Niniejsze zadanie stanowi kluczową część projektu i na tym etapie badano działania niskostratnego układu wyrównywania stopnia naładowania ogniw akumulatorowych połączonych w baterię szeregowa (nazywanego dalej active balancing) dostosowanego do konkretnego zastosowania. Dla przeprowadzenia badań pracy układu wyrównywania we współpracy z realna baterią ogniw akumulatorowych oraz w realnych warunkach, wykonano projekt części sprzętowej i wykonano oprogramowanie wbudowane urządzenia, zintegrowano z handlowo dostępnym modułem pomiarowym  a następnie przeprowadzono obszerne badania na konkretnych systemach będących w rzeczywistym użytku. Oprócz potwierdzenia prawidłowości funkcjonowania układu active balancing, wykonano badania porównawcze dla ilościowego określenia przewag jakie daje  zastosowanie układu active balancing w porównaniu do powszechnie stosowanego wyrównywania stratnego (passive balancing).

Zrealizowany we wcześniejszych zadaniach badawczych laboratoryjny układ wyrównywania ogniw pozwala na wyrównywanie baterii składającej się z maksymalnie 10 ogniw i o prądzie wyrównywania do 50A. Tak szerokie parametry pracy układu laboratoryjnego były konieczne dla realizacji badań o szerokich zakresach zmienności, ale nie zapewniały optymalnej pracy dla baterii o mniejszej ilości ogniw i mniejszym prądzie. Z tego powodu w dalszym etapie prac niezbędne było zaprojektowanie i wykonanie układu wyrównywania stanu naładowania ogniw, dedykowanego do pracy z wybraną realną i praktycznie wykorzystywaną przemysłowo baterią litową.

Założenia funkcjonalne

Układ wyrównania stopnia naładowania  dla baterii szeregowej stosowanej przemysłowo został zaprojektowany na podstawie założeń funkcjonalnych przygotowanych przez jednego z polskich producentów systemów bateryjnych. Wzięty pod uwagę został istniejący już system bateryjny, stosowany w wózkach zautomatyzowanych systemów magazynowych, w którym dotychczasowy układ passive balancingu został zastąpiony zaprojektowanym przez EVE sp. z o.o. układem active balancingu. Z założeń tych wynikły następujące parametry, które miał spełnić projektowany układ:

• Maksymalna moc strat cieplnych: 12,45W
• Maksymalny prąd: 7A
• Maksymalne napięcie wejściowe: 29,05V
• Minimalne napięcie wejściowe: 16,6V
• Maksymalne napięcie wyjściowe: 16,6V
• Minimalne napięcie wyjściowe: 2,7V
• Maksymalna moc balancingu: 116,2W

Ponadto przyjęto, że projektowany układ musi spełniać wymagania określone dla pojazdów opisane w „Regulaminie nr. 10 Europejskiej Komisji Gospodarczej Organizacji Narodów Zjednoczonych (EKG ONZ) – Jednolite przepisy dotyczące homologacji pojazdów w odniesieniu do kompatybilności elektromagnetycznej”.

Pakiet baterii szeregowej, wybrany do badań w ramach tego zadania, został zbudowany w układzie 7S1P. Bateria ta jest rozwiązaniem komercyjnym, stosowanym w systemach zasilania urządzeń mobilnych o napięciu znamionowym 25,9V (odpowiednik zasilania z dwóch 12V akumulatorów ołowiowych, połączonych szeregowo). Bateria zbudowana jest z ogniw litowo-polimerowych (Li-Po) o pojemności znamionowej 53Ah. Pakiet ten został wymontowany po 2 latach pracy, przez co odwzorowano warunki występujące w rzeczywistych zastosowaniach, charakteryzujących się zużyciem ogniw i zróżnicowaniem parametrów (pojemność ogniwa i jego oporność wewnętrzna).

Dane techniczne baterii:

• Napięcie znamionowe 25,9V
• Napięcie maksymalne/minimalne 29/18,9V
• Pojemność znamionowa 53Ah
• Ilość ogniw 7

Zakres pracy ogniw litowo-polimerowych:

• Ładowanie 0 – 40⁰C
• Rozładowanie – 20 – 60⁰C

Reżim pracy:

• Ładowanie prądem stałym o wartości 9A i napięciu maksymalnym 29V
• Rozładowanie w urządzeniu mobilnym w trybie obciążenia zmiennego (prąd chwilowy 45A@10s – podnoszenie ładunku, prąd ciągły 5A – urządzenie poruszające się z ładunkiem) w trakcie 8 godzinnej zmiany

Oczekiwania użytkowe:

• Bezawaryjna praca w trakcie całego okresu eksploatacyjnego
• Automatyczny nadzór wbudowanych układów elektronicznych nad poziomem napięcia poszczególnych ogniw
• Ochrona ogniw przed nadmiernym rozładowaniem, naładowaniem, pracą poza zakresem temperatur przewidzianym dla tego typu ogniw

Wyniki

Dla każdego z badanych układów (laboratoryjny i wdrożeniowy active balancing oraz układ passive balancing) przeprowadzono 5 cykli ładowania/rozładowania.

Układ laboratoryjny – active balancing

Układ wdrożeniowy – active balancing

Passive balancing

Wnioski

Porównanie:

1. Sumaryczna energia pobrana przez pakiet przy wykorzystaniu aktywnego balansera w wersji wdrożeniowej jest o 18.1% większa niż w przypadku balansingu aktywnego w wersji laboratoryjnej.
2. Sumaryczna energia pobrana przez pakiet przy wykorzystaniu aktywnego balansera w wersji wdrożeniowej jest aż o 157.8% większa niż w przypadku balansingu pasywnego.
3. Podczas rozładowywania pakietu z aktywnym balanserem w wersji wdrożeniowej ilość
   sumarycznej energii pobranej jest o 21.3% większa niż dla balansera aktywnego w wersji laboratoryjnej.
4. Podczas rozładowywania pakietu z aktywnym balanserem w wersji wdrożeniowej ilość sumarycznej energii pobranej jest aż o 193.8% większa niż dla balansera pasywnego.
5. Aktywna metoda balansingu w wersji wdrożeniowej po wykonaniu 5-cykli ładowania i rozładowania pozwoliła na zmniejszenie różnicy napięć pomiędzy ogniwami (delta) o 80.8% względem stanu początkowego.
6. Aktywna metoda balansingu w wersji laboratoryjnej po wykonaniu 5-cykli ładowania i rozładowania pozwoliła na zmniejszenie różnicy napięć pomiędzy ogniwami (delta) o 62% względem stanu początkowego.
7. Różnica napięć pomiędzy ogniwami (delta) po wykonaniu 5-cykli ładowania i rozładowania z wykorzystaniem pasywnego balansera zwiększyła się o 10.7% względem stanu początkowego.

EVE–AB – Punkt III – Zb 8.4.2 Raport z badań układu wdrożeniowego ED AB ICPT