O bateriích a BMS

K čemu je tento text?

Baterie, resp. akumulátorové úložiště, je důležitou součástí solárního systému a zásadním způsobem ovlivňuje chování, činnost a návratnost vaší investice do systému. Pojďme se tedy podívat na některé důležité vlastnosti akumulátorů, akumulátorových sad a BMS. Tento text si klade za účel vysvětlit některé pojmy a časté otázky k provozování bateriového úložiště. Většina věcí zde uváděných má obecnou platnost, ale článek je cílen především na uživatele a instalátory baterií WATTSONIC. Ve své druhé části s názvem „O bateriích a BMS Wattsonic“ budou uvedeny i specifické informace, pokyny a postupy k těmto bateriím.

Baterie

LiFePO4 Lithno železnatý fosfát má díky své struktuře výborné vlastnosti při vyšším zatížení. Má vynikající tepelnou i chemickou stabilitu, mnohem lepší než LiCoO2 a nedochází v něm k degradaci struktury během přesunu Li iontů. Je nehořlavý a teplotně odolný, a proto není tak náchylný na špatné zacházení při nabíjení či vybíjení. Je šetrnější k životnímu prostředí. Teoretická kapacita je 170 mAh/g. Reakce se může účastnit téměř veškeré Lithium v článku – baterie je tedy efektivnější. Některé akumulátory jsou schopny dodat pracovní proud přes 50 A. Akumulátory mají vyšší životnost a lze je použít v teplotním rozmezí od 0°C až do 70°C. Menší nevýhoda je nízká vodivost a to má za následek sníženou schopnost nabíjení a vybíjení vysokými proudy, ale vzhledem k obrovské převaze nad ostatními materiály vhodnými pro kladnou elektrodu, které se týkají především nákladů, bezpečnosti, stability a výkonu jsou LiFePO4 články používány především pro napájení přenosných zařízení a jeví se také jako nejvhodnější cesta pro velké baterie do automobilů a pro energetická úložiště.

Z výše uvedených odstavců nám akumulátory LiFePO4 Wattsonic vycházejí jako nejvhodnější technologie pro ukládání energie v domácích a komerčních solárních elektrárnách. Lithiové baterie mají za sebou dlouhý vývoj, během kterého se podařilo odstranit jejich nevýhody a omezení. Při použití v rámci solární elektrárny je důležitá především její bezpečnost (baterii nehrozí vznícení), je odolná proti zvýšenému nabíjecímu napětí a velkým nabíjecím/vybíjecím proudům a životnost (baterie Wattsonic 10 000 cyklů při 90% DoD) reálná životnost tak může v závislosti na provozním režimu významně překročit 20 let. Nezanedbatelná je také nepřítomnost toxického kadmia a tím usnadněná likvidace a recyklace článků.

Proč je nutné články vyvažovat?

Pro zajištění správné funkce akumulátorové sestavy je nutné, aby jednotlivé články měly co možná nejshodnější parametry, toho se dosahuje použitím článků jednoho výrobce a nejlépe použitím článků ze stejné výrobní série. Precizní výběr jednotlivých článků a jejich řazení přísně podle parametrů je základním výrobním postupem při kompletaci všech baterií. V ideálním případě by takový výběr měl zajistit dlouhou životnost a maximální kapacitu kompletní akumulátorové sestavy, a to i bez použití balancérů. V praxi však nejsou žádné dva články zcela identické. I u zcela nových článků vyrobených na jedné lince a v podstatě ve stejném okamžiku jsou měřitelné malé rozdíly způsobené výrobními tolerancemi a nepatrnými rozdíly v chemickém složení základních materiálů, které pak vedou k rozdílům především ve stavu nabití (SOC – State Of Charge), kapacitě, vnitřní impedanci, stárnutí a rozdílným tepelným závislostem. Všechny tyto rozdíly mají navíc tendenci se během života akumulátoru dále prohlubovat, což vede k reálnému poklesu využitelné kapacity, poklesu životnosti, ale také ve svém důsledku ke snížené bezpečnosti akumulátorové sestavy.

Zlo jménem napěťová nevyváženost

Pro zajištění správné funkce akumulátorové sestavy je nutné, aby jednotlivé články měly co možná nejshodnější parametry, toho se dosahuje použitím článků jednoho výrobce a nejlépe použitím článků ze stejné výrobní série. Precizní výběr jednotlivých článků a jejich řazení přísně podle parametrů je základním výrobním postupem při kompletaci všech baterií. V ideálním případě by takový výběr měl zajistit dlouhou životnost a maximální kapacitu kompletní akumulátorové sestavy, a to i bez použití balancérů. V praxi však nejsou žádné dva články zcela identické. I u zcela nových článků vyrobených na jedné lince a v podstatě ve stejném okamžiku jsou měřitelné malé rozdíly způsobené výrobními tolerancemi a nepatrnými rozdíly v chemickém složení základních materiálů, které pak vedou k rozdílům především ve stavu nabití (SOC – State Of Charge), kapacitě, vnitřní impedanci, stárnutí a rozdílným tepelným závislostem. Všechny tyto rozdíly mají navíc tendenci se během života akumulátoru dále prohlubovat, což vede k reálnému poklesu využitelné kapacity, poklesu životnosti, ale také ve svém důsledku ke snížené bezpečnosti akumulátorové sestavy.

Již jsme zmínili, že není možné zajistit, aby spojované články v baterii byly naprosto shodné. Mezi články jsou tedy vždy různě velké napěťové rozdíly. Tyto napěťové rozdíly neboli napěťové nevyváženosti mají tendenci se postupem času měnit a zvětšovat. Zásadním projevem napěťové nevyváženosti je rychlejší překročení povolených limitů napětí článků, kdy články s vyšším napětím dosáhnou rychleji přepětí, a naopak články s nižším napětím dosáhnou rychleji podpětí. Ale, pozor! I při dosažení limitu podpětí či přepětí některého z článků může být stále celkové napětí akumulátorové sestavy v pořádku. Po změření celkového napětí sestavy a vydělení počtem článků bude vypočtené napětí vztažené na jeden článek vycházet v pořádku. Situace bude tím horší, čím menší je počet článků s odchylkou a čím více je celkem článků v sestavě. Přepětí, resp. podpětí několika málo článků je tak maskováno velkým počtem článků se správnými hodnotami. Nejzávažnější projev nevyváženosti je pak překročení maximálního povoleného napětí na článku, které vede k nekontrolovanému zahřívání a může způsobit požár či výbuch. Ale i nepatrné překročení maximálního nabíjecího napětí způsobuje značné zrychlení degradace. K degradaci článků dochází i v případě hlubokého vybití (podpětí). Napěťová nevyváženost je tedy způsobena výrobními tolerancemi, nepatrnými rozdíly v chemickém složení nebo fyzikální struktuře materiálu, rozdíly v celkové kapacitě, rozdílným SOC, rozdílnou vnitřní impedancí, rozdílným stupněm samovybíjení atd. Články spojené v baterii se vzájemně ovlivňují i teplotně a rozdílná teplota například krajního článku a článku uprostřed baterie opět zpětně ovlivňuje elektrické parametry článků. Abychom situaci ještě trochu zkomplikovali, tak ani dva plně nabité články se stejným napětím nemají totožné SOC, to je dáno především individuálním průběhem vybíjecí křivky pro každý článek a byť je tento rozdíl minimální, lze s jistotou předpokládat, že se v průběhu času bude prohlubovat.

Důsledky nevyváženosti

• Nižší životnost baterie
  Články nebo článek s vyšším SOC je při každém nabíjecím cyklu vystaven přepětí, následkem čehož zrychleně degraduje. V krajním případě se článek vlivem přebíjení může i vznítit. Příčinou zrychlené degradace je i podpětí článků, které vede až k trvalému zničení článku.
• Nižší bezpečnost
  Jak je uvedeno výše, nevyváženost baterie může vést až k zahoření baterie nebo výbuchu. Toto se týká především akumulátorů Li-ion známých svojí vyšší reaktivitou, články LiFePO4 jsou proti výbuchu mnohem odolnější.
• Zkrácení nabíjecího a vybíjecího cyklu
  Předčasné ukončení nabíjení souvisí s funkcí přepěťové ochrany BMS. Ta ukončí nabíjení, pokud napětí některého z článků akumulátorové sestavy překročí stanovený limit. Tím je baterie ochráněna proti přepětí, avšak za cenu nižšího napětí (nabití) ostatních článků. To samé, ale opačně, platí i pro vybíjení, které je ukončeno ve chvíli, kdy nejslabší článek dosáhne stanoveného dolního limitu napětí. V ostatních článcích baterie však ještě nějaká energie zůstává. Tyto jevy mají za následek snížení celkové kapacity baterie.

Úloha BMS

Pokud si shrneme výše uvedené řádky, vyplyne nám z nich, že k vytvoření baterie nestačí jen spojovat dohromady příslušné počty základních článků. Jejich, byť i minimální výrobní tolerance nám v tom zabrání a časem každý akumulátor znehodnotí. Takový jednoduchý akumulátor nikdy nedosáhne svého předpokládaného potenciálu. Pokud má baterie dlouhodobě plnit svoji funkci, je důležité zajistit její dlouhou životnost, a plnohodnotnou funkci, a to je důvod, proč vyžadují tyto baterie pokročilé řízení. Bateriový management (BMS – Battery Management System) se tak stal nedílnou součástí všech akumulátorových baterií na bázi lithiových článků. Úkolem BMS je chránit články proti poškození, vyhodnocovat a zvyšovat životnost článků. BMS tedy musí za tímto účelem zajistit řadu úloh jako je měření napětí jednotlivých článků, jejich proudu, teplotu, výpočet SOC, teplotní řízení, řízení a kontrolu nabíjecího a vybíjecího procesu, předávání dat, a zajišťovat i vyvažování jednotlivých článků. BMS pak na základě změřených veličin a vhodného algoritmu kompenzuje negativní vliv napěťové nevyváženosti článků.

Vyvažovací obvody jako součást baterie a BMS

Obvody pro vyvažování článků, nazývané také balancéry, lze rozdělit, na aktivní a pasivní. Toto označení není úplně přesné, lepší označení je na ztrátové a bezztrátové, což lépe vystihuje princip obou metod. U pasivního balancéru je z článku, který má být vyvažován (článek s nejvyšším napětím a SOC), odebírána energie, dokud není dosaženo u všech článků shodného napětí či SOC. Jedná se o přímou metodu vybíjení vyvažovaných článků nejčastěji realizovanou pomocí paralelně připojitelných rezistorů. Veškerá nadbytečná energie článku je tak vyzářena do okolí v podobě tepla, což může vést k problémům s přehříváním akumulátoru. Jedná se o velice jednoduchou, levnou metodu vyvažování, která se uplatňuje především v levnějších aplikacích, nebo naopak ve složitých systémech, kde zajišťuje pouze dílčí část procesu řízení baterie. Aktivní balancéry využívají principů přenosu energie mezi články, a tak dosahují vysoké energetické účinnosti. Energie je přenášena podle potřeby ze „silnějšího“ do „slabšího“ článku a není tedy bez užitku vyplýtvána. Není cílem tohoto článku popisovat podrobně principy balancérů a balancování baterií jde zde jen o to, upozornit na složitost této problematiky a zdůraznit jistá specifika užívání a údržby bateriového úložiště solární elektrárny.

V dalším pokračování se již zaměříme konkrétněji na baterie a BMS Wattsonic.