Fórum ElektroLab.eu

Napätie akumulátorov - od článkov k napäťovým systémom batériových úložísk

Napätie akumulátorov - od článkov k napäťovým systémom batériových úložísk
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  424 zobrazení
3
 0
Výroba energie alternatívnym spôsobom

Batériové systémy pre rôzne použitia vyžadujú špecifické napätie. Ktoré veličiny určujú výšku napätia v danej aplikácii a aké možnosti ponúkajú jednotlivé akumulátorové technológie?

Napäťové sústavy pre jednosmerné rozvody sú normované na 12 V, 24 V, 48 V, 120 V. V súvislosti s rozvojom batériových systémov pre uloženie väčšieho množstva energie dochádza v súčasnosti k vývoju i týchto napäťových hladín. Napätie batériových systémov sa tak postupne posúva k hodnotám v rádoch stoviek voltov a môžeme počuť aj o systémoch s batériami 1000 V.

 

Hovorí sa batéria alebo článok?

Odpoveď je veľmi jednoduchá: "Batéria je súbor vzájomne prepojených článkov." Napríklad ľudovým názvom "tužková batéria" sa správne nazýva článok R6 alebo LR6. Písmená v označení článku udávajú typ článku a číslo jeho rozmer. Článok je jeden elektrochemický systém skladajúci sa z anódy, elektrolytu a katódy. Z konštrukčných dôvodov je často medzi anódou a katódou vložený separátor z izolačného materiálu, ktorý ale umožňuje prepúšťať ióny nesúce elektrický náboj. Napätie článku je závislé od rozdielu elektrochemického potenciálu anódy a katódy. Je teda závislé na chémii článku, nie na jeho rozmeroch alebo mechanickrj konštrukcii.

Batéria môže byť tvorená sériovú, paralelný či sériovo - paralelnej kombinácie článkov.

 

Dosiahnuteľné napäťové úrovne v závislosti od typu použitých článkov

Vzhľadom k faktu, že napätie článkov je dané ich chemickú podstatou, nie je možné z článkov jedného typu zložiť batériu o ľubovoľnom napätí. Pretože v batérii je potrebné používať iba články jedného typu, je tak napätie celej batérie "kvantované". Napríklad jeden zinkovo - chloridový článok má napätie 1,5 V, takzvaná "plochá batéria" potom pozostáva z troch článkov a jej napätie je 4,5 V. Zo zinkovo-chloridových článkov tak nemožno zostaviť batériu s napätím 5 V.

V prípade akumulátorov sa zachovalo z minulosti rozdelenia napäťových hladín DC sústav po 2 V (6, 12 V, 24 V, 36 V, 48 V, 96 V, 120 V ...). Toto delenie vychádzalo z menovitého napätia oloveného akumulátora. Pri použití dnešných moderných lítiových článkov je potom snaha tieto hladiny z dôvodov kompatibility dodržiavať, a to aj za cenu, že v skutočnosti bude menovité napätie takej batérie mierne odlišné. Niektoré napäťové hladiny sú aj u moderných systémov zhodné. Ako príklad, možno uviesť konfiguráciu 10 × 3,6 V, ktorá sa vyskytuje u jednostopových dopravných prostriedkov.

Definícia napätia článku

Každý sekundárny (nabíjateľný) elektrochemický článok má definovanú základnú trojicu hodnôt napätia vychádzajúcich zo samotnej chemickej podstaty článku. Sú to: menovité napätie, minimálne vybíjacie napätie a maximálne nabíjacie napätie. Ďalej potom výrobcovia definujú takzvané odporúčané napätia. Tu sú tieto hodnoty popísané podrobnejšie:

  • Menovité napätie

Napätie uvádzané výrobcom článku na jeho obale, je typické pre daný článok. Väčšinou sa jedná o strednú hodnotu napätia, ktorú má článok pri vybíjaní.

  • Minimálne vybíjacie napätie

Je napätia, na ktoré možno článok bezpečne vybíjať, tak aby nedošlo k jeho trvalému poškodeniu. Pri vybíjaní na túto hodnotu (s výnimkou NiCd) ale dochádza k zníženiu cyklické životnosti článku.

  • Doporučené vybíjacie napätie

Výrobca preto často odporúča ešte druhú (mierne väčšia) hodnotu napätia, než je minimálna vybíjacie napätie, pri tejto hodnote potom zaručuje cyklickú životnosť článku. Nie vždy je táto hodnota uvádzaná v dátovom liste článku na viditeľnom mieste, pretože, hoci mierne, negatívne ovplyvňuje hlavný parameter článku, a to je veľkosť uloženej energie, teda kapacitu.

  • Maximálne nabíjacie napätie

Je napätie, ktoré možno bezpečne dosiahnuť pri nabíjaní článku, bez jeho deštrukcie alebo veľmi rýchle degradácie kapacity.

  • Odporúčané nabíjacie napätie

Podobne ako pri napätí vybíjacieho, výrobca väčšinou odporúča s ohľadom na životnosť článok nabíjať na napätie mierne menšie. Často tento fakt tiež nezmieňuje v dátovom liste explicitne. Ale u dobrého a kvalitného výrobcu článkov je obvyklé tieto hodnoty uvádzať a to vrátane výpočtu príslušnej kapacity článku, ktorá je potom uvádzaná ako "využiteľná kapacita článku".

Z vyššie uvedených bodov vyplýva, že článok je optimálne z hľadiska napätia prevádzkovať v medziach daných odporúčaným vybíjacín napätím a odporúčaným vybíjaciím napätím.

Tabuľka 1 uvádza rôzne druhy napätia pre najbežnejšie články typu:

  • nikel - kadmium (NiCd),
  • nikel - methal-hydrid (NiMH,
  • lítium - železo - fosfát (LFP),
  • lítiový článok typu nikel - mangán - kobalt (NMC),
  • lítium - titanátový článok (LTO)
  • a článok olovený (Pb).

Tabuľka 1: Prehľad napätia jednotlivých článkov (Pre NiCd je uvažované minimálne napätie článku 0,9 V)

  Typ článku NiCd NiMh Li Pb
LFP NMC LTO
1 článok Menovité napätie (V) 1,2 1,2 3,2 3,7 2,4 2,0
Minimálne vybíjacie napätie (V) 0,9 1 2,5 2,5 1,7 1,75
Maximálne nabíjacie napätie (V) 1,4 1,4 4 4,2 2,8 2,35
Batéria Batéria 12 V (počet článkov) 10 10 4 4 5 6
Menovité napätie (V) 12 12 12,8 14,8 12 12
Minimálne vybíjacie napätie (V) 9 10 10 10 8,5 10,5
Maximálne nabíjacie napätie (V) 14 14 16 16,8 14 14,1
Minimum (v % menovitého napätia) 75 83 78 68 71 88
Maximum (v % menovitého napätia) 117 117 125 114 117 118
Zmena napätia počas prevádzky (%) 42 33 47 46 46 30

 

Dosahované napäťové hladiny

Napätie článku sa teda pohybuje v rozmedzí medzi dolnou a hornou hodnotou doporučenej výrobcom. Napríklad pre olovenú 12V batériu vybíjanú malým prúdom to znamená 10,5 V až 14,1 V. V prípade náhrady LiFePO4 batérií (menovité napätie 12,8 V) sa pohybujeme v hodnotách 10 V až 16 V. Príklady pre viac druhov článkov zložených v 12V batérii je možné nájsť v tabuľke (viď Tabuľka 1).

Z tabuľky tiež je zrejmé, o koľko percent sa zmení napätie počas nabíjania či vybíjania článku. Tento rozsah je potrebné brať do úvahy pri návrhu batériových systémov. U systémov založených na olove bola táto zmena okolo 30%, v prípade moderných lítiových systémov sa blíži až k 50%. Takáto variabilita napätia potom môže viesť k problémom pri dimenzovaní napájacieho systému a v prípade záťaže typu "konštantný výkon" aj k možnému preťaženiu batérie či striedača.

Na druhú stranu lítiové systémy majú plochšiu vybíjaciu charakteristiku, a tak ak batéria nepracuje v rozmedzí hodnôt medzných, ale odporúčaných, prípadne ak ešte viac obmedzíme z dôvodov dlhšej životnosti minimálne prevádzkové napätie, je zmena napätia porovnateľná, respektíve lepšie ako u batérií olovených. Pre ilustráciu pozri Obrázok 1.

Obrázok 1: Porovnanie vybíjania generickej Lítiovej batérie  v porovnaní s olovenou batériou. Porovnanie platí pre zhodné zaťaženie batérie (C rate) a zhodný stav životnosti (SOH). Na zvislej osi je relatívna zmena napätia. Z obrázku je zrejmá plochá časť charakteristiky v prevádzkovej oblasti batérie (medzi čiarkovanou čiarou). C rate, DOD, SOH

Príklady použitia rôznych hladín napätia

Napäťové hladiny úzko súvisia s použitím batérie v danej aplikácii. Často sú tieto hladiny dlhodobo fixované a ich zmena nie je ľahká. Príkladom je  olovený štartovací akumulátor, ktorý sa vyskytuje aj v dnes populárnych elektromobiloch ako záloha napájania systémov vozidla.

Stacionárne batériové systémy pre domáce využitie majú najčastejšie úložnú kapacitu okolo 5 kWh, s výkonom 3 kW až 8 kW. Ak vezmeme strednú hodnotu 5 kW, znamená to pri systémovom napätí 12 V prúd cez 400 A, pri napätí 48 V je to cca 100 A. Pre vysokonapäťové batérie (HV) vychádza ale prúd pri systémovom napätí 300 V na 16 A. Každý s prístupov ku konštrukcii batériového zväzku má svoje pozitívne aj negatívne stránky.

12V systémy

12V rozvody sú v súčasnej dobe najbežnejšie ako napätie pre palubnú sieť u osobných automobilov, ďalej pre systémy LED osvetlenia. V prípade automobilu je zdrojom napätia systém alternátor - olovená batéria. O nabíjanie a stráženie napäťové hladiny sa stará riadiaci systém. U starších vozidiel elektro - mechanický (nabíjacie relé) a pri novších potom elektronický systém. Nevýhodou elektromechanického systému je väčšia rozmedzie prevádzkového napätia a tým aj možnosť prebíjania batérie, voči ktorému sú citlivé predovšetkým takzvané bezúdržbové batérie. 12V systémy pre budovy sú doménou predovšetkým malých autonómnych (ostrovných) systémov pre napájanie menších rekreačných objektov, ktoré nemajú pripojenie na rozvodnú sieť.

24V systémy

24V systémy nájdeme predovšetkým ako palubnú sieť nákladných automobilov a pracovných strojov. Ďalej sa s týmto napätím možno stretnúť v rozsiahlejších autonómnych systémoch s výkonmi okolo 1 až 2 kW, ktoré sú často využívané na napájanie väčších odľahlých rekreačných objektov, kde zaisťujú základné pokrytie potrieb elektrickej energie na svietenie a prevádzku niektorých spotrebičov. Výhodou je zhoda s palubným napätím nákladných automobilov, ktorá zaručuje dostatočné portfólio spotrebičov pre túto napäťovú hladinu.

48V systémy

48V palubná sieť u moderných hybridných automobilov umožňuje využitie elektrickej energie aj pre pohon energeticky náročnejších aplikácií ako sú klimatizácia, jazdný asistenti, aktívny podvozok a v neposlednom rade je možné pri tomto napätí už uvažovať aj pre využitie elektrickej energie na pohon vozidla. Hlavnou výhodou stáleho palubného napätia 48 V je potom zachovanie týchto funkcií aj pri vypnutom spaľovacom motore. V neposlednom rade znamená vyššie napätie úsporu medi použitej na vodiče (káblový zväzok môže mať menší prierez), ktorá so sebou nesie zníženie nákladov na elektroinštaláciu vozidla.

U autonómnych systémov je 48 V najbežnejšie napäťová hladina pre systémy s výkonom 2 kW až 5 kW.

Použitie hladiny 48 V u domácich batériových systémov je možné vnímať ako snahu o úsporu nákladov (je použitá väčšinou kompaktná batéria 48 V ako základ stavebnicového riešenia) nie technologické optimum. Viď ďalej. Použitie 48V technológie sebou nesie aj úsporu na bezpečnostných opatreniach proti úrazu elektrickým prúdom, na druhú stanu tak vznikajú systémy s výrazne vyššími prúdmi (desiatky až stovky ampér), ktoré sú potom náchylnejšie na havárie spôsobené tepelnými účinkami takéhoto prúdu.

96V systémy

Menej rozšírené systémové napätie pre výkony do približne 10 kW. Uplatnenie nájdu predovšetkým v domácich batériách stredného výkonu, aj keď aj tu je skôr preferované paralelné radenie 48V systémov, a to z dôvodov dostupnosti širokej škály meničov a nabíjačov pre napäťovú hladinu 48 V.

120V systémy

120 V je staršia, ale  veľmi rozšírená napäťová sústava pre jednosmerné rozvody. Bola využívaná hlavne pre záložné napájanie technologických celkov a rozvodní vysokého napätia.

HV systémy

Ako vysokonapäťové (HV) systémy, sú označované systémy pre napätie vyššie ako približne 150 V. V prípade elektromobilov sa najčastejšie pohybuje napätie batériových paketov u hybridných vozidiel do 200 V (jedná sa o kategóriu označovanú ako Mild Hybrid), u hybridných vozidiel kategórie plug - in hybrid potom 200 v až 600 v a v prípade vozidiel plne elektrických do 800 v prípade vozidiel vyššieho výkonu, napríklad pretekárskych špeciálov.

U domácich batérií je snaha používať napäťové hladiny blízkej špičkovej hodnote požadovaného výstupného striedavého napätia. Teda 325 V pre jednofázový systém, prípadne cca 600 V pre systém trojfázový. Dôvodom tejto snahy je minimalizácia strát v systéme spôsobených úpravou hodnoty napätia (pozri nižšie). Vyššia napäťová hladina sebou nesie na jednu stranu mierne zvýšenie rizika úrazu elektrickým prúdom a vyššie riziko horenia jednosmerného oblúka pri náhodnom skrate, ale na druhú stranu menšie prevádzkové prúdy výrazne znižujú tepelné namáhanie jednotlivých komponentov a straty.

Porovnanie výkonu systému vs. systémové napätie viď Obrázok 2.

Obrázok 2: Porovnanie výkonu a systémového napätia rôznych aplikácií batérií. Červený obdĺžnik (12 V) značí typickú 12V palubnú batériu osobného automobilu. Skratka MildHEV označuje hybridné vozidlá, ktoré využívajú krátkodobo pre pohon batériu dobíjanie z palubného generátora. Ako HEV sú potom označované hybridné vozidlá, známe tiež pod skratkou plug-in hybrid. EV sú elektromobily a skratkou BESS označujeme stacionárne batériová úložiska. BESS doslova znamená battery-energy-storage-system.

Ďalšie dôvody voľby hodnoty hladiny napätia

Čo ovplyvňuje voľbu napäťové hladiny systému okrem nárokov danej aplikácie a počtu článkov? V prípade jednosmerného napätia je nutné spomenúť dve deliace roviny a to hodnotu cca 28 V a hodnotu 60 V. Prvá hodnota je hodnotou napätia, od ktorého je možné udržať zapálený oblúkový výboj. Druhá hodnota sa potom považuje za hranicu napätia bezpečného.

Straty v systéme

Stratový výkon rezistora je definovaný ako súčin napätia na rezistore a prúdu rezistorom prechádzajúcim. Ak vyjadríme straty v obvode ako výkon zmarený na odporu vodičov, potom možno konštatovať, že zmarený výkon rastie kvadraticky s rastúcim prúdom. Je preto žiaduce prechádzajúci prúd znížiť, čo možno dosiahnuť zvýšením napätia.

Dimenzovanie vodičov sa často vykonáva na základe maximálnej povolenej prúdovej hustoty pre daný materiál vodiča. Je teda žiaduce znižovať hustotu prúdu (prúd) vo vodiči, a to použitím vyššieho napätia. Na druhú stranu príliš nízka prúdová hustota znamená nižšie využitie vodiča a tým pádom vyššie náklady na vedenie. Preto je vždy potrebné hľadať kompromisné riešenie.

Samotný elektrochemický článok (lítiového typu) má hodnotu maximálneho napätia okolo štyroch voltov. Pre uloženie väčšieho množstva energie je potom potrebna veľká ampérhodinová kapacita článku. Sériovej radenie článkov tak umožňuje zvýšenie uloženej energie bez zbytočného zväčšovania ampérhodinovej kapacity a predovšetkým vybíjacích prúdov.

Z vyššie uvedených postrehov možno teda vyvodiť záver, že pre prevádzku batériového úložiska s veľkou kapacitou je vhodné zvýšiť napätie systému. Bohužiaľ zvyšovanie systémového napätia sériovým radením článkov so sebou nesie riziko nerovnomerného rozloženia napätia na článkoch a tým aj ich možné poškodenie. Takýto systém potom výrazne zvyšuje nároky na riadiace systémy (BMS, battery management system). Systém pre vysoké napätie musí byť pre splnenie požiadaviek bezpečnosti dimenzovaný na krátkodobé prepätia v poriadku tisícov voltov, napr. prostredníctvom minútovej skúšky napätím 2 kV.

Bezpečnosť systémov

Z hľadiska úrazu elektrickým prúdom o maximálnom bezpečnom napätí rozhoduje okolité prostredie. U jednosmerných (DC) systémov je za bezpečnú hodnotu považované napätie živých častí 60 V (krátkodobo - pri poruche - možno pripustiť výskyt napätia až 120 V) v prípade obzvlášť nebezpečných priestorov (vlhké, stiesnené priestory) je potom maximálne prípustné napätie pri poruche 25 V a nie je povolený dotyk so živou časťou. V prípade špecifických požiadaviek môže byť hladina bezpečného napätia ďalej znížená na 12 V. Systémy s napätím vyšším ako je cca 100 V tak možno považovať vo väčšine prípadov za systémy nebezpečné. V prípade systémov o systémovom napätí vyššom ako cca 28 V je potreba pripočítať ešte nebezpečenstvo spojené s horením oblúka pri prerušení obvodu. Horenie oblúka je sprevádzané veľkým vývinom tepla a následným poškodením (opálením) aj kovových častí systému. Ďalej je tu nezanedbateľné riziko úrazov - popálenín - u obsluhy takéhoto systému.

Prevedenie spínacích a istiacich prvkov

Oblúk je tiež hlavným limitujúcim faktorom pri kontaktnom spôsobe spínania jednosmerného prúdu. Pri napätiach pod cca 28 V možno vplyv oblúka zanedbať. V tom prípade sa spínacie prvky konštruujú ako systémy bez zhášacích komôr a je nutné iba dimenzovať plochou kontaktu. Pri napätiach vyšších je nutné realizovať opatrenia pre zhášanie oblúka. Tieto systémy sú často veľmi komplikované (magnetické zhášanie, tlakovzdušné zhášanie) preto je v súčasnej dobe snaha tieto systémy nahrádzať, tam kde je to technicky možné a vhodné, pomocou bezkontaktných polovodičových spínačov. U spínačov je potom tiež nutné pri dimenzovaní zohľadniť vznik prepätia vplyvom indukčnosti obvodu, keď toto prepätie môže napomáhať zapálenie oblúka alebo poškodiť polovodičový spínač. Spínacie prvky je nutné dimenzovať s bezpečnostným koeficientom > 2, teda pre napätie 1200 V až 1600 V a v neposlednom rade je problematické aj samotné sériové radenie jednotlivých článkov s ohľadom na výrobné tolerancie kapacity článku. Avšak väčšina výkonových aplikácií, ako napríklad domáce batérie či pohon elektrických vozidiel, dnes smeruje k systémovému napätie 300 V až 600 V.

 

Autor: Ing. Pavel Hrzina, Ph.D., FEL ČVUT v Praze, Katedra Elektrotechnologie

Become a Patron!
Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár. Pridáte prvý? Za obsah komentárov je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

Webwiki ButtonSeo servis