Cel badań

Sama koncepcja wyrównywania stopnia naładowania ogniw baterii opiera się na przetwarzaniu energii pobieranej z zewnętrznego źródła lub samej baterii oraz selektywnym dostarczaniu jej do wybranych grup ogniw. Każde przetwarzanie energii wiąże się nieuchronnie z jej stratami. Efektywność energetyczna jest obok szybkości działania najważniejszym kryterium doboru trybu pracy docelowego urządzenia. Celem niniejszego zadania badawczego było doświadczalne określenie, jaki jest wpływ przyjętych algorytmów i parametrów wyrównywania stopnia naładowania baterii na poziom strat energii.

Stanowisko badawcze obejmujące symulator baterii ogniw litowo-jonowych oraz uniwersalny układ wyrównywania stopnia naładowania ogniw umożliwiało efektywne sprawdzenie wielu reżimów pracy urządzenia we współpracy z symulowanym zachowaniem wielu typów baterii o różnych charakterystykach. W połączeniu z wynikami następnych zadań badawczych ocena efektywności energetycznej posłużyła do zbudowania optymalnego algorytmu wyrównywania.

Celem badania było przeprowadzenie sprawdzenia działania układu ładowarki balansującej ED AB LAB pod kątem strat energii w kolejnych etapach jej przetwarzania. Wyniki badań posłużyły analizie w celu wyznaczenia jakie parametry ładowarki są optymalne pod kątem maksymalizacji wykorzystania energii. Ze względu na konstrukcję układu i miejsca, w których zostały zaimplementowane elementy pomiarowe w układzie, energię możemy pomierzyć w następujących miejscach:

• wejście ładowarki wyrównującej;
• wyjście ładowarki wyrównującej (przed krosownicą);
• wejście symulatorów.

Ze względu na miejsca pomiaru możliwe jest określenie strat energii w:

• ładowarce wyrównującej;
• układzie kluczy i w przewodach łączących klucze z symulatorem.

Schemat układu badawczego przedstawiony jest na poniższym rysunku:

W trakcie badań wykonano pomiary dla:

• Trybu ręcznego (w układzie z 1, 2, 5 lub 10 ogniwami)
• Trybu cyklicznego
• Trybu automatycznego

Wyniki badań

Badanie z uwzględnieniem mocy strat

Badania wykonano przy napięciu na celach 3,7V, pojemności 60Ah i typie Co. Poniżej przedstawiono przeliczone wyniki w tabelach.
Liczba cel – 1.

L.p.	Moc wejściowa ładowarki	Moc wyjściowa ładowarki	Moc ładowanych cel	Sprawność ładowarki	Sprawność krosownicy	Sprawność całkowita
–	W	W	W	%	%	%
1	31,944	9,235	8,170	28,91	88,47	25,57
2	43,040	17,086	15,721	39,70	92,01	36,53
3	51,272	24,422	22,592	47,63	92,51	44,06
4	70,576	41,504	37,696	58,81	90,83	53,41
5	97,586	63,840	55,722	65,42	87,28	57,10
6	116,910	88,634	73,956	75,81	83,44	63,26
7	177,818	144,828	110,896	81,45	76,57	62,37
8	308,445	277,184	182,684	89,86	65,91	59,23

Liczba cel – 2.

L.p.	Moc wejściowa ładowarki	Moc wyjściowa ładowarki	Moc ładowanych cel	Sprawność ładowarki	Sprawność krosownicy	Sprawność całkowita
–	W	W	W	%	%	%
1	41,564	18,796	17,043	45,22	90,68	41,01
2	59,048	34,546	31,830	58,50	92,14	53,91
3	110,744	80,933	75,575	73,08	93,38	68,24
4	190,420	163,695	147,867	85,97	90,33	77,65
5	289,980	269,880	221,319	93,07	82,01	76,32
6	448,335	418,748	337,192	93,40	80,52	75,21

Liczba cel – 3.

L.p.	Moc wejściowa ładowarki	Moc wyjściowa ładowarki	Moc ładowanych cel	Sprawność ładowarki	Sprawność krosownicy	Sprawność całkowita
–	W	W	W	%	%	%
1	54,669	30,606	27,462	55,98	89,73	50,23
2	75,395	52,669	49,725	69,86	94,41	65,95
3	149,823	121,582	115,370	81,15	94,89	77,00
4	269,031	240,747	187,059	89,49	77,70	69,53
5	402,739	371,824	297,380	92,32	79,98	73,84
6	602,143	565,704	493,934	93,95	87,31	82,03

Liczba cel – 4.

L.p.	Moc wejściowa ładowarki	Moc wyjściowa ładowarki	Moc ładowanych cel	Sprawność ładowarki	Sprawność krosownicy	Sprawność całkowita
–	W	W	W	%	%	%
1	65,354	43,297	37,981	66,25	87,72	58,12
2	98,151	73,552	67,751	74,94	92,11	69,03
3	189,937	161,557	154,784	85,06	95,81	81,49
4	345,202	318,869	299,730	92,37	94,00	86,83
5	507,255	477,204	443,297	94,08	92,89	87,39
6	735,965	696,968	639,229	94,70	91,72	86,86

Liczba cel – 5.

L.p.	Moc wejściowa ładowarki	Moc wyjściowa ładowarki	Moc ładowanych cel	Sprawność ładowarki	Sprawność krosownicy	Sprawność całkowita
–	W	W	W	%	%	%
1	76,425	57,130	49,093	74,75	85,93	64,24
2	111,251	94,500	86,169	84,94	91,18	77,46
3	252,008	206,925	194,120	82,11	93,81	77,03
4	423,503	395,808	375,041	93,46	94,75	88,56
5	603,965	573,818	541,405	95,01	94,35	89,64
6	886,512	829,864	773,599	93,61	93,22	87,26

Liczba cel – 6.

L.p.	Moc wejściowa ładowarki	Moc wyjściowa ładowarki	Moc ładowanych cel	Sprawność ładowarki	Sprawność krosownicy	Sprawność całkowita
–	W	W	W	%	%	%
1	90,4519	68,6052	62,068073	75,85	90,47	68,62
2	132,9625	113,2253	106,49691	85,16	94,06	80,10
3	271,727	247,52	236,211651	91,09	95,43	86,93
4	493,2172	472,464	452,599158	95,79	95,80	91,76
5	706,6728	678,528	644,508068	96,02	94,99	91,20
6	961,0246	926,4514	868,534654	96,40	93,75	90,38

Liczba cel – 7.

L.p.	Moc wejściowa ładowarki	Moc wyjściowa ładowarki	Moc ładowanych cel	Sprawność ładowarki	Sprawność krosownicy	Sprawność całkowita
–	W	W	W	%	%	%
1	103,555	83,904	74,077	81,02	88,29	71,53
2	158,490	137,077	125,680	86,49	91,69	79,30
3	312,760	289,520	276,165	92,57	95,39	88,30
4	572,609	553,852	528,302	96,72	95,39	92,26
5	819,507	810,301	757,159	98,88	93,44	92,39

Liczba cel – 8.

L.p.	Moc wejściowa ładowarki	Moc wyjściowa ładowarki	Moc ładowanych cel	Sprawność ładowarki	Sprawność krosownicy	Sprawność całkowita
–	W	W	W	%	%	%
1	114,637	99,267	85,924	86,59	86,56	74,95
2	173,792	157,410	146,378	90,57	92,99	84,23
3	346,311	331,313	316,084	95,67	95,40	91,27
4	648,346	628,420	603,364	96,93	96,01	93,06
5	806,553	781,316	746,240	96,87	95,51	92,52

Liczba cel – 9.

L.p.	Moc wejściowa ładowarki	Moc wyjściowa ładowarki	Moc ładowanych cel	Sprawność ładowarki	Sprawność krosownicy	Sprawność całkowita
–	W	W	W	%	%	%
1	133,100	116,913	97,882	87,84	83,72	73,54
2	195,858	177,164	162,543	90,46	91,75	82,99
3	393,569	371,008	356,740	94,27	96,15	90,64
4	831,759	808,403	782,099	97,19	96,75	94,03

Liczba cel – 10.

L.p.	Moc wejściowa ładowarki	Moc wyjściowa ładowarki	Moc ładowanych cel	Sprawność ładowarki	Sprawność krosownicy	Sprawność całkowita
–	W	W	W	%	%	%
1	147,106	122,756	108,426	83,45	88,33	73,71
2	214,718	197,558	179,967	92,01	91,10	83,82
3	430,353	415,434	396,798	96,53	95,51	92,20
4	821,215	796,416	768,296	96,98	96,47	93,56

Badanie z uwzględnieniem energii strat w manualnym trybie pracy ED AB CTRL

Badania wykonano przy napięciu na celach 3,7V, pojemności 60Ah i typie Co oraz prądów ładowania 2A, 20A i Max w 2 seriach.

1 seria

	Energia		Sprawność
Nazwa folderu z wynikami/opis próby	Wejściowa	Wyjściowa	Ładowanych cel	Ładowarki	Krosownicy i połączeń
	Ws		%
5C_2A_MAN	23742,26	17576,13	15895,51	74,03	90,44
5C_20A_MAN	123926,28	113603,76	109214,18	91,67	96,14
5C_MAX_MAN	274386,12	256138,79	233875,63	93,35	91,31

2 seria

	Energia		Sprawność
Nazwa folderu z wynikami/opis próby	Wejściowa	Wyjściowa	Ładowanych cel	Ładowarki	Krosownicy i połączeń
	Ws		%
5C_2A_MAN	26781,35	16994,51	15022,35	63,46	88,40
5C_20A_MAN	126050,12	114565,61	109610,75	90,89	95,68
5C_MAX_MAN	278239,91	256949,07	234658,74	92,35	91,33

Średnia z obu serii

	Energia		Sprawność
Opis próby	Wejściowa	Wyjściowa	Ładowanych cel	Ładowarki	Krosownicy i połączeń
	Ws		%
5C_2A_MAN	25261,80	17285,32	15458,93	68,42	89,43
5C_20A_MAN	124988,20	114084,69	109412,47	91,28	95,90
5C_MAX_MAN	276313,02	256543,93	234267,18	92,85	91,32

Badanie z uwzględnieniem energii strat w cyklicznym trybie pracy ED AB CTRL

1 seria

	Energia		Sprawność
Nazwa folderu z wynikami/opis próby	Wejściowa	Wyjściowa	Ładowanych cel	Ładowarki	Krosownicy i połączeń
	Ws	%
5C_2A_ON55_OFF5	19624,06	14417,04	12987,28	73,47	90,08
5C_2A_ON50_OFF10	18288,80	13459,76	11852,12	73,60	88,06
5C_2A_ON30_OFF10	21878,61	13001,76	11193,75	59,43	86,09
5C_2A_ON20_OFF10	17197,90	10241,38	8613,98	59,55	84,11
5C_2A_ON5_OFF5	12477,51	6907,65	5546,99	55,36	80,30
5C_2A_ON5_OFF10	8615,92	4740,98	3135,83	55,03	66,14
5C_20A_ON55_OFF5	109564,64	102383,15	98507,09	93,45	96,21
5C_20A_ON50_OFF10	100435,00	93842,47	90345,67	93,44	96,27
5C_20A_ON30_OFF10	95112,47	85462,41	81899,21	89,85	95,83
5C_20A_ON20_OFF10	84425,36	75081,48	71903,18	88,93	95,77
5C_20A_ON5_OFF5	46691,78	39538,97	38911,12	84,68	98,41
5C_20A_ON5_OFF10	31452,16	26269,11	25485,26	83,52	97,02
5C_MAX_ON55_OFF5	238419,21	224450,18	206102,57	94,14	91,83
5C_MAX_ON50_OFF10	213019,49	200213,47	184110,74	93,99	91,96
5C_MAX_ON30_OFF10	198624,04	186563,70	172365,13	93,93	92,39
5C_MAX_ON20_OFF10	168971,78	154738,25	143126,84	91,58	92,50
5C_MAX_ON5_OFF5	85123,97	74461,14	71914,58	87,47	96,58
5C_MAX_ON5_OFF10	60244,33	52753,64	50412,46	87,57	95,56

2 seria

	Energia		Sprawność
Nazwa folderu z wynikami/opis próby	Wejściowa	Wyjściowa		Ładowanych cel	Ładowarki	Krosownicy i połączeń
	Ws	%
5C_2A_ON55_OFF5	25503,54	14873,66		13119,89	58,32	88,21
5C_2A_ON50_OFF10	23147,28	13543,17		11785,13	58,51	87,02
5C_2A_ON30_OFF10	15719,72	8536,38		6769,78	54,30	79,30
5C_2A_ON20_OFF10	19303,85	10880,97		8991,33	56,37	82,63
5C_2A_ON5_OFF5	12477,51	6907,65		5546,99	55,36	80,30
5C_2A_ON5_OFF10	10294,28	4828,64		3293,88	46,91	68,22
5C_20A_ON55_OFF5	109564,64	102383,15		98507,09	93,45	96,21
5C_20A_ON50_OFF10	107743,11	95914,15		92122,04	89,02	96,05
5C_20A_ON30_OFF10	67571,23	58787,51		56368,04	87,00	95,88
5C_20A_ON20_OFF10	85528,81	75293,29		72234,29	88,03	95,94
5C_20A_ON5_OFF5	58394,48	49058,27		48275,23	84,01	98,40
5C_20A_ON5_OFF10	40780,23	33620,50		32637,11	82,44	97,08
5C_MAX_ON55_OFF5	247801,10	227668,01		209184,77	91,88	91,88
5C_MAX_ON50_OFF10	224055,06	205699,07		188785,40	91,81	91,78
5C_MAX_ON30_OFF10	129282,89	116966,20		108322,67	90,47	92,61
5C_MAX_ON20_OFF10	169908,21	154586,99		142881,95	90,98	92,43
5C_MAX_ON5_OFF5	120248,75	106545,06		100577,41	88,60	94,40
5C_MAX_ON5_OFF10	60244,33	52753,64		50412,46	87,57	95,56

Średnia z 2ch serii

	Energia		Sprawność
Opis próby	Wejściowa	Wyjściowa	Ładowanych cel	Ładowarki	Krosownicy i połączeń
	Ws	%
5C_2A_ON55_OFF5	22563,800	14645,351	13053,585	64,906	89,131
5C_2A_ON50_OFF10	20718,040	13501,463	11818,625	65,168	87,536
5C_2A_ON30_OFF10	18799,168	10769,068	8981,763	57,285	83,403
5C_2A_ON20_OFF10	18250,878	10561,172	8802,653	57,867	83,349
5C_2A_ON5_OFF5	12477,512	6907,649	5546,986	55,361	80,302
5C_2A_ON5_OFF10	9455,098	4784,810	3214,852	50,606	67,189
5C_20A_ON55_OFF5	109564,642	102383,145	98507,086	93,445	96,214
5C_20A_ON50_OFF10	104089,060	94878,308	91233,855	91,151	96,159
5C_20A_ON30_OFF10	81341,850	72124,963	69133,627	88,669	95,853
5C_20A_ON20_OFF10	84977,083	75187,383	72068,735	88,480	95,852
5C_20A_ON5_OFF5	52543,129	44298,620	43593,176	84,309	98,408
5C_20A_ON5_OFF10	36116,195	29944,806	29061,185	82,912	97,049
5C_MAX_ON55_OFF5	243110,154	226059,091	207643,673	92,986	91,854
5C_MAX_ON50_OFF10	218537,275	202956,273	186448,074	92,870	91,866
5C_MAX_ON30_OFF10	163953,463	151764,949	140343,898	92,566	92,475
5C_MAX_ON20_OFF10	169439,995	154662,620	143004,392	91,279	92,462
5C_MAX_ON5_OFF5	102686,358	90503,100	86245,994	88,135	95,296
5C_MAX_ON5_OFF10	60244,326	52753,635	50412,458	87,566	95,562

Wnioski z badań

W trybie manualnym:

• Sprawność ładowarki zależy od ilości załączonych cel i jest najniższa dla 1 celi, oraz zależy od wielkości prądu ładowania – im wyższy prąd tym lepsza sprawność.
• Sprawność krosownicy dla mniej niż 5 załączonych cel rośnie wraz z rosnącym prądem do ok. 10A po czym, gdy prąd rośnie do 50A sprawność jej spada.
• Charakterystyczne jest, że sprawność krosownicy osiąga swoje maksimum w zakresie prądu 10 ÷ 20A.

W trybie cyklicznym:

• Sprawność wszystkich modułów jest najmniejsza dla prądu 2A i rośnie wraz z rosnącym prądem ładowania.
• Sprawność ładowarki maleje wraz ze zmniejszaniem czasu ładowania w stosunku do czasu przerwy w cyklu.
• Sprawność krosownicy w niewielkim stopniu zależy od proporcji czasu ładowania i czasu przerwy w cyklu dla prądu od ok. 20A.

Należy zwrócić uwagę, że na wyniki badań sprawności krosownicy wpływ mają również przewody połączeń krosownica-symulatory.