Systemy akumulatorowe z łącznikami hybrydowymi

Podobny trend obserwowany jest w pojazdach osobowych i użytkowych, w których napęd elektryczny z zasilaniem akumulatorowym zastępuje powoli dotychczasowe silniki spalinowe. Wspomniane trendy wynikają głównie z rosnącej potrzeby mobilności społeczeństwa, w zakresie dostępu do informacji i przemieszczania.

Ponadto energia elektryczna jest najbardziej ekologiczną i użyteczną formą energii, konwertowaną w najbardziej efektywny sposób na pozostałe formy energii, jak energia cieplna, kinetyczna i elektromagnetyczna. Dużym wyzwaniem związanym z użytkowaniem energii elektrycznej jest jej magazynowanie i przechowywanie.

Współczesne systemy zasilania akumulatorowego w dużej części bazują na ogniwach wtórnych wykonanych w technologii litowej. Ogniwa litowe charakteryzują się najwyższymi obecnie współczynnikami energii właściwej (Wh·kg^-1), gęstości objętościowej energii (Wh·L^-1) oraz najwyższej aktywności elektrycznej elektrod wyrażanej jako potencjał międzyelektrodowy ogniw naładowanych. Dlatego też na bazie związków litu wytwarzane są zarówno elektrody, jak i elektrolity komercyjnych ogniw.

Wiele typów ogniw

Nazwy własne i handlowe najczęściej wynikają ze składu chemicznego katody, który ma decydujący wpływ na parametry techniczne ogniw. Najpopularniejsze, komercyjne ogniwa mają katody wykonane na bazie LiCoO₂ (skrótowo LCO), LiNiO₂ (LNO), Li(Ni_1-x-y Co_xAl_y)O₂ (NCA), Li(Ni_1-x-yMn_xCo_y)O₂ (NMC), LiMn₂O₄ (LMO) lub LiFePO₄ (LFP).

Materiał elektrod decyduje o dwóch kluczowych parametrach elektrycznych ogniwa: wartości potencjału międzyelektrodowego (napięcia wyjściowego) pojedynczego ogniwa oraz gęstości energii. Produkowane obecnie ogniwa Li-Ion charakteryzują się znamionowym napięciem wyjściowym od 2,2 V (LTO) do 4,0 V (NMC, LMO), a gęstość masowa energii osiąga wartości w zakresie od 85 Wh/kg do 170 Wh/kg.

Prognozuje się, że w najbliższych latach nastąpi dalszy wzrost tego parametru w konwencjonalnych ogniwach litowo-jonowych do wartości 400 Wh/kg. Znaczący progres w rozwoju alternatywnych materiałów elektrodowych i bardzo intensywne badania naukowe wskazują, że tańszą alternatywą dla obecnych rozwiązań, bliską komercjalizacji, mogą być ogniwa magnezowo-jonowe.

Natomiast dalszy dwukrotny lub nawet trzykrotny wzrost energii właściwej i gęstości energii będzie możliwy w przypadku komercjalizacji ogniw litowo-siarkowych, litowo-fluorowych, litowo-powietrznych i innych bazujących na związkach litu.

Pojemność ogniw (Ah) zależy głównie od objętości i zastosowanych materiałów. Na rynku są dostępne ogniwa w wykonaniu cylindrycznym, pryzmatycznym, typu "pouch" oraz w postaci wkładek akumulatorowych formowanych na potrzeby aplikacji. Ze względu na uwarunkowania techniczne i standaryzację, ogniwa cylindryczne produkowane są w wymiarach gabarytowych od 10×18 mm do 32×67,7 mm i pojemności nieprzekraczającej 6 Ah. Ogniwa pryzmatyczne tylko częściowo podlegają standaryzacji i definiują typoszereg F3-F8 o wymiarach nie większych niż 5,6×16,5×66 mm.

Pakiety

 

Rys. 1. Moduł ECO B-PACK w konfiguracji połączeń 1S16P

Pojedyncze ogniwa Li-Ion mają często zbyt małą pojemność i zbyt niskie napięcie znamionowe, aby stosować je jako samodzielne źródła zasilania. Dlatego też, łączy się je w układach szeregowych (xS), aby zwiększyć napięcie wyjściowe lub równoległych (yP), aby zwiększyć pojemność i obciążalność.

Najczęściej jednak uzyskanie właściwych parametrów wyjściowych, czyli napięcia wyjściowego i pojemności, uzyskuje się na drodze pakietowania ogniw w układach połączeń szeregowo-równoległych (xSyP). W ten sposób realizowane są zasobniki energii o napięciu wyjściowym do 1000 V i pojemności przekraczającej nawet 100 kWh [10]. Oznacza to, że największe zasobniki mogą być wykonane z kilku, a nawet kilkunastu tysięcy pojedynczych ogniw.

Aby uprościć konstrukcję, obsługę i serwis, bardzo często duże pakiety akumulatorowe wykonywane są w topologii połączeń modularnych, czyli poprzez łączenie pakietu z modułów bateryjnych, które stanowią najmniejszy, autonomiczny element systemu akumulatorowego. Przykładem modularnej konstrukcji dostępnej na polskim rynku jest system ECO B-PACK firmy BTO (rys. 1).

 

Rys. 2. Fragment łącznika hybrydowego z rdzeniem miedzianym i wstawkami niklowymi do zastosowań z ogniwami cylindrycznymi typu 18650

Obok ogniw, które są podstawowym komponentem w systemach akumulatorowych, należy zwrócić uwagę, że w dużych zespołach akumulatorowych instalowane są systemy zabezpieczeń i zarządzania energią BMS (Battery Management System) oraz systemy kontroli cieplnej systemu akumulatorowego BTMS (Battery Thermal Management System), układy energoelektroniczne sterujące, okablowanie strukturalne oraz szyny połączeń elektrycznych ogniw i modułów w systemy akumulatorowe.

Rozbudowana funkcjonalność i monitorowanie realizowane są zasadniczo poprzez wbudowane oprogramowanie układów BMS, BTMS oraz kontrolerów nadrzędnych podłączanych do systemu BMS/BTMS za pomocą interfejsu magistrali CAN, SMBUS, Ethernet i innych.

Jednym z aspektów marginalizowanych przy projektowaniu i konstruowaniu systemów akumulatorowych opartych o ogniwa cylindryczne są układy połączeń elektrycznych ogniw i modułów (rys. 2).

Budowa pakietów

 

Rys. 3. Rozkład temperatury ogniw w module akumulatorowym ECO B-PACK z szyną zbiorczą niklową przy obciążeniu modułu prądem 3C ("a") i rozkład temperatury ogniw w układzie z pojedynczym terminalem przyłączeniowym ("b")

Konwencjonalne systemy połączeń wykonane są z blach lub taśm niklowych i zgrzewane rezystancyjnie albo ultradźwiękowo. Wynika to z faktu, że obudowy cylindryczne ogniw również wykonane są z blachy niklowej. W dużych systemach akumulatorowych o wymiarach gabarytowych powyżej kilkunastu centymetrów pojawia się istotny problem rezystancji połączeń oraz rezystancji samych zgrzewów.

Przy dużym obciążeniu lub podczas szybkiego ładowania systemu akumulatorowego następuje nierównomierna dystrybucja prądu wewnątrz systemu poprzez rezystancję zależną od długości i jakości połączeń terminalu przyłączeniowego i poszczególnych ogniw w systemie akumulatorowym. Opisywany problem zilustrowany został na rysunkach 3a-b, na których pokazana została mapa termograficzna modułu ECO B-PACK z szyną zbiorczą wykonaną z niklu oraz pojedynczym terminalem przyłączeniowym szyny zbiorczej.

Ogniwa znajdujące się w bezpośrednim sąsiedztwie terminali ulegają znacznie szybszemu i intensywniejszemu nagrzewaniu niż ogniwa wewnątrz modułu. W efekcie efektywność systemu akumulatorowego jest zmniejszona o około 7%, a skrajne ogniwa narażone są na nadmierną eksploatację i przyśpieszone procesy starzeniowe związane z samonagrzewaniem.

 

Rys. 4. Rozkład temperatury ogniw w module akumulatorowym ECO B-PACK z hybrydową szyną zbiorczą przy obciążeniu modułu prądem 3 C

Stosując hybrydowe szyny zbiorcze o rezystancji odcinkowej poniżej 1 mΩ/dm wykonane z miedzi lub aluminium z powłoką niklową i wstawkami niklowymi, firma BTO osiągnęła znaczny wzrost efektywności oferowanych systemów akumulatorowych oraz poprawiła niemal wszystkie parametry eksploatacyjne, jak obciążalność, zwiększona żywotność ogniw i mniejsze straty energii wywołane rezystancją połączeń (rys. 4).

Opisywany problem rezystancji szyn zbiorczych jest szczególnie istotny w systemach akumulatorowych o dużym napięciu znamionowym, ponieważ w takim przypadku rezystancja wielokrotnych połączeń szeregowych jest proporcjonalna do liczby ogniw.

Podsumowując, osiąganie maksymalnej wydajności systemów akumulatorowych wymaga optymalizacji niemal wszystkich komponentów systemu akumulatorowego. Poprzez zastosowanie hybrydowych szyn zbiorczych w modułach akumulatorowych typu ECO B-PACK firma BTO zwiększyła wydajność eksploatacyjną oferowanych systemów akumulatorowych o blisko 8%, zapewniając tym samym jedne z najbardziej efektywnych źródeł zasilania wykonanych w technologii litowo-jonowej.

Dariusz Bogdański, Roman Gozdur
BTO Sp. z o.o.