Budowa pakietu akumulatorowego

Elektryczny autobus, samochód osobowy, rower, przydomowy magazyn energii czy ogromny magazyn sieciowy – wszystkie te urządzenia łączy jeden kluczowy komponent: pakiet akumulatorów. Jak zbudowane są te pakiety i jakie podstawowe parametry je charakteryzują? W tym artykule wspólnymi siłami z ekspertem Rafałem Biszczem postaramy się wyjaśnić to w przystępny sposób.

Ogniwo – podstawowy budulec pakietu akumulatorów

U samej podstawy pakietu bateryjnego leży jego podstawowy budulec – ogniwo elektrochemiczne, które przetwarza energię potencjalną wiązań jonowych na użyteczną energię elektryczną.

Może się to wydawać skomplikowane (i tak w istocie jest), ale w uproszczeniu można napisać, że wiązania jonowe wewnątrz dwóch oddzielonych od siebie elektrod takiego ogniwa są utrzymane w stanie nierównowagi, niczym dwa zbiorniki z gazem o różnych ciśnieniach odizolowane zamkniętym zaworem. Gdy połączymy bieguny elektrod, lub gdy otworzymy zawór między zbiornikami z gazem, zarówno elektrody jak i zbiorniki będą dążyć do tego, by osiągnąć stan równowagi. W przypadku zbiorników przepłynie więc gaz, zaś w przypadku elektrod, przez zamknięty obwód przepłyną elektrony, dając nam pożądany prąd elektryczny, a wewnątrz samego ogniwa zajdą reakcje jonowe, prowadzące do przepływu jonów pomiędzy tymi elektrodami.

Pisząc jeszcze prościej: nierównowaga wewnątrz ogniwa prowadzi do reakcji wewnątrz niego, co z kolei powoduje pojawienie się nierównowagi potencjałów, a więc napięcia na biegunach tego ogniwa. Wysokość napięcia na biegunach będzie więc odbiciem stanu nierównowagi wewnątrz samego ogniwa.

Tutaj pierwsze zastrzeżenie: nośnikiem ładunków elektrycznych wykonujących dla nas pracę będą elektrony, ale wewnątrz ogniwa ruch elektronów będzie naśladowany przez ruch jonów. Jakich jonów? To zależy od chemicznej budowy ogniwa. Mogą być to jony metali: miedzi, cynku, żelaza, litu czy sodu.

Rozumiejąc już podstawowy mechanizm działania ogniwa, możemy dokonać podstawowego rozróżnienia:

• Ogniwa pierwotne (primary cells) to takie, w których po ustaleniu się równowagi (rozładowaniu), reakcja ustaje i nie da się jej odwrócić (ogniwo zostaje nieodwracalnie zużyte)

• Ogniwa wtórne (secondary cell) to takie, w których po ustaleniu się równowagi (rozładowaniu), reakcja ustaje, ale da się przywrócić stan nierównowagi poprzez przyłożenia napięcia na bieguny (ładowanie).

Obecnie najpopularniejszymi ogniwami są tzw. ogniwa litowo-jonowe, co oznacza, że są to ogniwa wtórne, w których nośnikiem ładunku są jony litu.

Jak już zostało napisane, ładunki elektryczne, które wykonują dla nas pracę, są transportowane poprzez obwód elektryczny za pośrednictwem elektronów, ale wewnątrz samego ogniwa również odbywa się ruch ładunków elektrycznych, których nośnikiem są jony.

A zatem prąd elektryczny płynie również wewnątrz samego ogniwa.

Tutaj dochodzimy do pierwszego parametru, którym jest rezystancja wewnętrzna ogniwa – DCIR (direct current internal resistance), która w ogniwie li-ion waha się od kilku do kilkudziesięciu miliohmów [mΩ]. To właśnie rezystancja wewnętrzna jest odpowiedzialna za przetworzenie części energii elektrycznej w energię cieplną wewnątrz ogniwa, a więc za „grzanie się baterii”. Moc cieplna odpowiada równaniu: P=I²xR, a więc rośnie liniowo wraz ze wzrostem rezystancji wewnętrznej, i wykładniczo wraz ze wzrostem prądu.

Stąd też jednym z kluczowych parametrów ogniwa jest maksymalne natężenie prądu (I) mierzone w amperach [A], które może przez te ogniwo przepłynąć. Krótkie impulsy prądowe nie zagrzeją ogniwa w takim samym stopniu jak jego ciągły przepływ, stąd w specyfikacji technicznej ogniwa zawsze mamy do czynienia z dwoma wartościami:

• Maksymalne ciągłe natężenie prądu (maximum continuous current)
• Maksymalne chwilowe natężenie prądu (maximum peak current)

W celu zrozumienia kolejnego parametru ogniwa cofnijmy się do wcześniejszego opisu jego działania. Ładując nasze ogniwo, wychylamy je niejako z położenia równowagi. Po zamknięciu obwodu pomiędzy elektrodami płyną elektrony oraz jony, które niosą ze sobą ładunki elektryczne. Gdy dostateczna ilość ładunków zostanie przetransportowana, ogniwo znów wraca do położenia równowagi, przez co napięcie między biegunami zanika. Widzimy zatem, że do rozładowania ogniwa potrzebujemy skończonej ilości ładunków. Tę ilość ładunków niezbędnych do rozładowania ogniwa nazywamy pojemnością ogniwa, a jej miarę Kulombem [C], który jest równy amperosekundzie [As]. W praktyce użytkowej przeliczamy amperosekundę na amperogodzinę [Ah], która to jednostka widnieje na każdej tabliczce znamionowej pakietów akumulatorów.

Stosunek ładunku, który nie przepłynął jeszcze między elektrodami do całkowitego dostępnego ładunku nazywamy poziomem naładowania ogniwa (SoC – state of charge).

Warto tutaj zaznaczyć, że poziom naładowania ogniwa SoC nie mówi nam ile użytecznej energii elektrycznej pozostało w ogniwie! Tę jest określić bardzo trudno, gdyż w celu jej uzyskania należy pomnożyć pojemność ogniwa przez jego napięcie, a te drugie nie jest wartością stałą, nie przyjmuje też kształtu żadnej funkcji.

Przejdźmy zatem do samego napięcia pomiędzy biegunami ogniwa. Mierzymy je tradycyjnie, w woltach [V], ale równie tradycyjnie, jak to w przypadku ogniw bywa, sprawa się szybko komplikuje.

Z racji tego, że przez samo ogniwo przepływa prąd elektryczny, napotykając na rezystancję wewnętrzną DCIR, napięcie ogniwa pod obciążeniem nie równa się napięciu ogniwa bez obciążenia. Stąd w przypadku ogniw rozróżniamy:

• Napięcie obwodu otwartego (OCV – open circuit voltage)
• Napięcie obwodu zamkniętego (CCV – close circuit voltage)

To właśnie mierząc różnicę pomiędzy OCV i CCV przy danym natężeniu prądu, jesteśmy w stanie wyliczyć rezystancję wewnętrzną (DCIR) ogniwa.

Napięcie ogniwa zmienia się wraz z poziomem jego naładowania, zaś zależność ta nie poddaje się modelowaniu za pomocą funkcji matematycznej. Przebieg napięcia wyznacza się więc eksperymentalnie i jest on prezentowany jako krzywa napięciowa w funkcji SoC. Ogniwa o różnym składzie chemicznym będą różnić się przebiegiem krzywej napięciowej. Na podstawie przebiegu tej krzywej oblicza się zaś napięcie nominalne ogniwa (nominal voltage).

Gdy pomnożymy napięcie nominalne ogniwa [V] przez jego pojemność [Ah], otrzymamy nominalną energię ogniwa [Wh].

W tym momencie należy wprowadzić wątek okna stabilnej pracy ogniwa, które musi zawierać się w określonych granicach napięciowych oraz temperaturowych. Po przekroczeniu określonych temperatur bądź też wartości napięciowych, wewnątrz ogniwa zaczyna dochodzić do niezamierzonych reakcji chemicznych, przez co ulega ono uszkodzeniu bądź całkowitemu zniszczeniu.

Dlatego kolejnymi kluczowymi parametrami ogniwa są:

• Maksymalne napięcie ogniwa
• Minimalne napięcie ogniwa

Z racji tego, że napięcie ogniwa zmienia się wraz z poziomem rozładowania, a moc ogniwa jest iloczynem napięcia i natężenia prądu, również moc ogniwa zmienia się wraz z poziomem rozładowania – będąc największą w momencie największego SoC.

Jak widać – im wyższe napięcie nominalne ogniwa, tym więcej użytecznej energii może ono pomieścić. Wśród ogniw li-ion najpopularniejszymi podtypami są:

• NMC – napięcie znamionowe około 3,7 V
• LFP – napięcie znamionowe około 3,2 V
• LTO – napięcie znamionowe około 2,4 V

Już sam rzut oka na napięcia znamionowe pozwala stwierdzić, które z powyższych podtypów gromadzą najwięcej energii oraz które z nich są najbardziej niestabilne chemicznie.

No właśnie, a co oznaczają tajemnicze skróty: NMC, LFP, LTO, LMO, LCO, NCA i inne?

To nic innego jak nieprecyzyjne, potoczne nazwy składów chemicznych poszczególnych ogniw, które wraz ze wzrostem zróżnicowania mają coraz mniejszą wartość informacyjną, a wprowadzają coraz więcej zamętu.

Przykładowo ogniwo NMC oznacza takie, w którym katoda składa się z tlenków litu, niklu, manganu i kobaltu. Ale proporcje trzech ostatnich pierwiastków różnią się, stąd wprowadzenie oznaczeń NMC111, NMC532, NMC811 itd. Jednak skrót ten nie definiuje już np. budowy anody, dodatków zawartych w elektrolicie itd. Stąd też należy uważać, używając takich potocznych skrótowców, gdyż mogą być mylące.

Na koniec jeszcze jeden ważny parametr, a mianowicie C-rate [C – nie mylić z Kulombem] lub [1/h]. C-rate to stosunek natężenia prądu ładowania/rozładowania ogniwa [A] w stosunku do jego pojemności [Ah]. Im C-rate jest większy, tym większe natężenie prądu może znieść dane ogniwo. C-rate jest bardzo przydatnym parametrem przy porównywaniu osiągów danego pakietu akumulatorów, choć przeciętnemu użytkownikowi wystarczy wartość mocy [P], ewentualnie natężenia prądu [A].

Moduł

Po przyswojeniu wiedzy na temat ogniw pójdzie już bardzo prosto.

Moduł składa się z jednego bądź kilku połączonych ogniw, zaopatrzonych w układ monitorowania oraz zarządzania ich pracą.

Ogniwa możemy łączyć:

• Szeregowo, przez co dodajemy do siebie ich napięcia
• Równolegle, przez co dodajemy do siebie ich pojemności

Sposób połączenia ogniw w module opisujemy skrótami (x)s (y)p, gdzie s (serial) oznacza liczbę ogniw podłączonych szeregowo, a p (parallel) – równolegle.

Przykładowo, jeśli mamy ogniwo o napięciu 2 [V] i pojemności 1 [Ah], to następujące moduły będą posiadały parametry:

• 1s2p: 2 [V], 2 [Ah]
• 2s2p: 4 [V], 2 [Ah]
• 2s1p: 4 [V], 1 [Ah]
• 3s2p: 6 [V], 2 [Ah]

Jak  wcześniej wspomniano, ogniwa mają określone maksymalne i minimalne wartości napięciowe, oraz maksymalną wartość natężenia prądu, a zatem moduły są wyposażone w układy pomiaru napięcia ogniw oraz natężenia prądu.

Mierzone wartości są przesyłane do układu mikrokontrolerowego, który zawiera zaprogramowane instrukcje, które sterują pracą ogniw, np. poprzez rozłączenie układu po przekroczeniu minimalnego napięcia (rozładowaniu ogniwa).

Układ pomiarowy spięty z układem mikrokontrolera nazywamy sterownikiem baterii, choć w codziennym użyciu krąży nazwa BMS (battery management system).

BMS w swojej najprostszej postaci będzie posiadać następujące nastawy:

• Maksymalne natężenie prądu ładowania i rozładowania [A]
• Maksymalne napięcie – czyli napięcie odcięcia podczas ładowania (cutoff voltage – charge)
• Minimalne napięcie – czyli napięcie odcięcia podczas rozładowania (cutoff voltage – discharge)

Tego typu BMS nie pozwoli na naładowanie ogniw powyżej 80% SoC, gdyż przy takiej wielkości SoC napięcie ogniwa osiąga maksymalną dopuszczalną wartość, ale nadal jest możliwe przesłanie 20% ładunków między elektrodami. Gdy jednak napięcie zostaje osiągnięte, BMS rozłącza obwód i proces ładowania zostaje zatrzymany.

Tutaj warto podkreślić: to BMS – nie pakiet akumulatorów, bądź ładowarka odpowiada za ładowanie ogniw.

Bardziej zaawansowany BMS zezwala na przepływ prądu elektrycznego po osiągnięciu maksymalnego napięcia. Z racji tego, że same napięcie pozostanie już na stałym maksymalnym poziomie, wraz z przepływem kolejnych ładunków, natężenie prądu będzie maleć. Gdy te natężenie będzie dostatecznie małe, BMS rozpozna, że ogniwo zostało w pełni naładowane. Ten parametr nazywamy:

• Minimalnym natężeniem prądu [A] – czyli prądem odcięcia (cut-off current – charge)

Faza ładowania, w której nastawą sterownika jest maksymalne natężenie prądu nazywamy fazą stałoprądową (CC – constant current), zaś fazę po osiągnięciu maksymalnego napięcia, nazywamy fazą stałonapięciową (CV – constant voltage).

Warto tutaj podkreślić, że wraz ze spadkiem prądu ładowania w fazie CV, maleje również moc ładowania, przez co ładując pakiet baterii prądem o wartości 1 [C], naładowanie go do 80% SoC zajmie nam 48 minut, a na ładowanie pozostałych 20% trzeba poświęcić jeszcze około dwóch godzin!

Ładowanie baterii powyżej 80% SoC wpływa również negatywnie na jej żywotność, toteż często BMS fabrycznie blokuje możliwość takiego ładowania.

BMSy profesjonalne oprócz monitorowania napięcia i prądu, poprzez zaawansowane algorytmy potrafią określić jaki jest poziom naładowania (SoC) modułu, a nawet określić jaki jest ich stan zdrowia (SoH – state of health), który jest stosunkiem maksymalnej dostępnej pojemności ogniwa zdegradowanego, do pojemności ogniwa fabrycznie nowego.

Kolejną funkcją zaawansowanych BMS jest monitoring temperatury ogniw poprzez układy termistorowe oraz odcinanie obwodów w chwili przekroczenia wartości granicznych temperatury.

BMS-y mają również możliwość monitorowania parametrów poszczególnych ogniw w module i ich wzajemnego balansowania, by zapobiec przeładowaniu lub nadmiernemu rozładowaniu pojedynczych ogniw.

Moduł sam w sobie jest układem całkowicie wystarczającym do pełnienia funkcji akumulatora – stąd popularne battery banki czy baterie w rowerach elektrycznych to właściwie pojedyncze moduły.

Natomiast moduły wchodzące w skład większych zespołów – pakietów akumulatorów (battery pack) mają przede wszystkim złącze, którym łączą się z centralnym sterownikiem pakietu i poprzez protokół komunikacyjny przesyłają wszystkie zebrane oraz obliczone informacje do układu centralnego.

Pakiet akumulatorów (battery pack)

Pakiet akumulatorów to zbiór modułów połączonych ze sobą szeregowo bądź równolegle, za pośrednictwem wysokoprądowych szyn (busbarów), oraz wpiętych do centralnego sterownika pakietu.

W skład pakietu może wchodzić pokładowy sterownik ładowania (OBCM – on board charging module), który zawiera protokoły komunikacyjne, umożliwiające komunikowanie się z zewnętrzną ładowarką (EVSE – electric vehicle supply equipment), ale również i pokładowym przekształtnikiem czterokwadrantowym, który umożliwia odzysk energii elektrycznej z silnika. To właśnie OBCM na podstawie odczytów z BMS określa plan ładowania pakietu, na który składa się przede wszystkim zapotrzebowanie prądowe przesyłane do ładowarki. Dobrym przykładem jest tutaj sytuacja w której odpalamy naszego elektryka w zimie i pomimo ustawienia rekuperacji na najwyższy poziom, auto wyraźnie „nie chce hamować” z taką intensywnością jak zwykle – to dlatego, że sterownik pakietu ogranicza prąd z powodu zbyt niskiej temperatury ogniw, co wpływa na zwiększenie ich rezystencji wewnętrznej DCIR.

Pakiet posiada również system zarządzania temperaturą (TMS – temperature management system), który analizuje odczyty temperatur przesyłane przez BMS i bądź to chłodzi bądź też ogrzewa moduły za pośrednictwem przepływającego w wężownicach medium, połączonego z nagrzewnicami lub chłodnicami.

Pakiet posiada również złącza, a czasami i transmisję bezprzewodową za pośrednictwem których łączy się z komputerem pojazdu elektrycznego i finalnie z chmurą należącą do dostawcy pakietu, co pozwala na diagnostykę w czasie rzeczywistym i otrzymywanie aktualizacji.

Przykładowo w 2017 roku w czasie huraganu Irma, Tesla przesłała szybką aktualizację do pojazdów zagrożonych huraganem, zmniejszając restrykcje nałożone na wybrane parametry pakietu, przez co zwiększył się ich zasięg (oczywiście kosztem żywotności pakietów).

Na koniec warto nadmienić, że o ile napięcie znamionowe pojedynczego ogniwa NMC to zaledwie około 3,7 [V], to napięcia pakietów wynoszą około 400 [V] a nawet 800 [V], toteż należy obchodzić się z nimi z największą ostrożnością.

Rafał Biszcz