O bateriích a BMS II

Jak jsme slíbili v první části našeho povídání o bateriích, budeme se v dnešním pokračování zabývat konkrétněji vysokonapěťovými bateriemi Wattsonic a BMS Wattsonic.

Vyvažování článků a baterií Wattsonic

Aktivní vyvažování jednotlivých článků v rámci baterie Wattsonic řídí vnitřní jednotka baterie BMU (Battery Management Unit). Tato jednotka sleduje napětí a teplotu jednotlivých článků a zajišťuje jejich vzájemné balancování. Dále BMU zajišťuje komunikaci baterie s nadřazenou BMS. BMS pak zpracovává údaje z BMU v jednotlivých bateriích, zajišťuje celkové vyvážení celé sestavy baterií a zprostředkovává komunikaci se střídačem. BMS také zajišťuje nabíjení a vybíjení celé sady baterií. BMS je tedy takovým „mozkem“ celého úložiště. BMS neustále aktivně sleduje všechny parametry jednotlivých článků, celých baterií a neustále řídí přenos energie uvnitř i vně úložiště. BMS tedy dokáže vyvažovat celé úložiště, a to až na úroveň jednotlivých článků. Tento přístup nám umožňuje udržet dlouhodobě maximální kapacitu baterie a dosáhnout její maximální životnosti.

Co baterii škodí

Jak bylo uvedeno dříve, není možné vyrobit dva shodné články a jejich odchylky je pak nutné kompenzovat jejich pečlivým výběrem a nepřetržitým balancováním baterie pomocí BMS. Všechno, ale bude k ničemu, když baterie nebude správně navržena a provozována. Drtivá většina závad bateriového úložiště je spojena s nesprávným zacházením. Aby baterie dlouho a dobře sloužila, je potřeba věnovat jejímu provozu alespoň minimální péči. V letním období bývá problémů s úložištěm velmi málo, baterie je pravidelně nabíjena a je zaručen dostatečný počet plných cyklů. Problematická jsou tzv. přechodná období a zima, kdy dochází k dlouhým obdobím bez slunečního svitu a baterie tedy nemá dostatek plných cyklů, aby mohla provést balancování v celém rozsahu své kapacity. Za přímo škodlivé lze označit vypínání elektrárny, které provádějí někteří majitelé, aby eliminovali vlastní spotřebu střídače a bateriového úložiště v době bez slunečního svitu. Po vypnutí systému není BMS schopna zajistit balancování článků a všechny drobné odchylky prohlubované samovybíjením se pak mohou naplno projevit. Životnost a funkci baterie ovlivňuje také okolní prostředí. V první řadě jsou to teploty, při teplotách pod bodem mrazu není baterie schopna pracovat, resp. není schopna se nabíjet, ale i v teplotách těsně nad bodem mrazu není fungování baterie zcela bez problémů. Pro řádnou funkci je požadována teplota min. 5°C. Co se s baterií děje? Mezi 0°C (teoretickou hranicí fungování) a 5°C (hranicí fungování) ovlivňuje funkci baterie hlavně BMS, která se snaží baterii chránit prostřednictvím aktivace ochranných algoritmů nabíjení a vybíjení a začne baterii nabíjet i ze sítě. Toto je ochrana proti případnému podbití v průběhu odstávky způsobené mrazem. Opačným extrémem je naopak vysoká teplota, která může mít vliv i na bezpečnost baterie. Jejím hlavním důsledkem je neschopnost baterie dodávat špičkový výkon při vysokých okolních teplotách nad cca 40°C. Omezováním výstupního proudu a případným odpojením se baterie chrání před přehřátím a s tím i možným poškozením. Tak to byl chlad a teplo, které lze považovat za hlavní „nepřátele“ baterií obecně, doplním ještě nadměrnou vlhkost a salinitu prostředí. Toto sice nemá vliv přímo na chemickou a fyzikální funkci článku, ale působí to oxidaci spojů, konektorů, elektromechanických a elektronických komponentů uvnitř a vně baterie. Zcela nepřípustná je pak instalace baterie v prostředí s kondenzující vlhkostí např. prádelna, koupelna aj. Někteří výrobci doplňují své baterie např. o vyhřívání a umožňují jejich instalaci i ve venkovním prostoru, toto ovšem nese zvýšenou vlastní spotřebu systému. Navíc je energie na ohřev potřeba většinou v době, kdy není dostatek solární energie a musíme ji tedy draze kupovat.

Dobrý návrh především

V první řadě musí být naše baterie správně navržena s ohledem na energetickou bilanci konkrétního objektu. Volba vhodné kapacity přímo závisí na spotřebě objektu a jejím rozložení v čase. Nestačí tedy zhodnotit jen celkovou spotřebu objektu, ale je třeba ideálně provést i měření spotřeby a mapování „denní rutiny“ obyvatel. S výběrem kapacity pak souvisí i návrh vhodné baterie s ohledem na poskytovaný maximální výkon. V tabulce níže jsou uvedeny základní typy vysokonapěťových baterií Wattsonic pro rezidenční i komerční použití.

Srdcem všech baterií Wattsonic jsou prizmatické články LiFePO4 vyráběné určené pro úložiště energie a nikoli běžné kulaté články pro univerzální použití nebo elektromobilitu. Použitím specializované technologie se podařilo dosáhnout vysokého výkonu a dlouhé životnosti baterií. V dalších odstavcích se podíváme na problematiku správného dimenzování baterie především z hlediska výkonu, který nám baterie bude schopna poskytnout. Představa, že 10 kW střídač je schopen za všech okolností dodat 10 kW i z baterie není správná. Hranice mezi rezidenční a komerční baterií není ostrá a někdy je použití rezidenční baterie ve výkonném komerčním systému možné. Z níže uvedeného grafu je tedy patrné, že pro systém se střídačem 10 kW / 25A (běžný střídač), od něhož požadujeme, aby byl schopen z baterie dodat špičkový výkon 10kW, nebude možné použít pouze tři kusy baterií, ale požadavek bude téměř splněn až se čtyřmi kusy baterií a s rezervou pak s pěti. Velký význam má tento návrh především tam, kde se počítá s využíváním záložního napájení, resp. s plnohodnotným využitím Back-Up výstupu.

Použití rezidenčních baterií v komerčním systému

V poslední době se s tímto požadavkem často setkáváme. Tento postup není vyloučený, ale je vždy potřeba posoudit konkrétní potřeby dané aplikace, a i když takové řešení vyhovuje z pozice kapacity, nemusí to tak být z pohledu požadovaného výkonu nebo životnosti. V níže uvedené tabulce jsou v grafu uvedeny výkony dosažitelné s rezidenčními bateriemi, a to v závislosti na použitém střídači a počtu baterií.

V grafu jsou uvedeny ideální hodnoty, ze kterých by se mohlo zdát, že bude možné používat rezidenční baterie 3,84 kWh i s komerčními střídači a bateriové úložiště bude schopno dodávat výkon až 30 kW. Když však toto tvrzení konfrontujeme s problematikou nastíněnou v prvním díle našeho povídání o bateriích, bude nutné je mírně poopravit. Používání maximálních vybíjecích a nabíjecích proudů povede ke zvýšenému opotřebení článků a z toho plynoucí vznik napěťové nevyváženosti. Obecně se u takto provozovaného systému snižuje životnost a jsou kladeny velké nároky na funkci BMS.

Co je tedy správně?

Jednoznačně je to používání baterií v doporučeném rozsahu nabíjecího a vybíjecího proudu (zelené sloupce pro baterii 2,3 kWh a šedý sloupec pro baterii 3,84 kWh). Pro běžně dodávané střídače s nabíjecím a vybíjecím proudem 25 A ani není možné z doporučeného pásma vybočit. Jiná situace, ale nastává při použití rezidenční bateriové sady s komerčním střídačem nebo s rezidenčním střídačem podporujícím vybíjení a nabíjení 40 A (oranžové sloupce). Vybíjecí a nabíjecí proud 40 A je schopna poskytnout pouze baterie 3,84, a z praxe již víme, že tento výkon je pro ni zcela bezpečný a neovlivní nijak její životnost. Jinak je tomu ale při využívání maximálního proudu 50 A, kde dlouhodobé používání baterie s v tomto režimu povede k postupnému snižování kapacity a životnosti. Všimněme si, že u komerčních baterií je maximální a doporučený proud ve shodě, ale toho je dosaženo robustnější konstrukcí všech části samotné baterie, řazením článků a dimenzováním BMS. Použití rezidenčních baterií v komerčních instalacích je tedy možné, ale vždy tak aby, maximální požadovaný výkon úložiště ležel v rozmezí jejich doporučených parametrů (zelené a šedé sloupce).

A je to bezpečné?

Na tuto jednoduchou otázku jsou dvě odpovědi. Z pohledu fyzické bezpečnosti je možné baterie provozovat v mezích jejich maximálně dovolených parametrů bez omezení. Baterii nehrozí vznícení nebo výbuch. Z pohledu životnosti bateriového úložiště a požadavku na jeho provozování ještě v dalších letech po uplynutí záruky jednoznačně doporučujeme provozovat baterii v rozsahu doporučených parametrů.

Praktická doporučení

Na závěr našeho povídání o bateriích si řekneme několik doporučení pro zacházení s bateriovým úložištěm Wattsonic.

• Nikdy elektrárnu nevypínejte bezdůvodně! Vypnutím elektrárny je odstaveno balancování baterie (popsáno výše). Elektrárnu vypněte pouze v případě závady. Vypnutí elektrárny, resp. vypnutí BMS odstaví i nabíjení její vnitřní baterie, která zálohuje napájení vnitřní elektroniky. Není-li tato baterie v pořádku nelze systém zpětně zapnout.
• Nepoužívejte režim UPS k nabíjení prázdné baterie! Zapnutím režimu UPS dojde k rychlému nabití baterie vysokým výkonem, a to může být pro zcela vybitou baterii fatální. Rychlé nabíjení zvýrazní rozdíly mezi články a zoufalá snaha BMS o vybalancování článků se v lepším případě projeví „skoky“ v grafu SOC, v horším případě pak když napěťové rozdíly překročí možnosti BMS se baterie odpojí a bude vyžadovat servis.
• Nenechávejte baterii vybitou. Hlavně pro zimní období je důležité baterii čas od času šetrně nabít. Doporučení je alespoň jednou za dva týdny baterii nabít na 100 %. Ideálně přepnutím střídače do ekonomického módu, kde je možné si nastavit čas nabíjení a omezeni nabíjecího proudu (doporučeno 20 %). S programem SDG je pak možné si vytvořit profily pro jednotlivá roční období a celé nabíjení zcela automatizovat. Baterie by měla ideálně jednou za 14 dní) absolvovat plný cyklus, tzn. kompletní nabití a vybití.
• Zvedněte v zimním období spodní hranici SOC baterie na 20 - 30%. Tímto nastavením si vytvoříte „rezervu“ pro období nestabilního osvitu panelů. V baterii bude dost energie pro kompenzací samovybíjení a balancování pro období bez slunečního svitu.
• Nedoporučuje se doplňovat další baterii do sady starší než jeden rok.
• Při přidávání nové baterie do starší sady postupujte vždy přesně podle návodu výrobce a tuto práci vždy svěřte odborné firmě.