Wstęp

Badanie układów wyrównywania stopnia naładowania ogniw w baterii szeregowej wymaga ich ciągłego testowania w różnorodnych warunkach odpowiadających tym, w jakich będą wykorzystywane. Wykorzystanie do testów fizycznych ogniw wymaga przeprowadzenia wielu cykli ładowania i rozładowania, co znacząco przedłuża fazę badawczą projektu. Poza cyklami ładowania i rozładowania wymagane jest sprawdzenie działania układu dla różnych konfiguracji niejednorodnych ogniw w ramach jednej baterii, a to wiąże się z koniecznością kompletowania wielu różnych baterii, co jest kosztowne i uciążliwe logistycznie. Nie bez znaczenia jest też koszt energii elektrycznej, bezproduktywnie zużywanej i traconej na ciepło, w badaniu procesu rozładowania baterii.

Rozwiązaniem dla tych problemów jest symulator ogniw o programowanej pojemności i charakterystyce napięciowej, pozwala to na zastąpienie symulatorem rzeczywistych ogniw przy pełnym odwzorowaniu ich zachowania. Za tym idzie możliwość przetestowania działania układu w bardzo szerokim zakresie warunków bez uciążliwości wynikających z ładowania i rozładowywania fizycznych ogniw, wymiany baterii i ich przechowywania. Udane zastosowanie symulatora pozwala na zmniejszenie kosztów i znaczące przyspieszenie prac badawczych. Znaczącą korzyścią jest także zminimalizowanie ilości ogniw wykorzystywanych podczas badań i tym samym zmniejszenie ich śladu ekologicznego.

Początkowy etap projektu Nr INNOTECH-K1-HI1-34-155074-NCBR skupiał się na zaprojektowaniu, skonstruowaniu i przebadaniu charakterystyki takiego właśnie symulatora. Etap ten zakończył się sukcesem w postaci symulatora ogniw Easy Driver Symulator EVE 2012, w skrócie ED SYM. Wyniki badań Instytutu Tele- i Radiotechnicznego przeprowadzonych między 24 kwietnia 2013 r. i 29 maja 2013 r. potwierdziły, że ED SYM funkcjonuje zgodnie z założeniami projektowymi i może być użyty jako narzędzie badawcze w dalszych pracach.

Założenia koncepcyjne

Założenia koncepcyjne symulatora ogniwa powstały w oparciu o analizę ogniw występujących na rynku, z której wynikło, że potrzebny dla badań był symulator zapewniający szeroki zakres napięć, dużą obciążalność prądową, możliwość symulacji różnych typów ogniw, regulacji rezystancji wewnętrznej w szerokim zakresie oraz odporny na ewentualne przepięcia, przeciążenia i wielokrotne przełączania w trakcie testów. W sumie założenia symulatora ogniw zostały przyjęte na tyle szeroko, ze zrealizowane urządzenie może symulować z zadowalającą dokładnością zachowanie i pracę każdego typu ogniwa akumulatorowego, nie ograniczając zastosowań do symulacji ogniw litowo-jonowych

Podstawowe funkcje modułu symulatora ogniwa:

Funkcje startowe:

1. inicjalizacja procesora i kontrolerów,
2. ustawienie stanu początkowego modułu.

Funkcje komunikacyjne:

1. odbiór z magistrali CAN wartości napięcia Um (napięcie na zaciskach symulatora) jakie trzeba wysterować na VS,
2. wysyłanie poprzez magistralę CAN wartości całki otrzymanego prądu ładowania.

Funkcje sterownicze:

1. stabilne sterowanie w zamkniętej pętli Uc (napięcie regulatora wyjścia symulatora) dla uzyskania zadanego napięcia Um,
2. pomiar prądu chwilowego Im,
3. całkowanie prądu ładowania za czas pomiędzy raportowaniem,
4. stabilne sterowanie sterowanie w zamkniętej pętli na podstawie ΔUm (spadek napięcia na diodzie mówiący o ładowaniu lub poborze energii z ogniwa) rezystancją CS (układ o zmiennej rezystancji i dużej mocy traconej na ciepło, sterowany z mikroprocesora) aby przy danym prądzie ładowania rzeczywiste Um było możliwie bliskie zadanemu Uc.

Projekt symulatora

Schemat blokowy modułu oraz funkcje modułu przedstawione są poniżej:

Rysunek 1:  Schemat blokowy symulatora ogniw.

Do realizacji sprzętowej symulatora wybrano procesor z rodziny STM 32. Mikrokontroler ten posiada na pokładzie rdzeń Cortex M3 taktowany z częstotliwością 72 MHz, 512 kB pamięci FLASH, oraz jest zasilany napięciem 2.0-3.6V (wejścia 5V tolerant). Dla realizacji symulatora wybrana została tzw. Performance line – STM32F103. Jest to linia mikrokontrolerów o największych możliwościach, dedykowana przede wszystkim do zastosowań przemysłowych i motoryzacyjnych. Przeznaczona jest do wymagających aplikacji, takich jak sterowniki silników, regulatory, układy przetwarzające dźwięk i obraz. Mikrokontrolery z tej linii posiadają na pokładzie peryferia takie jak: generatory PWM, sprzętowe sterowniki magistrali I2S, oraz CAN. Pomiar prądu wpływającego/wypływającego z symulatora został zrealizowany na układzie ACS758. Jest to czujnik prądowy wykorzystujący do pomiaru prądu efekt Halla, wybrany ze względu na szerokie możliwości pomiarowe prądu oraz szeroki zakres temperatur pracy. Po opracowaniu założeń koncepcyjnych funkcjonowania modułu oraz wyborze platformy sprzętowej dla realizacji zadania wykonano symulator ogniw.

Realizacja techniczna symulatora

Realizacja fizyczna opierała się na koncepcji wykonania symulatora baterii ogniw jako baterii dwupłytkowych modułów, z których każdy reprezentuje jedno ogniwo akumulatorowe. Na dwuwarstwowej płytce (ED_SYM_Ctrl_Board) umieszczono procesor oraz tory sterujące i służące do komunikacji, natomiast płytkę odpowiedzialną za pochłanianie prądu ładowania (ED_SYM_Pwr) wykonano jako jednowarstwową płytkę na podłożu aluminium, z dodatkowym chłodzeniem w postaci radiatorów i wentylatorów, dla lepszego odprowadzania ciepła. Symulator został wykonany we własnym zakładzie produkcji obwodów drukowanych EVE sp. z o.o. w Sosnowcu. Po wykonaniu fizycznym symulatora wykonano szereg testów potwierdzających poprawność koncepcji symulatora, testom poddane były wszystkie tory pomiarowe i sterujące w symulatorze oraz zweryfikowane zostały możliwości pochłaniania i oddawania energii ładowania i rozładowania. Układ został wyregulowany, aby zapewnić pełen zakres założonych prądów i napięć. Po wykonaniu testów opracowano algorytm sterujący pracą symulatora, który gwarantuje poprawne zachowanie symulatora, jego stabilną pracę oraz realizację wszystkich założeń do projektu.

W trakcie implementacji algorytmu regulacji, na bieżąco monitorowano zachowanie symulatora i wykonywano niezbędne regulacje algorytmu, tak aby zapewnić stabilną pracę symulatora zarówno w stanie jałowym jak i przy pełnym jego obciążeniu.

Dla sterowania symulatora wykonano oprogramowanie w języku C++, umożliwiające poprzez komputer klasy PC oraz interfejs CAN sterowanie pracą symulatora. Wykorzystywane są dwa rodzaje oprogramowania. Do celów adresacji, kalibracji oraz testowania symulatora wykonano oprogramowanie ED SYM Calib. ED SYM Calib umożliwia jednoczesną obsługę jednego urządzenia połączonego magistralą CAN z komputerem PC za pośrednictwem konwertera USB-CAN Peak.

Realizacja różnych charakterystyk napięciowo-ładunkowych symulatora możliwa jest dzięki kolejnemu oprogramowaniu. Aplikacja ED SYM SW (symulator ogniw współpracujący z urządzeniami ED SYM) jest przeznaczona dla systemu operacyjnego Windows. Steruje urządzeniami ED SYM w czasie rzeczywistym. Umożliwia jednoczesną obsługę od 1 do 10 urządzeń połączonych wspólną magistralą CAN z komputerem PC za pośrednictwem konwertera USB-CAN Peak. Głównym przeznaczeniem ED SYM SW jest symulacja charakterystyk ładowania-rozładowania ogniw, w których nośnikami ładunku są jony litu. Aplikacja dla każdego z podłączonych urządzeń ED SYM prowadzi symulację pojedynczego ogniwa i każde z urządzeń ED SYM steruje indywidualnie. ED SYM SW posiada wbudowaną bibliotekę zawierającą zestaw 5 typów katody ogniw litowych (LiMnxNiyO2, LiFePO4, LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2). Dodatkowo użytkownik może definiować własne charakterystyki.

Konstrukcja dwupłytkowych modułów, z których każdy reprezentuje jedno ogniwo akumulatorowe pozwala łączyć je w szeregowe baterie. Fizyczna konstrukcja symulatora przewiduje stosowne mocowania mechaniczne pozwalające w sposób stabilny i bezpieczny budować symulowaną baterię z indywidualnych modułów symulatora.

Symulator ogniw – płyta mocy – regulatory

Symulator ogniw – płyta mocy – odprowadzanie ciepła

Bateria Symulatorów ogniw – widok ogólny

Bateria Symulatorów ogniw – system odprowadzania ciepła

Badanie symulatora

Stanowisko badawcze dla symulatora ED SYM składa się z samego symulatora oraz z komputera PC z oprogramowaniem sterującym. Oba urządzenia połączone są magistralą CAN.

Wstępne badania zostały przeprowadzone przez EVE sp z o.o. i dały obiecujące wyniki. Aby obiektywnie potwierdzić, że symulator rzeczywiście spełnia stawiane przed nim wymagania i zapewnia solidną podstawę dla dalszych prac badawczych, EVE sp z o.o. zleciła Instytutowi Tele- i Radiotechnicznemu w Warszawie (ITR) laboratoryjne badania ED SYM. Zostały one przeprowadzone w kwietniu i maju 2013 r. i pozytywnie zweryfikowały wyniki wstępnych badań.

Schemat stanowiska badawczego

Celem badań było:

1. określenie z jakim błędem symulator generuje na swoich zaciskach zadane napięcie biegu jałowego;
2. określenie z jakim błędem symulator realizuje zależność napięcia wyjściowego od zadanej rezystancji wewnętrznej oraz prądu ładowania lub obciążenia;
3. określenie z jakim błędem symulator mierzy i raportuje poprzez magistralę CAN wartości prądu i napięcia;
4. określenie z jakim błędem symulator realizuje modelowaną charakterystykę ogniwa, zależność napięcia wyjściowego od stopnia naładowania tj. od napięcia początkowego i przyjętego lub wydanego ładunku;
5. zatwierdzenie symulatora ogniw ED SYM jako sprawdzonego składnika docelowego stanowiska badań układu aktywnego wyrównywania stopnia naładowania ogniw ED AB.
6. wyznaczenie błędu ustawiania zadanego napięcia wyjściowego symulatora bez obciążenia i ładowania (bieg jałowy);
7. wyznaczenie błędu symulacji wpływu rezystancji wewnętrznej na napięcie wyjściowe symulatora przy jego obciążeniu i ładowaniu;
8. badanie skuteczności odprowadzania mocy traconej ładowania w postaci ciepła
9. wyznaczenie błędu z jakim symulator realizuje charakterystykę napięciowo-ładunkową ogniw wybranych do symulacji przy obciążeniu;
10. wyznaczenie błędu z jakim symulator realizuje charakterystykę napięciowo-ładunkową ogniw wybranych do symulacji przy ładowaniu.

Wnioski z przeprowadzonych przez ITR badań:

• Symulator odwzorowuje na swoich zaciskach zadane napięcie przy biegu jałowym z błędem mniejszym niż 0,01V dla napięć nieprzekraczających 4,84V;
• Symulator realizuje zależność napięcia wyjściowego od zadanej rezystancji wewnętrznej oraz prądu ładowania w sposób zadowalający, pod warunkiem utrzymywania napięcia; ładowania powyżej sumy napięcia zadanego i spadku napięcia na rezystancji wewnętrznej
• Dla rozładowania błąd odtwarzania napięcia jest odwrotnie proporcjonalny do rezystancji wewnętrznej;
• Skuteczność odprowadzania mocy traconej ładowania w postaci ciepła jest lepsza dla maksymalnej rezystancji wewnętrznej niż dla rezystancji zerowej;
• Symulator realizuje charakterystyką napięciowo-ładunkową przy ładowaniu i obciążeniu z błędem mniejszym niż 0,02V
• Symulator realizuje charakterystyką napięciowo-ładunkową ogniwa typu Co przy obciążeniu, z uwzględnieniem odbieranego ładunku, z błędem mniejszym niż 0,02V
• Symulator realizuje charakterystyką napięciowo-ładunkową ogniwa typu MnNi przy obciążeniu, z uwzględnieniem odbieranego ładunku, z błędem mniejszym niż 0,011V

Pełny tekst sprawozdania z badań na ED SYM przeprowadzonych przez ITR