Pojedyncze ogniwa Li-Ion mają jednak 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 zapewnienie 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 100 kWh. Oznacza to, że największe zasobniki mogą być wykonane z kilku, a nawet kilkunastu tysięcy 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 pakietu akumulatorowego.
Im więcej ogniw, tym większe wymagania w zakresie BMS
W przypadku systemów akumulatorowych wykonanych w postaci dużych pakietów lub zestawów modularnych pojawia się konieczność zarządzania ich pracą. Systemy takie wykonywane są jako autonomiczne, elektroniczne układy pomiarowo-sterujące określane jako systemy BMS (Battery Management System). Część parametrów technicznych ogniw ma charakter krytyczny i wymaga ciągłego nadzoru oraz zarządzania. Utrzymanie właściwej temperatury, wyrównywanie stanu naładowania i kontrolowanie poziomu naładowania poprawia parametry eksploatacyjne i wydajność całego systemu akumulatorowego. Topologia połączeń ogniw oraz parametry techniczne systemów akumulatorowych zarządzanych przez scentralizowane systemy BMS wynikają z ograniczeń chipów kontrolerów BMS. Duże systemy akumulatorowe zbudowane z wielu ogniw lub modułów wymagają systemów BMS, które realizują wszystkie funkcjonalności i dodatkowo wykonane są w architekturze systemów modularnych i rozproszonych. W obecnie dostępnych modularnych systemach BMS na pojedynczy moduł podrzędny BMS przypada od 1 do 16 ogniw połączonych szeregowo. Liczba kolejnych modułów łączonych szeregowo jest ograniczona liczbą modułów kontrolowanych przez nadrzędny BMS lub wynika z ograniczenia maksymalnego napięcia systemu. Systemy rozproszone BMS o napięciach do 1000 V organizują ogniwa w modułach połączonych szeregowo od 1 do 16 ogniw na jeden moduł podrzędny BMS. Oznacza to, że w systemie akumulatorowym uzyskanie znamionowego napięcia wyjściowego na poziomie 1000 V wymaga połączenia 63 modułów typu 16S.
Komunikacja w BMS
Zapewnienie komunikacji z kontrolerem nadrzędnym BMS (Master) wymaga wykonania w najprostszej konfiguracji interfejsu komunikacyjnego przewodowego blisko 130 połączeń elektrycznych i zastosowania takiej samej liczby układów separatorowych. Dlatego też w ostatnich kilku latach pojawiły się publikacje i prezentacje prototypowych rozwiązań rozproszonych systemów BMS wykorzystujących połączenia międzymodułowe, bezprzewodowe (radiowe). Zasada komunikacji międzymodułowej bezprzewodowej jest taka sama jak dla systemów z komunikacją przewodową i sprowadza się do zapewnienia połączenia kontrolera nadrzędnego BMS (master) ze wszystkimi podrzędnymi modułami BMS (slave). Prototypy laboratoryjne i prace badawcze wykorzystują moduły nadawczo-odbiorcze radiowe w pasmach ISM oraz powszechnie dostępne kontrolery komunikacyjne ZigBee lub Bluetooth. Wśród niewielkiej liczby rozwiązań prototypowych wyróżnia się opracowany przez Navitas Solutions system komunikacji WiBaAN (Wireless Battery Area Network) do bezprzewodowych systemów BMS (WBMS). Potwierdza to znaczenie problemu i wskazuje na pionierskie próby standaryzacji bezprzewodowych systemów komunikacji WiBaAN w systemach akumulatorowych. Dostrzegając ogromny postęp w zakresie technologii bezprzewodowych obejmujących zasilanie bezprzewodowe i cyfrową komunikację radiową, należy uznać, że opracowanie technologii bezprzewodowych w systemach akumulatorowych jest przesądzone i jest jedynie kwestią czasu. Ponadto zastosowanie bezprzewodowej komunikacji w systemach akumulatorowych jest znaczącym krokiem w kierunku implementacji technologii IoT (Internet of Things) w przyszłych systemach akumulatorowych.
System Exergy Pack
Powyższe przesłanki są główną motywacją firmy BTO do opracowania systemu złożonego o nazwie Exergy Pack (EP). Firma będzie realizowała to przedsięwzięcie w oparciu o dofinansowanie unijne w ramach programu IUSER.
Wdrożenie EP zapewni szereg korzyści, m.in.:
- skalowalność – możliwość łatwej i szybkiej rozbudowy systemu,
- bezpieczeństwo – zapewnienie kontroli termicznej ogniw,
- miniaturyzacja – redukcja gabarytów i wagi systemu akumulatorowego,
- efektywność – zwiększenie żywotności pakietów akumulatorów.
Korzyści ekonomiczne jakie zapewnia system EP to:
- skrócenie czasu realizacji zleceń o 20%,
- skrócenie czasu realizacji akcji serwisowych o 33%,
- zmniejszenie do 10% liczby usterek komunikacyjnych,
- skrócenie czasu montażu pakietu akumulatorów o 75%,
- zmniejszenie kosztów konstrukcji holderów o 5%,
- zmniejszenie czasu reakcji czujników temperatury o 3 do 5 s,
- zwiększenie żywotności pakietów akumulatorów o 30%,
- zmniejszenie kosztów systemu akumulatorowego o 8%,
- skrócenie czasu montażu systemu akumulatorowego o co najmniej 20%.
BTO Sp. z o.o.
ul. Fabryczna 25, 90-341 Łódź
tel. 42 672 42 02, www.bto.pl, office@bto.pl
