NOWOCZESNE AKUMULATORY TRAKCYJNE I UKŁADY BMS

TOMASZ RUDNICKI ALICJA IDZIASZEK - GONZALEZ KIELCE, 7.03.2012

Akumulator trakcyjny jest zaprojektowany do pracy cyklicznej - regularnych cykli głębokiego rozładowania i ładowania. Podstawowe wymagania stawiane akumulatorom trakcyjnym to: • • • • • długa żywotność (ponad 1000 cykli) niski poziom samo rozładowania (poniżej 5% miesięcznie) duża energia i moc właściwa (szczególnie ważne w samochodach elektrycznych – obniżenie masy samochodu) możliwość pracy w szerokim zakresie temperatur odporność na wstrząsy, wibracje Źródło: www.linkzpu.pl

2

Źródło energii nowoczesnego samochodu elektrycznego jest skomplikowanym urządzeniem, zbudowanym z ok. 100 pojedynczych ogniw litowo – jonowych, które są kontrolowane przez układ BMS Pakiet akumulatorów li-ion Mitsubishi i-miev , LiMn 2 O 4 , napięcie nominalne 330V. Źródło: www.samochodyelektryczne.org

3

Budowa akumulatora kwasowo-ołowiowego i reakcje zachodzące podczas ładowania i rozładowywania.

Ogólna reakcja ładowania i rozładowania w ogniwie kwasowo-ołowiowym:

Pb



PbO

2  2

H

2

SO

4 2

PbSO

4  2

H

2

O

Źródło: www.elec-intro.com

Źródło: www.oeiizk.edu.pl

4

Budowa akumulatora Li-ion i reakcje zachodzące podczas ładowania i rozładowywania.

Ogólna reakcja ładowania i rozładowania w ogniwach Li-P :

xLi



M y O z Li x M y O z

(7) Źródło: www.novacell.com

Źródło: waww.digital-camera-battery.net

5

Porównanie parametrów akumulatorów trakcyjnych dla różnych typów pojazdów Rower elektryczny Samochód elektryczny mały Samochód elektryczny Duży Autobus elektryczny miejski Energia 1 kWh Masa akumulatora 11 kg Czas ładowania standardowego 8 h 16 kWh 50 kWh 200 kWh 250 kg 450 kg 2000 kg 8 h 8 h 8 h Minimalna moc ładowarki 125 W 2 kW 6,25 kW 25 kW Czas ładowania szybkiego 30 min 30 min 30 min 30 min Minimalna moc ładowarki 2 kW 32 kW 100 kW 400 kW 6

Podstawowe funkcje ładowarki przeznaczonej do akumulatorów Li-ion: • • • dostarczanie ładunku do akumulatora utrzymywanie odpowiednich warunków ładowania – stabilizacja zatrzymanie ładowania w ściśle określonym momencie 7

Maksymalna szybkość ładowania jest ograniczona ponieważ reakcje chemiczne w ogniwie podczas ładowania nie mogą zaistnieć natychmiastowo. 8

Proces ładowania akumulatora składa się zazwyczaj z dwóch faz: • faza głównego ładowania, w której zostaje dostarczona większość całkowitej energii potrzebnej do naładowania • faza końcowa, w której bateria jest doładowywana a ogniwa są balansowane 9

BMS (ang. Battery Management System) jest systemem który zarządza akumulatorem podczas ładowania, rozładowywania a także w stanie spoczynku. Do podstawowych funkcji systemu należą: • pomiar • monitoring • kalkulacja • komunikacja • balansowanie ogniw 10

Sposoby balansowania ogniw w akumulatorach litowo jonowych: Balansowanie aktywne polega na odbieraniu energii jednego lub kilku ogniw i przekazaniu jej innym ogniwom. W przypadku Balansowania pasywnego poziom naładowania poszczególnych ogniw jest zrównywany z poziomem naładowania najsłabszego ogniwa. Ogniwa o wyższym poziomie naładowania niż najsłabsze są rozładowywane za pomocą równolegle dołączonych rezystorów. Balansowanie pasywne jest czasochłonne, ponieważ używa się niewielkich prądów rozładowujących, wprowadza ono również straty energii, lecz jest najtańszym rozwiązaniem.

11

Źródło: www.ti.com

Charakterystyka ładowania akumulatora litowo-jonowego z automatycznym balansowaniem ogniw (przy wykorzystaniu układu bq77pl900).

Źródło: www.ti.com

12

Rodzaje architektur systemu BMS • scentralizowana • rozproszona, modułowa W architekturze scentralizowanej większość funkcji BMS jest zawartych w pojedynczym podsystemie, często fizycznie umiejscowionym w samej baterii. Jest ona stosowana w mniejszych układach, np. w bateriach zasilających rowery elektryczny lub w mikrohybrydach.

Architektura rozproszona lub modułowa dzieli baterie na segmenty o równej lub podobnej wielkości. Dzięki temu większe systemy mogą być składane z mniejszych komponentów. Takie podejście zwiększa liczbę połączeń pomiędzy modułami, ale pozwala na większą elastyczność w projektowaniu.

13

Schemat blokowy scentralizowanego systemu BMS (dla baterii 36V) w którym zastosowano układ bq77pl900 od Texas Instruments. Źródło: www.ti.com

14

Schemat blokowy systemu BMS przeznaczonego dla akumulatorów wysokonapięciowych.

Źródło: www.ti.com

15

Literatura

1. Larminie J., Lowry J. „

Electric Vehicle Technology Explained”

, 2. Pistoia G. „Electric and Hybrid Vehicles 3.

www.mpoweruk.com

4.

www.ti.com

16

Dziękuję za uwagę

17