W ramach programu Innotech prowadzonego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju EVE sp. z o.o. zrealizowała projekt badawczy pt. „System monitorowania stanu i wyrównywania stopnia naładowania ogniw litowo-jonowych połączonych szeregowo w baterie” o nr umowy INNOTECH-K1/HI1/34/155074/NCBR/12.
Projekt ten dotyczy znaczącej innowacji w zakresie systemów zarządzania bateriami (BMS), jaką jest wykorzystanie metody Active Balancing tj. niskostratnego wyrównywania stopnia naładowania poszczególnych ogniw w bateriach szeregowych. Na tej stronie pragniemy przedstawić wyniki naszych prac badawczo rozwojowych prowadzonych w ramach projektu.
Tematyka projektu wybrana była nieprzypadkowo. Rynek urządzeń zasilanych bateryjnie jest rynkiem stale rozwijającym się, a zapotrzebowanie na rozwiązania wykorzystujące ogniwa litowo-jonowe z roku na rok się zwiększa. Cechami predysponującymi wykorzystanie właśnie tego rodzaju ogniw są: wysokie napięcie pojedynczego ogniwa, niewielkie wymiary, duża koncentracja energii w niewielkiej objętości jak również brak tzw. „efektu pamięciowego”.
Aby zobrazować rosnące zapotrzebowanie na zasilanie bateryjne przedstawiamy pokrótce informacje zaczerpnięte z rynku. Przychody z rynku ogniw litowo – jonowych w 2012 roku wyniosły około 450 milionów USD, natomiast prognozy analityków rynku wskazują, że w 2017 roku wartość rynku wyniesie około 1 650 milionów USD. Dodatkowym aspektem prognozującym coraz większe zapotrzebowanie rynku na zasilanie bateryjne jest zwiększająca się sprzedaż aut z napędem hybrydowym. Z raportu przedstawionego przez firmę Toyota wynika, że sprzedaż samochodów z napędem hybrydowym w roku 1997 wynosiła 300 sztuk, aby w 2013 roku poszybować do wielkości około 1 280 000 sztuk.
O popularności i zapotrzebowaniu rynku na energię pochodzącą z baterii oraz na magazynowanie energii i efektywne wykorzystanie zgromadzonej energii świadczy również wielość prac badawczo-rozwojowych prowadzonych w tej dziedzinie. Prace te dotyczą całego szerokiego aspektu rynku związanego z ogniwami akumulatorowymi. Jest to zarówno praca nad wynalezieniem nowych materiałów które mogą zostać wykorzystane do produkcji coraz lepszych ogniw, jak również badania nad układami do ładowania akumulatorów, nadzorowania ich pracy (BMS), czy też układami balansowania (active balancing, passive balancing) stopnia naładowania ogniw w baterii. Wiele z tych prac jest dofinansowywanych z programów krajowych czy europejskich.
Specyfika ogniw litowo-jonowych wymaga od układów elektronicznych kontrolujących pracę baterii (BMS, Battery Management System) szczegółowego nadzoru nad ich stanem. Szereg zalet takich baterii ograniczony jest koniecznością dokładnej weryfikacji ich stanu. Dodatkowo baterie tego typu są niezwykle wrażliwe na głębokie rozładowanie, jak i przeładowanie ogniw, zatem układ kontrolujący pracę baterii musi z jednej strony umożliwiać dokładny pomiar napięcia każdego ogniwa w baterii jak również zabezpieczać przed zbyt głębokim rozładowaniem jak i przeładowaniem baterii.
Kolejną immanentną cechą wszystkich ogniw bateryjnych jest ich zróżnicowanie. Początkowe zróżnicowanie poszczególnych ogniw jest niewielkie (dzięki zaawansowanemu procesowi produkcji i selekcji ogniw) jednak z czasem ogniwa takie ulegają degradacji i degradacja ta jest często bardzo zróżnicowana. Nawet w ramach jednej baterii, w skład której wchodzą początkowo wyselekcjonowane, jednorodne ogniwa, po kilku latach eksploatacji ogniwa te mogą być w istotnym stopniu zróżnicowane. Dla stosowanych obecnie układów zasilania wymagane jest, aby bateria reprezentowała dość duże napięcie wyjściowe. Napięcie wyjściowe baterii na poziomie kilkudziesięciu czy nawet setek woltów uzyskiwane jest poprzez szeregowe łączenie ogniw wewnątrz baterii. Przy takim połączeniu pojemność całej baterii determinowana jest jej najsłabszym ogniwem. Po kilkuset cyklach pracy baterii, kiedy poszczególne ogniwa różnicują się pojemność takiej baterii znacznie spada. Układ kontrolujący baterię, aby zapobiec uszkodzeniu ogniw poprzez zbyt głębokie rozładowanie oraz przeładowanie odłącza pobór/dostawę prądu do baterii. Dzieje się tak pomimo tego, iż pozostałe, lepsze, ogniwa mają jeszcze zapas energii, bądź nie zostały jeszcze maksymalnie naładowane. Takie ograniczenie pojemności baterii przez najsłabsze ogniwo w praktyce przekłada się np. na gorszy zasięg pojazdu napędzanego elektrycznie, bądź krótszy czas działania urządzenia zasilanego bateryjnie.
Aktywny układ wyrównywania poziomu naładowania ogniw baterii (active balancing) będący przedmiotem prowadzonego w EVE projektu wychodzi naprzeciw wszystkim oczekiwaniom wobec nowoczesnego układu zarządzania baterią (BMS). Możliwe zastosowanie wdrożeniowe takiego układu to nie tylko samochody elektryczne, ale również magazyny energii w zastosowaniach dla coraz bardziej popularnych instalacji OZE, czy wykorzystanie wyeksploatowanych, zróżnicowanych ogniw w mniej wymagających aplikacjach, które dzięki zastosowaniu układu wyrównującego mogą być eksploatowane znacznie dłużej.
Ciekawe linki:
Raport Toyota o samochodach hybrydowych
Raport o wzroście przychodów w sektorze akumulatorów litowo-jonowych