O bateriích a BMS III

Komerční baterie Wattsonic

V poslední části se ještě krátce podíváme na komerční baterie. Komerční baterie jsou konstruovány s ohledem na dlouhodobé poskytování vysokých výkonů. Konstrukce baterií a konstrukce BMS je nekompromisně podřízena požadavku na trvalý provoz s plným zatížením.

Co je to komerční baterie?

Zjednodušeně lze říci, že komerční baterie svým výkonem a kapacitou začínají tam, kde rezidenční baterie končí. Baterie je složena ze stejných článků jako baterie rezidenční, ale její konstrukce odpovídá vyššímu průmyslovému standardu. Z grafu a výkonových charakteristik je tedy patrné, že použití těchto baterií s jiným, než výkonným (komerčním) střídačem postrádá smysl.

U komerčního řešení Wattsonic odpovídá výkon, který je baterie schopna poskytnout kapacitě baterie, tzn. baterie o 53,76 kWh poskytne maximální výkon o velikosti 53,76 kW. Proč tedy baterie složené ze stejných článků nemají stejný počet cyklů? Na vině je právě uvažované použití, u baterie komerční předpokládáme mnohem náročnější profil nabíjení a vybíjení než u baterie rezidenční. Rovněž konstrukce BMS a vyvažovací obvody musí odpovídat vyšším standardům.

Zatím jsme se v textech zabývali hlavně souhrnným pohledem na problematiku spojenou s použitím LiFePO4 baterií a na dimenzování a použití baterií Wattsonic s ohledem na jejich výkon. V závěru se ještě podíváme na vlastní fungování LiFePO4 článku.

Jak funguje LiFePO4 článek?

Struktura LiFePO4 článku je vidět na obrázku pod odstavcem. Vlevo je vyobrazena kladná elektroda z železo-fosfátu a na pravé straně záporná uhlíková elektroda. Mezi elektrodami se nalézá membrána z polymeru (lze si ji zjednodušeně představit jako sítko) s malými otvory pro průchod iontů lithia. Železo s fosfátem pak vytváří mřížku, do které tyto ionty zapadají (červené tečky). Stejnou funkci na druhé straně vytváří uhlíková mřížka. Mřížky tedy tvoří něco jako „police“, ve kterých je lithium ukládáno. Při nabíjení se ionty lithia přemisťují z mřížky kladné železo-fosfátové elektrody přes membránu (sítko) do mřížky záporné uhlíkové elektrody. Při vybíjení pak dochází k opačnému přesunu iontů lithia ze záporné uhlíkové elektrody na kladnou železo-fosfát elektrodu. Z popsaného je vidět, jak náročná musí být příprava vstupních materiálů pro výrobu článku. I drobná odchylka na úrovni molekul znamená rozdíl mezi dvěma články v baterii.

Vnitřní struktura LiFePO4 článku

Nabíjení

LiFePO4 baterie je nabíjena ve dvou krocích. V prvním kroku je baterie nabíjena konstantním proudem, nebo u nabíjení solárními panely maximálním dodávaným proudem ze solárních panelů. Při tomto kroku se postupně zvyšuje napětí článku až do dosáhnutí maximálního napětí 3,65 V. Jakmile je dosaženo toto napětí, je kapacita baterie nabita přibližně na 90 %. Pro úplné nabití baterie je nutné ještě nabít baterii o zbývajících 10 %. V této fázi je baterie nabíjena konstantním napětím. Nabíječka udržuje maximální napětí 3,65 V a proud se pomalu snižuje v souladu s postupujícím nabíjením. Po klesnutí nabíjecího proudu pod hodnotu 0,1 C, je baterie považována za plně nabitou. Co z uvedeného plyne? Závěrečných 10% kapacity bude dobíjeno mnohem pomaleji než „úvodních 90%“. Z plochého tvaru křivky pak vyplývá důvod, proč je napěťová nerovnováha tak významný jev. I rozdíl jedné desetiny voltu může zapříčinit rozdíl 40 % v nabití dvou sousedních článků.

Nabíjecí charakteristika LiFePO4

Vybíjení

Při vybíjení LiFePO4 článků je velikost napětí od cca 95 % do cca 35 % SOC velmi blízko úrovně nominálního napětí 3,2 V / 3,3 V. Na straně jedné je tento napěťově stabilní stav velmi dobrý pro napájená zařízení, ale na straně druhé je odvození stavu nabití od velikosti napětí na článku velmi nepřesné a je nutné používat například Coulombovu metodu nebo kombinaci více metod. Hloubka vybití článku je pak dalším faktorem, který ovlivňuje životnost článku. Co z uvedeného plyne? Jednoduše lze říci, že vybíjení článků do 0 % významně sníží jejich životnost. Dodržujte proto vždy výrobcem doporučené hodnoty. Konkrétně baterie Wattsonic mají doporučenou maximální hloubku vybití 90 %. Při této hodnotě je zaručena životnost 10000 cyklů pro baterii rezidenční a 8000 cyklů pro baterii komerční. Snížením hranice SOC na 70 % lze prodloužit životnost baterie až o cca 20 %. Vzhledem k poměrně složitým způsobům měření SOC jsou tato měření zatížena velkou možností chyb, nelze tedy každý výkyv hladiny SOC považovat za závadu, ale většinou je to projev související s nějakou odchylkou v používání baterie nebo vnějších vlivech. Ze zkušenosti lze říci, že návratem k běžnému cyklickému používání se tyto odchylky vyrovnávají.

Vybíjecí charakteristika LiFePO4 článku