pełny tekst - Prace Instytutu Elektrotechniki

Paweá WIATR
Arkadiusz KRYēSKI
UKàAD àADOWANIA AKUMULATORÓW
LITOWO-JONOWYCH ZASILANY
Z PANELI FOTOWOLTAICZNYCH PRZEZNACZONY
DLA POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH
STRESZCZENIE
W artykule przedstawiono opis ukáadu regulatora
áadowania akumulatorów litowo-jonowych zasilanego z paneli fotowoltaicznych
dla pojazdów elektrycznych. Przedstawiono sposób dziaáania ukáadu, algorytm
sterowania oraz wyniki badaĔ eksperymentalnych.
Sáowa kluczowe: regulator áadowania, fotowoltaika, samochody elektryczne
DOI: 10.5604/00326216.1210801
1. WSTĉP
Wzrost zainteresowania problemami zanieczyszczenia Ğrodowiska, globalnego
ocieplenia oraz moĪliwoĞci wyczerpania paliw kopalnych, doprowadziá do gwaátownego
rozwoju odnawialnych Ĩródeá energii.
Oczekiwany wzrost liczby samochodów elektrycznych, pociągnie za sobą
koniecznoĞü zwiĊkszenia liczby dostĊpnych stacji áadowania. KaĪda stacja stanowi
dodatkowe obciąĪenie dla systemu energetycznego. W celu odciąĪenia sieci energetycznej, moĪna zastosowaü rozwiązanie, w którym stacja áadowania wyposaĪona jest
w ukáad áadowania zasilany bezpoĞrednio ze Ĩródáa energii odnawialnej na przykáad
z turbiny wiatrowej lub paneli fotowoltaicznych. W artykule przedstawiono koncepcjĊ
ukáadu áadowania akumulatorów zasilanego z paneli fotowoltaicznych.
mgr inĪ. Paweá WIATR, inĪ. Arkadiusz KRYēSKI
e-mail: [p.wiatr; a.krynski]@iel.waw.pl
Instytut Elektrotechniki, Zakáad NapĊdów Elektrycznych,
ul. M. PoĪaryskiego 28, 04-703 Warszawa
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, ISSN-0032-6216, LXIII, zeszyt 273, 2016
134
P. Wiatr, A. KryĔski
2. ZASADA DZIAàANIA REGULATORA
Rys. 1. Schemat obwodu silnoprądowego regulatora
Ukáad jest typową przetwornicą obniĪającą napiĊcie (ang. buck converter) skáadającą siĊ z elementów: tranzystor Tpv, dioda Dpv, dáawik Lpv. Ze wzglĊdu na impulsowy
charakter prądu pobieranego przez przetwornicĊ obniĪającą napiĊcie, na wejĞciu ukáadu, na
którego zaciskach wystĊpuje napiĊcie Vpv, zastosowano filtr pojemnoĞciowy w postaci
kondensatora Cin. Kondensator redukuje tĊtnienia napiĊcia wejĞciowego Vpv i zapewnia
ciągáoĞü prądu pobieranego z paneli fotowoltaicznych. Ukáad przekaĨnika z rezystorem Rin
jest wykorzystywany do áagodnego startu przetwornicy (ang. soft-start). W trakcie rozruchu
przetwornicy przekaĨnik jest rozáączony i ukáad zasilany jest z paneli przez szeregowy
rezystor Rin, który zapewnia áagodne doáadowywanie kondensatorów Cin i Cout. Zabezpieczenie przed prądem zwrotnym páynącym z akumulatora w stronĊ paneli stanowi dioda
Dbat. Jest ona wykorzystywana równieĪ w trakcie áagodnego startu i zabezpiecza przed
gwaátownym doáadowaniem kondensatora Cout prądem z akumulatora. Szeregowe poáączenie rezystora Rout z tranzystorem Tout tworzy ukáad rozáadowania kondensatorów Cin
i Cout po wyáączeniu regulatora ze wzglĊdów bezpieczeĔstwa. Na wyjĞciu przetwornicy
zastosowano filtr LCL, tworzony przez elementy Lpv, Cout, Lout oraz poáączony równolegle
z akumulatorem kondensator Cbat. Zastosowanie filtru LCL oraz kondensatora Cbat zapewnia obniĪenie wartoĞci tĊtnieĔ prądu áadowania akumulatorów. TĊtnienia prądu nie mają
wpáywu na parametry baterii jednak mają wpáyw na parametry áadowania [1] i im wiĊksza
wartoĞü tĊtnieĔ tym mniejszy procent pojemnoĞci akumulatora jest wykorzystywany [2].
3. ALGORYTM STEROWANIA
NajczĊĞciej stosowanym algorytmem áadowania jest áadowanie staáym prądemnapiĊciem (ang. constant current – constant voltage, CC-CV) [3]. Na rysunku 2 przedstawiono diagram algorytmu áadowania CC-CV przystosowany do pracy z zasilaniem
z energii pochodzącej z paneli fotowoltaicznych.
Ukáad áadowania akumulatorów litowo-jonowych zasilany z paneli fotowoltaicznych…
135
Rys. 2. Algorytm áadowania CC-CV
W przypadku, kiedy napiĊcie na akumulatorze Vout jest mniejsze od minimalnej
dozwolonej wartoĞci Vbatmin, regulator przystĊpuje do áadowania prądem o wartoĞci 10%
maksymalnej wartoĞci prądu áadowania Ibatmax w celu przywrócenia normalnych parametrów akumulatora. Kiedy napiĊcie jest wiĊksze od napiĊcia Vbatmin nastĊpuje stan áadowania staáym prądem. WartoĞü prądu zaleĪy od aktualnie dostĊpnej mocy panelu
foto-woltaicznego. Regulator zapewnia ograniczenie maksymalnego prądu áadowania
Iout do 70% maksymalnego prądu áadowania baterii podanego przez producenta.
Po osiągniĊciu maksymalnego napiĊcia akumulatora, napiĊcie na baterii jest na tym
maksymalnym poziomie do momentu, kiedy prąd áadowania spadnie poniĪej 5% znamionowego prądu rozáadowania akumulatorów (0,05 C), po czym nastĊpuje wyáączenie
áadowania. Na rysunku 3 przedstawiono proces áadowania akumulatora wedáug powyĪszego algorytmu.
136
P. Wiatr, A. KryĔski
Rys. 3. Proces áadowania akumulatora
Rys. 4. Algorytm wyszukiwania punktu mocy maksymalnej P&O
Ukáad áadowania akumulatorów litowo-jonowych zasilany z paneli fotowoltaicznych…
137
Kolejnym algorytmem zaimplementowanym w regulatorze jest algorytm wyszukiwania punktu mocy maksymalnej (ang. Maximum Power Point Tracking, MPPT) panelu
fotowoltaicznego. Jest to związane z nieliniową charakterystyką prądowo-napiĊciową
panelu, która posiada punkt, w którym moc panelu jest maksymalna. Wyszukiwanie
punktu mocy maksymalnej wykonuje siĊ programując w sterowniku odpowiedni algorytm.
Jego zadaniem jest ciągáe sprawdzanie mocy wyjĞciowej panelu i porównywanie go
z poprzednio wykonanymi obliczeniami. W zaleĪnoĞci od róĪnicy wartoĞci w obecnej
i poprzedniej iteracji algorytmu, ukáad ustala nowe warunki pracy tak, aby odnaleĨü poszukiwany punkt na charakterystyce. Znanych jest obecnie wiele algorytmów zapewniających pracĊ w punkcie mocy maksymalnej (PMM) panelu fotowoltaicznego [4]. Jednym
z nich jest algorytm „zaburz i obserwuj” (ang. Perturb&Observe, P&O) zaimplementowany w symulowanym ukáadzie. Dziaáanie tej metody wyszukiwania punktu mocy
maksymalnej przedstawiono w postaci schematu blokowego na rysunku 4.
Po odczytaniu wartoĞci napiĊcia Vpv oraz prądu Ipv pobieranego z panelu fotowoltaicznego ukáad cyfrowy dokonuje obliczeĔ aktualnej mocy panelu Ppv, przyrostów
napiĊcia (dV) oraz mocy (dP) w stosunku do poprzedniego cyklu obliczeĔ. Na tej
podstawie wyznaczana jest wartoĞü napiĊcia referencyjnego Vref dla regulatora napiĊcia
panelu.
Stan naáadowania akumulatorów determinuje strukturĊ pĊtli regulacji ukáadu
przeksztaátnikowego, która skáada siĊ z algorytmu MPPT, regulatora napiĊcia panelu
PV, regulatora prądu áadowania oraz modulatora szerokoĞci impulsów (ang. Pulse
Width Modulation, PWM). Zadania w ukáadzie dla wszystkich stanów áadowania baterii
zobrazowano na rysunku 5.
Rys. 5. Metody regulacji dla róĪnych stanów áadowania akumulatora
138
P. Wiatr, A. KryĔski
4. FILTRACJA
Ze wzglĊdu na impulsowy charakter pracy ukáadu, mierzone wielkoĞci napiĊcia
i prądu posiadają duĪe tĊtnienia. DuĪe wartoĞci tĊtnieĔ i zakáóceĔ na mierzonych
wartoĞciach mogą prowadziü do nieprawidáowego dziaáania algorytmów przedstawionych w poprzednim punkcie. Szczególnie wraĪliwy jest algorytm wyszukiwania punktu
mocy maksymalnej – MPPT. DuĪe odchyáki aktualnej wartoĞci mierzonej od jej
wartoĞci Ğredniej mogą spowodowaü nieprawidáowe okreĞlenie kierunku zmian mocy
okreĞlanych za pomocą pochodnej dP/dV, co z kolei doprowadzi do báĊdnego dziaáania
algorytmu. Rozwiązaniem tego problemu jest filtracja mierzonych sygnaáów napiĊcia
i prądu. Praktycznym rozwiązaniem filtru, który ma niską záoĪonoĞü obliczeniową, jest
optymalny pod wzglĊdem filtracji zakáóceĔ i czasu odpowiedzi filtr Ğredniej kroczącej [5].
Filtr opisany jest równaniem:
‫ݕ‬ሾ݅ሿ ൌ
ଵ
ெ
σெିଵ
௝ୀ଴ ‫ݔ‬ሾ݅ ൅ ݆ሿ
(4.1)
gdzie:
y – sygnaá wyjĞciowy filtru,
x – sygnaá wejĞciowy,
M – liczba próbek do uĞrednienia.
Eksperymenty wykonywane na modelu laboratoryjnym pozwoliáy ustaliü liczbĊ
próbek do uĞrednienia dla prądu wejĞciowego Ipv i wyjĞciowego mierzonego, jako
wartoĞü Ğrednia prądu cewki ILavg na wartoĞü M = 9. Liczba próbek do uĞrednienia dla
napiĊcia wejĞciowego Vpv i wyjĞciowego Vbat wynosiáa M = 6. Zastosowanie filtru
o tych parametrach zapewniáo skuteczne wyszukiwanie punktu mocy maksymalnej Ĩródáa
przy zapewnieniu odpowiedniej dynamiki ukáadu w stanach dynamicznych i awaryjnych oraz nie wpáynĊáo negatywnie na przebiegi prądu i napiĊcia áadowania baterii.
5. WYNIKI BADAē LABORATORYJNYCH
Wyniki badaĔ modelu laboratoryjnego zostaáy przeprowadzone w ukáadzie
przedstawionym na rysunku 6. Ukáad zasilany jest z napiĊcia sieciowego zadawanego
przez autotransformator i prostowanego przez prostownik szeĞciopulsowy. PrzyjĊto
czĊstotliwoĞü áączeĔ 15 kHz.
Prostownik z szeregowym rezystorem Rz, modeluje zachowanie Ĩródáa fotowoltaicznego. Charakterystyka prądowo – napiĊciowa oraz wykres mocy maksymalnej
dostĊpnej mocy Ĩródáa w funkcji napiĊcia Upv przedstawia rysunek 7.
WystĊpowanie punktu maksymalnej mocy, umoĪliwiáo przetestowanie dziaáania
algorytmu jego poszukiwania. Wyniki obrazujące dziaáanie algorytmu MPPT zostaáy
przedstawione na rysunkach 8 i 9. Widoczne są zmiany napiĊcia Vpv z 400 V na 200 V,
czyli stan, przy którym ukáad zaczyna pracowaü w punkcie maksymalnej mocy.
Rysunki 10 i 11 przedstawiają stan áadowania staáym prądem oraz staáym napiĊciem.
Ukáad áadowania akumulatorów litowo-jonowych zasilany z paneli fotowoltaicznych…
Rys. 6. Schemat modelu laboratoryjnego
a)
b)
Rys. 7. Charakterystyka:
a) prądowo-napiĊciowa prostownika z szeregowym rezystorem Rz, b) mocy wyjĞciowej
prostownika z szeregowym rezystorem Rz w funkcji napiĊcia Upv dla Uz = 400 V, Rz = 13,3 ȍ
139
140
P. Wiatr, A. KryĔski
Rys. 8. Wyszukiwanie PMM dla Uz = 400 V, Rz = 15,3 ȍ, RL = 7,8 ȍ dla
podstawy czasu 5 s
1 – napiĊcie Upv; 2 – prąd Ipv; 3 – napiĊcie Ubat; 4 – prąd Ibat.
Rys. 9. Stan PMM dla Uz = 400 V, Rz = 15,3 ȍ, RL = 7,8 ȍ dla podstawy
czasu 250 ms
1 – napiĊcie Upv; 2 – prąd Ipv; 3 – napiĊcie Ubat; 4 – prąd Ibat
Ukáad áadowania akumulatorów litowo-jonowych zasilany z paneli fotowoltaicznych…
Rys. 10. àadowanie baterii staáym prądem Ibat = 20 A dla Upv = 400 V
1 – PWM; 3 – napiĊcie baterii Ubat; 4 – prąd áadowania Ibat
Rys. 11. àadowanie baterii staáym napiĊciem Ubat = 164 V dla
Upv = 400 V
1 – napiĊcie Upv; 2 – PWM; 3 – napiĊcie baterii Ubat; 4 – prąd áadowania Ibat
141
142
P. Wiatr, A. KryĔski
Jak widaü z rysunków 8 i 9 zaimplementowany algorytm sterujący powoduje, iĪ
ukáad Ğledzenia PMM, krąĪy wokóá punktu maksymalnej mocy. Jest to spowodowane
ciągáą zmianą napiĊcia referencyjnego o wartoĞü deltaV. DuĪa wartoĞü parametru deltaV
zapewnia szybkie odnajdywanie PMM za cenĊ duĪych oscylacji wokóá tego punktu
natomiast maáa wartoĞü zapewnia niewielkie oscylacje, ale dáugi czas dochodzenia do
punktu mocy maksymalnej oraz sáabszą dynamikĊ przy zmianach parametrów Ĩródáa.
Przy zadanej w programie wartoĞci parametru deltaV = 5V moĪna zauwaĪyü, Īe
oscylacje wokóá PMM nie dają zauwaĪalnych zmian prądu áadowania baterii, co jest
waĪnym czynnikiem wpáywającym na ĪywotnoĞü akumulatorów. ĝwiadczy to o odpowiedniej filtracji zastosowanego filtru wyjĞciowego skáadającego siĊ z elementów Lpv,
Cout, Lout oraz kondensatora Cbat.
Oscylogram przedstawiony na rysunku 11 prezentuje wykonywanie ostatniej
czĊĞci charakterystyki áadowania baterii – áadowanie staáym napiĊciem. àadowarka
utrzymuje wartoĞü napiĊcia na poziomie maksymalnej jego wartoĞci dla wykorzystywanych w eksperymencie akumulatorów – 164 V. ZauwaĪalne na prądzie wyjĞciowym
tĊtnienia wynikają z dziaáania przetwornicy obniĪającej napiĊcie. Zastosowanie wiĊkszych
wartoĞci elementów filtrujących na wyjĞciu ukáadu pozwoliáoby na ich wyeliminowanie.
6. WNIOSKI
Pokazane wyniki badaĔ potwierdzają, poprawne dziaáanie proponowanego ukáadu
regulatora i pozwalają na wyciągniĊcie nastĊpujących wniosków:
x zaimplementowany algorytm MPPT poprawnie wyszukuje punkt mocy maksymalnej
nie wpáywając negatywnie na tĊtnienia prądu áadowania baterii,
x uzasadnione jest uĪycie filtru LCL na wyjĞciu przetwornicy oraz kondensatora Cbat
zapewniających niewielką wartoĞü tĊtnieĔ prądu áadowania, co pozwala wykorzystaü
w peáni dostĊpną pojemnoĞü akumulatora,
x zaimplementowany algorytm áadowania CC-CV zapewnia poprawne parametry áadowania, pozwalając skutecznie áadowaü akumulatory w sposób zapewniający dáuĪszą
ich ĪywotnoĞü.
LITERATURA
1. Breucker S.: Impact of DC-DC Converters on Li-Ion Batteries, Rozprawa Doktorska,
Leuven, 2012.
2. Sritharan T.: Impact of current waveform on battery behaviour, Praca magisterska, 2012.
3. W. A. van Schalkwijk, Scrosati B.: Advances in Lithium-Ion Batteries, USA, 2002.
4. Beriber D. and Talha A.: MPPT techniques for PV systems, Power Engineering, Energy and
Electrical Drives (POWERENG), 2013 Fourth International Conference on, Istanbul, 2013,
s. 1437-1442.
5. Smith S.W.: The Scientist and Engineer’s Guide to Digital Signal Processing, California,
1999.
PrzyjĊto do druku dnia 15.04.2016 r.
Ukáad áadowania akumulatorów litowo-jonowych zasilany z paneli fotowoltaicznych…
143
LI-ION BATTERY CHARGER POWERED FROM
PV MODULES FOR ELECTRICAL VEHICLES
Paweá WIATR, Arkadiusz KRYēSKI
ABSTRACT
This paper presents a description of the lithium-ion
battery charger powered by photovoltaic modules for electric vehicles.
Working principles of the charger, its control algorithm and experimental
results are presented.
Keywords: battery charger, photovoltaic, electrical vehicle
Mgr inĪ. Paweá WIATR – w 2009 roku ukoĔczyá studia
inĪynierskie na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej, w 2011 ukoĔczyá studia magisterskie na Wydziale
Elektrycznym Politechniki Warszawskiej. Od 2011 roku jest pracownikiem Zakáadu NapĊdów Elektrycznych Instytutu Elektrotechniki. Obecnie
jego gáównym obszarem zainteresowania są przeksztaátniki wielopoziomowe,
energetyka odnawialna, algorytmy sterowania ukáadami napĊdowymi.
InĪ. Arkadiusz KRYēSKI – w roku 2015 ukoĔczyá studia
pierwszego stopnia na wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej,
uzyskując dyplom inĪ. elektryka ze specjalnoĞcią Elektronika Przemysáowa.
Od 2014 roku pracownik Instytutu Elektrotechniki w Zakáadzie NapĊdów
Elektrycznych. Obecny zakres zainteresowaĔ to energoelektronika dla odnawialnych Ĩródeá energii oraz napĊdy w pojazdach elektrycznych.
144
P. Wiatr, A. KryĔski