogą być ogniwa magnezowo-jonowe. Natomiast, dalszy dwukrotny lub nawet trzykrotny wzrost energii właściwej i gęstości energii będzie możliwy w przypadku komercjalizacji ogniw Litowo-siarkowych, Litowo-fluorowych, litowo-powietrznych i innych bazujących nieustannie na związkach litu.

    Pojemność ogniw (Ah) zależy głównie od objętości i zastosowanych materiałów. Na rynku są dostępne ogniwa w wykonaniu cylindrycznym, pryzmatycznym, typu „pouch” oraz w postaci wkładek akumulatorowych formowanych na potrzeby aplikacji. Ze względu na uwarunkowania techniczne i standaryzację, ogniwa cylindryczne produkowane są w wymiarach gabarytowych od (10x18)mm do (32x67,7)mm i pojemności nieprzekraczającej 6Ah. Ogniwa pryzmatyczne tylko częściowo podlegają standaryzacji i definiują typoszereg F3-F8 o wymiarach nie większych niż 5.6 x 16.5 x 66 mm.

    Pojedyncze ogniwa Li-Ion mają często zbyt małą pojemność i zbyt niskie napięcie znamionowe, aby stosować je jako samodzielne źródła zasilania. Dlatego też, łączy się je w układach szeregowych (xS), aby zwiększyć napięcie wyjściowe lub równoległych (yP), aby zwiększyć pojemność i obciążalność. Najczęściej jednak uzyskanie właściwych parametrów wyjściowych, czyli napięcia wyjściowego i pojemności uzyskuje się na drodze pakietowania ogniw w układach połączeń szeregowo-równoległych (xSyP). W ten sposób realizowane są zasobniki energii o napięciu wyjściowym do 1000V i pojemności przekraczającej nawet 100kWh [10]. Oznacza to, że największe zasobniki mogą być wykonane z kilku, a nawet kilkunastu tysięcy pojedynczych ogniw. Aby uprościć konstrukcję, obsługę i serwis, bardzo często duże pakiety akumulatorowe wykonywane są w topologii połączeń modularnych, czyli poprzez łączenie pakietu z modułów bateryjnych, które stanowią najmniejszy autonomiczny element systemu akumulatorowego. Przykładem modularnej konstrukcji dostępnej na polskim rynku jest system Eco B-Pack firmy BTO (Rys.1).

    Systemy akumulatorowe z łącznikami hybrydowymi
    Rys.1. Moduł ECO B-PACK w konfiguracji połączeń 1S16P.


    Obok ogniw, które są podstawowym komponentem w systemach akumulatorowych należy zwrócić uwagę, że w dużych zespołach akumulatorowych instalowane są systemy zabezpieczeń i zarządzania energią BMS (Battery Management System) oraz systemy kontroli cieplnej systemu akumulatorowego BTMS (Battery Thermal Management System), układy energoelektroniczne sterujące, okablowanie strukturalne oraz szyny połączeń elektrycznych ogniw i modułów w systemy akumulatorowe. Rozbudowana funkcjonalność i monitorowanie realizowana jest zasadniczo poprzez wbudowane oprogramowanie układów BMS, BTMS oraz kontrolerów nadrzędnych podłączanych do systemu BMS/BTMS za pomocą interfejsu magistrali CAN, SMBUS, ETHERNET i innych.

    Jednym z aspektów marginalizowanych przy projektowaniu i konstruowaniu systemów akumulatorowych opartych o ogniwa cylindryczne są układy połączeń elektrycznych ogniw i modułów (Rys. 2).

    Systemy akumulatorowe z łącznikami hybrydowymi
    Rys.2. Fragment łącznika hybrydowego z rdzeniem miedzianym i wstawkami niklowymi
    do zastosowań z ogniwami cylindrycznymi typu 18650.


    Konwencjonalne systemy połączeń wykonane są z blach lub taśm niklowych i zgrzewane rezystancyjnie lub ultradźwiękowo. Wynika to z faktu, że obudowy cylindryczne ogniw również wykonane są z blachy niklowej. W dużych systemach akumulatorowych o wymiarach gabarytowych powyżej kilkunastu centymetrów pojawia się istotny problem rezystancji połączeń oraz rezystancji samych zgrzewów. Przy dużym obciążeniu lub podczas szybkiego ładowania systemu akumulatorowego następuje nierównomierna dystrybucja prądu wewnątrz systemu poprzez rezystancję zależną od długości i jakości połączeń terminala przyłączeniowego i poszczególnych ogniw w systemie akumulatorowym. Opisywany problem zilustrowany został na rysunkach 3a i 3b, na których pokazane zostały mapa termograficzna modułu ECO B-PACK z szyną zbiorczą wykonaną z niklu oraz pojedynczym terminalem przyłączeniowym szyny zbiorczej.

    Systemy akumulatorowe z łącznikami hybrydowymi Systemy akumulatorowe z łącznikami hybrydowymi
    Rys.3. a) Rozkład temperatury ogniw w module akumulatorowym ECO B-PACK z szyną zbiorczą
    niklową przy obciążeniu modułu prądem 3C;
    b) Rozkład temperatury ogniw w układzie z pojedynczym terminalem przyłączeniowym.


    Ogniwa znajdujące się w bezpośrednim sąsiedztwie terminali ulegają znacznie szybszemu i intensywniejszemu nagrzewaniu niż ogniwa wewnątrz modułu. W efekcie efektywność systemu akumulatorowego jest zmniejszona o około 7%, a skrajne ogniwa narażone są na nadmierną eksploatację i przyspieszone procesy starzeniowe związane z samonagrzewaniem.

    Stosując hybrydowe szyny zbiorcze o rezystancji odcinkowej poniżej 1mΩ/dm wykonane z miedzi lub aluminium z powłoką niklową i wstawkami niklowymi firma BTO osiągnęła znaczny wzrost efektywności oferowanych systemów akumulatorowych oraz poprawiła niemal wszystkie parametry eksploatacyjne, jak obciążalność, zwiększona żywotność ogniw i mniejsze straty energii wywołane rezystancją połączeń (Rys. 4).

    Systemy akumulatorowe z łącznikami hybrydowymi
    Rys.4. Rozkład temperatury ogniw w module akumulatorowym ECO B-PACK
    z hybrydową szyną zbiorczą przy obciążeniu modułu prądem 3C.


    Opisywany problem rezystancji szyn zbiorczych jest szczególnie istotny w systemach akumulatorowych o dużym napięciu znamionowym, ponieważ w takim przypadku rezystancja wielokrotnych połączeń szeregowych jest proporcjonalna do liczby ogniw.
    Podsumowując, osiąganie maksymalnej wydajności systemów akumulatorowych wymaga optymalizacji niemal wszystkich komponentów systemu akumulatorowego. Poprzez zastosowanie hybrydowych szyn zbiorczych w modułach akumulatorowych typu ECO B-PACK firma BTO zwiększyła wydajność eksploatacyjną oferowanych systemów akumulatorowych o blisko 8%, oferując tym samym jedne z najbardziej efektywnych źródeł zasilania wykonanych w technologii litowo-jonowej.

    Autorzy:
    Dariusz Bogdański – Prezes BTO SP. z o.o.
    dr Roman Gozdur
    https://www.bto.pl/

    [Artykuł sponsorowany]

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    Zajmuję się głównie publikacją tekstów sponsorowanych. Redaguję i koryguję artykuły. Odpowiadam przede wszystkim za ich poprawność językową - sprawdzam, czy nie zawierają błędów ortograficznych, językowych i typograficznych.
    Specjalizuje się w: redaktor treści elektroda
    magic9 napisał 357 postów o ocenie 124, pomógł 6 razy. Mieszka w mieście Kielce. Jest z nami od 2010 roku.
  • Relpol przekaźniki
  • #2
    hubiwit
    Poziom 25  
    Cytat:
    Celując do elementu aluminiowego, miedzianego, itp. najpewniej zmierzymy temperaturę tego co jest za nami, albo swoją własną, a nie tego, co chcemy zmierzyć.


    Źródło
  • Relpol przekaźniki
  • #4
    hubiwit
    Poziom 25  
    Na razie nic nie sugeruję, tylko zestawiam wiedzę z poprzedniego artykułu z prezentowanymi tutaj wynikami pomiarów. Z chęcią dowiem się jak uzyskano należytą wiarygodność pomiaru w kontekście zjawiska emisyjności opisywanego w poprzednim artykule.
  • #5
    odalladoalla
    Poziom 20  
    hubiwit napisał:
    Na razie nic nie sugeruję, tylko zestawiam wiedzę z poprzedniego artykułu z prezentowanymi tutaj wynikami pomiarów. Z chęcią dowiem się jak uzyskano należytą wiarygodność pomiaru w kontekście zjawiska emisyjności opisywanego w poprzednim artykule.

    W którym momencie pomiaru występuje problem nieuwzględnienia emisyjności detali według ciebie, skoro mierzone są temperatury korpusów ogniw powleczone koszulkami termoplastycznymi o emisyjności θ=0,95.
    Nie mierzone i nieodnoszone są do temperatur "łącznika hybrydowego miedziano-niklowego" bo problemem opisanym w artykule jest podnoszenie się temperatur OGNIW a nie łącznika. Zresztą na termografiach widać to dokładnie. Omawiane jest zjawisko podnoszenia rezystancji na styku-"ogniwo łącznik konwencjonalny" i "ogniwo łącznik hybrydowy" lecz mierzone są "temperatury wydzielane w ogniwach". Emisyjność i problemy poprawnego jej uwzględnienia dla łączników może być pominięta. Wystarczające jest "pokazanie iż jest o rząd wielkości mniejsza jak ogniw".
  • #6
    Michu72
    Poziom 10  
    "W ten sposób realizowane są zasobniki energii o napięciu wyjściowym do 1000V i pojemności przekraczającej nawet 100kWh"

    Po pojemności podanej w kWh przestałem czytać....
  • #7
    Szyszkownik Kilkujadek
    Poziom 35  
    A moim zdaniem pojemność powinno się właśnie podawać w Wh. Jest to jednoznaczna informacja ile energii można z niego pobrać. Nie trzeba wtedy przeliczać Ah x V.
  • #8
    Michu72
    Poziom 10  
    Pojemność to pojemność. A energia to energia.
    To może napięcie będziemy podawać w watach a prędkość w kilometrach :-) przecież to prawie to samo i dziennikarzom będzie wygodniej.
    Niedawno słyszałem w prognozie pogody jak podawali ilość opadów w milimetrach na metr kwadratowy.