Li ion
Transkrypt
Li ion
Sprawność ładunkowa a energetyczna ● Podczas ładowania konieczne dostarczenie większego ładunku niż odprowadzony podczas rozładowania ● główny powód: stratyfikacja – gdyby dostarczyć taki sam ładunek, na dole pozostałby nadmiarowy PbSO4 nie zrekonwertowany do Pb katody typowy mnożnik – współczynnik ładowania (charge coefficient, charge factor): żelowe x1,05; AGM x1,08; otwarte x1,20 Sprawność ładunkowa (Ah) ηQ = ● Q discharched Q charged jej odwrotność będzie współczynnikiem ładowania, np. 1,05 ⇔ 95% Sprawność energetyczna (Wh) ηW = W discharche W charge W =Q⋅U ( jeżeli U ≈const) ⇒ ηW ≈ Q discharched⋅U av,discharge Q charched⋅U av,charge Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 34 Sprawność – przykład tdch [h] ● Parametry akumulatora: pojemność Q10h (C) = 100 Ah sprawność ładunkowa ηQ,10h = 95% ● współczynnik ładowania kQ,10h = 1/ηQ = 1/0,95 = 1,05 Ri = 6,5 mΩ Udch,min [V] Rozładowanie całkowite przez czas nominalny tj. 10 h DOD = 100%, SOC = 100%→0% Qdch = Q10h = 100 Ah prąd I10h (CA/10) = 10 A szacujemy: Ubat = Uoc − Ri∙I SOC=100% ⇒ Uoc = 2,15 V ⇒ Ubat = 2,15 V − 6,5 mΩ ∙ 10 A = 2,085 V SOC=0% ⇒ Uoc=1,98 V ⇒ Ubat=1,915 V Uav,dch = (2,085 + 1,915) / 2 = 2,00 V Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 35 Sprawność – przykład (cd.) ● Ładowanie zalecanym napięciem 2,25 V (na ogniwo) z ograniczeniem prądu do wartości I10h (CA/10) ● czas ładowania z charakterystyki ~30 h uwzględniając współczynnik ładowania: tch = 30 h ∙ kQ (=1,05) ≈ 32 h z charakterystyki ładowania napięcie wzrasta od 2,1 V do 2,25 V w ciągu 9 h ⇒ średnia 2,17 V następnie pozostaje praktycznie stałe 2,25 V przez 32 h − 9 h = 23 h średnia (2,17∙9+2,25∙23)/32 = 2,23 V Doprowadzony ładunek Qch = Qdch ∙ kQ = 105 Ah charakterystyka przykładowa dla innego akumulatora i większego prądu ładowania (~20 A): napięcie wzrasta w ciągu 3 h od 2,15 V do 2,25 V (zaniedbując początkowy krótkotrwały odcinek od 1,7 V) η Q ,10h =95 % η W ,10h= 100 Ah⋅2,00 V =85 % 105 Ah⋅2,23 V Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 36 Ogólne zasady użytkowania akumulatorów bezobsługowych ● ● ● ● ● ● ● Nie zamykać w szczelnych obudowach i zamkniętych pomieszczeniach (możliwa emisja gazu, szczególnie w sytuacji anomalii) Dobrze znoszą ruch, trochę gorzej drgania, źle zmianę orientacji (zawór), chociaż niektóre konstrukcje można montować przechylone do 90° Izolować od metalowych obudów (rozlanie elektrolitu – ryzyko reakcji) Umieszczać z dala od płomieni i iskier Umieszczać z dala od elementów grzejących (się), nie wystawiać na oddziaływanie słońca (przegrzanie, wybuch, zapłon, wyciek) Mogą być ładowane od pełnego rozładowania (ale zaleca się DOD ≤ 50%) Czas życia określa spadek czasu rozładowania (a więc pojemności) o 50% ● dłuższa eksploatacja – ryzyko pęknięcia akumulatora i wylania elektrolitu Temperatura nigdy nie powinna przekraczać 50 °C deformacja obudowy (zwykle z żywic sztucznych) skrócenie czasu życia Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 37 Scalony sterownik ładowania akumulatorów VRLA ● ● ● BQ24450 (Texas Instruments) Regulacja napięcia akumulatora i prądu ładowania Zewnętrzny tranzystor ● minimalizacja mocy strat w sterowniku zwiększenie maksymalnego prądu ładowania wydajność DRVC 25 mA Złożony, optymalny przebieg ładowania zwiększenie pojemności wydłużenie czasu życia ● Realizowalne różne metody ładowania stałe niewielkie napięcie (tryb float) ładowanie dwustopniowe (boost → float) stałym napięciem z ograniczeniem prądu dwustopniowe ładowanie stałym prądem Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 38 Źródło napięcia odniesienia ● ● Wysoka precyzja Charakterystyka temperaturowa ● dobrana tak, by kompensować wpływ temperatury na napięcie na ogniwach kwasowoołowiowych maksymalizacja pojemności zwiększenie bezpieczeństwa akumulatora podczas ładowania Zintegrowany czujnik temperatury otoczenia wykorzystanie możliwe dzięki małemu poborowi mocy przez układ (1,6 mA) – zaniedbywalne samonagrzewanie Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 39 BQ24450 – budowa wewnętrzna i sprzężenia pętla sprzężenia prądowego V(IN) − V(IFB) = VILIM = 250 mV pętla sprzężenia napięciowego V(VFB) = VREF = 2,30 V stabilizator napięcia z ograniczeniem prądowym (pętla napięciowa wymaga zewnętrznej kompensacji poprzez pin COMP – zależnie od wzmocnienia QEXT) zawsze „zwycięża” jedna z pętli zabierając część prądu bazy Q1 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 40 BQ24450 – stany pracy stan bieżący na przerzutnikach L1 i L2 zależy od VFB, UVLO i BSTOP dostępny na STAT1 i STAT2 komparator prądu daje 0 gdy V(ISNSP)−V(ISNSM) < VISNS = 25 mV może być użyty do zmiany trybu ładowania z szybkiego (boost) na pływający (float) poprzez wejście BSTOP układ UVLO (stan wyprowadzony na pin 7 PGOOD) załącza sterownik, gdy V(IN) > 4,5 V Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 41 Działanie IMAX-CHG = VILIM / RISNS ITAPER = VISNS / RISNS VBOOST = VREF · (RA + RB || RC) / (RB || RC) VBI = 0,95 VREF · (RA + RB || RC) / (RB || RC) = = 0,95 VBOOST VFLOAT = VREF · (RA + RB) / RB VRCH = 0,9 VREF · (RA + RB) / RB = = 0,9 VFLOAT stan tranzystora Q (ON ↔ L, OFF ↔ H) Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 42 Ładowanie wstępne dla głęboko rozładowanych akumulatorów: kiedy V(CE) < VREF, pin PRE-CHG staje się źródłem niewielkiego prądu przez Q5 (zasilany z VIN), zaś Q1=OFF poprzez Q3 VBOOST = VREF · · (RA + RB + RC || RD) / (RC || RD) VFLOAT = VREF · (RA + RB + RC) / RC VBI = 0,95 VBOOST VRCH = 0,9 VFLOAT IPRE = (VIN − VPRE − VBAT) / RT gdzie VPRE – spadek napięcia na Q5 i diodzie VTH = VREF · (RA + RB + RC || RD) / (RB + RC || RD) Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 43 Modyfikacje Dowolny stosunek IMAX‑CHG / ITAPER Poprzednio sztywny = = VILIM / VISNS = = 250 mA / 25 mA = 10 gdyż ten sam bocznik RISNS Eliminacja wstecznego rozładowywania akumulatora: ● przez Q EXT – dioda DEXT ● przez dzielnik – R C do wyjścia PGOOD (Q7 wyłączony kiedy brak / zbyt niskie zasilanie) Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 44 Dobór tranzystora zewnętrznego ● Wytrzymałość napięciowa ● Wytrzymałość prądowa – chłodzenie ● UCE(Imax-chg; IQ1(max)) < ∆Umin = = Uin(min) − Ubat(max) − URISNS(Imax-chg) −UDEXT(Imax-chg) Moc strat w sterowniku PD ● βF(Imax-chg) > Imax-chg / IQ1(max) (IQ1(max) = 25 mA) Spadek potencjału – minimalna wymagana różnica napięć ∆U = Uin − Uout ● PQ(adm) > PQ(max) = (Uin(max) − Ubat(min)) ∙ Imax-chg + UBE ∙ Imax-chg / βF Wzmocnienie prądowe ● UCE(rat) > ∆Umax = Uin(max) zależy od prądu bazy, który może być ustalany zewnętrznym opornikiem Rθ ≈ 100 °C/W, Tj(max) = 150 °C (zalecane 70 °C) Kompensacja napięciowego sprzężenia zwrotnego od tranzystora zależy typ kompensacji i wartości elementów Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 45 Konfiguracje tranzystora zewnętrznego ● Pojedynczy PNP w konfiguracji wspólnego emitera ● osobne zasilanie obwodu bazy ⇒ może pracować z bardzo małym ∆U = UCE małe wzmocnienie ⇒ wymagany duży prąd Q1 PNP w konfiguracji quasi-darlingtona wymagane większe ∆U do zasilenia obwodu bazy: ∆U ≥ UBE,QEXT + UCE,Q1+R + RP ∙ IQ1(max) Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 46 Konfiguracje tranzystora zewnętrznego (cd.) ● PNP w konfiguracji quasi-darlingtona ● możliwość wysterowania dużo większych prądów duże wzmocnienie ⇒ małe pasmo (częstotliwość odcięcia) ⇒ wymaga kompensacji obwodem RC największy spadek na tranzystorze UCE1+UBE2 Pojedynczy NPN w konfiguracji wspólnego kolektora (wtórnika emiterowego) największe ∆U wymagane do wysterowania QEXT Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 47 Przykład projektowy (1) Akumulator LC-R064R5P (VRLA AGM): 6 V, 3,4 Ah Zasilanie ze źródła napięcia stałego o wartości 8…13 V Urządzenie zasilane podłączone na stałe do systemu; normalnie zasilane ze źródła VIN ; akumulator wykorzystywany w trybie czuwania (stand-by), wówczas obciążenie maksymalne 250 mA = 0,06 CA Zalecenia producenta akumulatora (karta katalogowa): Minimalne napięcie rozładowania @ 0,25 A Napięcie w trybie pływającym (float = trickle) środek przedziału Napięcie w trybie szybkiego ładowania (boost = cycle) środek przedziału Maksymalny prąd szybkiego ładowania przyjmujemy 5,25 V VTH 6,8…6,9 V 6,85 V VFLOAT 7,25…7,45 V 7,35 V VBOOST 0,1…0,4 CA = 0,34…1,36 A 0,2 CA = 0,68 A IMAX-CHG Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 48 Przykład projektowy (2) Minimalna dostępna różnica napięć: ∆U = Uin(min) − Ubat(max) − UDEXT − URISNS(max) = = 9 − 7,35 − 0,7 − 250m (napięcie odniesienia dla IFB) = 0,65 V → pojedynczy tranzystor PNP OE Prąd dzielnika w stanie FLOAT musi być: ● większy niż prąd polaryzacji wejść CE i VFB + prąd upływu końcówki STAT1 ● na tyle mały, by napięcie na końcówce PGOOD nie zmieniło znacząco działania układu (idealnie ujemny koniec RC powinien być na masie, więc VPGOOD ≪ Vbat(min)) Warunki te spełnia prąd 50 µA. Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 49 Przykład projektowy (3) IPGOOD = VVFB / RC W stanie FLOAT VVFB = VREF = 2,30 V (w stanie BOOST może być mniej, więc wymagany prąd IPGOOD nie będzie przekroczony) → RC = VREF / IPGOOD(max) = 2,30 / 50µ = 46,0 kΩ Ze względu na konieczność precyzyjnego ustalenia napięcia ładowania, wymagane rezystory 1% (E96) → 46,4 kΩ Z wcześniej wyprowadzonych wzorów: VFLOAT = 6,85 V = VREF · (RA + RB + RC) / RC → RA + RB = 91,79 kΩ ( VRCH = 0,9 VFLOAT = 6,17 V ) VBOOST = 7,35 V = VREF · (RA + RB + RC || RD) / (RC || RD) → RD = 422 kΩ → 422 kΩ ( VBI = 0,95 VBOOST = 6,98 V ) VTH = VREF · (RA + RB + RC || RD) / (RB + RC || RD) → RB = 16,72 kΩ → 16,9 kΩ RA = 91,79 kΩ − 16,9 kΩ = 74,89 kΩ → 75,0 kΩ Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 50 Przykład projektowy (4) Prąd ładowania wstępnego (pre-charge) nie może przekraczać wydajności wyjścia PRE-CHG, przyjmujemy 10 mA Spadek potencjału na wyjściu PRE-CHG (od VIN): VPRE = 2 V Maksymalny prąd – przy minimalnym napięciu na akumulatorze (DOD = 100%); prąd ładowania będzie niewielki (10 mA = 0,003 CA), więc można zastosować napięcie rozwarcia Voc Dla AGM Voc średnio 1,75 V/ogniwo → 5,25 V dla akumulatora 6 V; jest to wartość średnia, więc zaokrąglamy w dół do 5 V IPRE(max) = (VIN(max) − VPRE − VDEXT − Vbat(min)) / RT → RT = (13 − 2 − 0,7 − 5) / 10m = 530 Ω Rezystancja bocznika IMAX-CHG = VILIM / RISNS → RISNS = 250m / 0,68 = 0,37 Ω → 360 mΩ (E24 – 5%) Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 51 Przykład projektowy (5) Tranzystor QEXT – BD440: IC(rat) = 4 A; UCEO(rat) = 60 V; βF (hFE) @ IMAX-CHG = 40 (min @ 0,5 A) Największa moc strat przy największej różnicy napięć ∆U PQ(max) = ∆Umax · IMAX-CHG = (Uin(max) − UTH) · IMAX-CHG = (13 − 5,25) · 0,68 = 5,27 W Tj(max) = 150 °C; Rθ(j-c) = 3,125 °C/W → Rθ(j-a) = (Tj(max) − Ta(max)) / PQ(max) − Rθ(j-c) − Rθ(c-s) = (150 − 40) / 5,27 − 3,125 − 1 = 16,8 °C/W Sterowanie – pojedynczy PNP z osobnym obwodem bazy IB = IMAX-CHG / βF(min)(IMAX-CHG) = 17 mA < 25 mA (wydajność Q1) Przyjmujemy jednak 25 mA ze względu na konieczność uzyskania niskiego UCE (małe ∆U) IB = IQ1 = (VIN(min) − 2,0 V) / RP → RP = 280 Ω → 300 Ω → IQ1 = 23 mA Kompensator sprzężenia zwrotnego: Ccomp = 0,1 µF Moc strat w sterowniku w najgorszym przypadku PD(max) = (Uin(max) − UBE,QEXT) · IQ1 − IQ12 · RP = = (13 − 0,7) · 23m − (23m)2 · 300 = 124 mW ∆Tmax = PD(max) · Rθ = 124m · 100 = 12 °C Dioda DEXT nie musi być szybka, ale powinna mieć niskie napięcie przewodzenia ze względu na małe ∆U 1N4001: IF(av) = 1 A; Urrm = 50 V; UF(0,68 A) = 0,9 V dla mniejszego UF dioda Schottky’ego MBR150: 1 A; 50 V; UF(0,68 A) = 0,6 V Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 52 Inne technologie akumulatorów ● Obszary zastosowań w fotowoltaice ● niskie moce niskie napięcia ciężkie warunki klimatyczne (temperatura, wilgotność) Powszechność użycia najczęściej: NiCd rzadziej: NiMH, Li-ion pozostałe sporadycznie pośrednie między ogniwem elektrycznym a ogniwem paliwowym Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 53 Technologie niklowe (1) ● Akumulatory niklowo-kadmowe (NiCd) katoda Cd, anoda NiO(OH), elektrolit KOH – zasadowy pojemności nawet > 1000 Ah (ale szczelnych < 100 Ah) długi czas życia przy pracy cyklicznej i dużych DOD (ale nadal zależny od DOD) szeroki zakres temperatur (−20°… 50°), zamarzanie nieszkodliwe mało wrażliwe na przeładowanie napięcie prawie stałe w szerokim zakresie rozładowania niska rezystancja wewnętrzna wysoka pojemność nawet przy dużym prądzie rozładowania minimalna obsługa po instalacji Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 54 Technologie niklowe (2) ● Zastosowania latarnie morskie, boje stacje bazowe, przekaźnikowe, telefony alarmowe przejazdy kolejowe platformy wiertnicze energetyka w obszarach oddalonych od sieci ● Wady technologii NiCd znaczące samorozładowanie mała zmienność napięcia z ładunkiem ⇒ wysoka niedokładność szacowania SOC Cd – metal ciężki bardzo szkodliwy dla środowiska i ludzi silny efekt pamięciowy (dotyczy tylko szczelnych) Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 55 Technologie niklowe (3) ● Akumulatory niklowo-wodorkowe (NiMH) ● w katodzie Cd zastąpiony przez stop metali np. LaNi5, TiNi2 ⇒ mniej szkodliwe stopy te łatwo absorbują i uwalniają jony wodoru w objętości 1000x większej niż ich własna (powstaje wodorek – MH) ⇒ większa gęstość energii minimalny efekt pamięciowy Właściwości gorsze (niż NiCd) samorozładowanie koszt moc szczytowa przeładowanie uszkadza Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 56 Technologie litowe ● Akumumatory litowo-jonowe (Li-ion) duża gęstość energii ⇐ mniejsza masa atomowa (Li 6,9; Pb 207) najwyższe napięcie na 1 ogniwie ⇒ mniejsza liczba ogniw ⇒ niższy koszt produkcji i problemy z równoważeniem bardzo słabe samorozładowanie b. szeroki zakres temperatur rozładowania: −20…60 °C bardzo wrażliwe na za głębokie rozładowanie oraz przeładowanie (korozja elektrod, utrata pojemności, wybuch) duża gęstość energii ⇒ zwarcie bardzo niebezpieczne (wybuch z dużą energią cieplną) ● wymaga grubych elektrod z powodu reakcji Li z elektrolitami płynnymi ⇒ wyższy koszt napięcie silnie zależne od stanu ładunku ⇒ często wymagane przetwornice impulsowe Akumulatory litowo-polimerowe (Li-poly) rozwinięcie technologii Li-ion – zastąpienie elektrolitu płynnego stałym w postaci polimeru elektrolit służy też jako separator ⇒ większa gęstość upakowania mniejsza reaktywność ale większa szkodliwość postaci Li niższe napięcie na ogniwo najwyższy koszt Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 57 Szczegółowe parametry technologii (Gravimetric Density) (Volumetric Density) Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 58 Ładowanie i rozładowanie dla technologii niklowych i litowych ● Szybkość ładowania zależy od prądu ● ● dla Li-ion brak kontroli w trybie wolnym gdyż konieczne ładowanie napięciowe ● Znacząco różny przebieg napięcia podczas rozładowania Nie wszystkie akumulatory są przystosowane do szybkiego ładowania Szybkie ładowanie zawsze wymaga bardziej zaawansowanego układu sterowania tym procesem monitorowanie napięcia, temperatury ograniczenie czasu ładowania Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 59 Metody ładowania akumulatorów litowych ● Stałe napięcie z ograniczeniem prądowym (szybkie) ● ● pierwsza faza – stały prąd druga faza – stałe napięcie Stałe, niskie napięcie (wolne) Zakończenie po spadku prądu poniżej określonego progu ● Metody identyczne jak dla Pb-acid możliwość stosowania tych samych sterowników wymagają innych progów oraz jeszcze dokładniejszego ustalenia napięcia ładowania Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 60 Metoda ładowania akumulatorów niklowych ● Stały prąd przez cały czas ● Zakończenie po wykryciu (jeden z warunków lub suma logiczna) ● ● korzystne dla współpracy z modułami PV dU/dt < 0 dU/dt = 0 U > Uth dT/dt > (dT/dt)th ∆T > (∆T)th Najprostsze układy ładowania mniej złożone niż dla akumulatorów Pb-acid i Li-ion Jednak detekcja pochodnej i pomiar temperatury komplikują Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 61 Analogowo-cyfrowa przetwornica SEPIC do ładowania akumulatorów ● ● ● Zasilanie 5,3…16 V Prąd do 2 A Profile ładowania ● NiMH, NiCd, Li-Ion Funkcje MCU: zegar dla MCP1631 VREF (PWM + RC) – prąd ładowania ▶ rodzaj akumulatora ▶ napięcie i temperatura akumulatora ▶ liczba akumulatora zabezpieczenie OV – wyjęcie/przeładowanie UI – przyciski i LED Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 62 Scalony sterownik analogowy MCP1631 ● Zasoby ● liniowy stabilizator napięcia wzmacniacz błędu zabezpieczenia (OV, UVLO, OT) sterownik bramki (5 V) możliwość realizacji sprzężenia napięciowego lub prądowego Przeznaczenie ● Rola MCU ● sterowanie analogowo-cyfrowe współpraca z prostymi i średnio złożonymi mikrokontrolerami częstotliwość przełączania przekształtnika faza sygnału sterującego względem innych bloków ograniczenie współczynnika wypełnienia napięcie odniesienia (zamiast DAC – filtrowany PWM) Dużo większa dokładność regulacji wyjścia niż przez zmianę współczynnika wypełnienia PWM o niskiej rozdzielczości w MCU Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 63