Akumuliatoriaus schemos ir valdymo sistemos

Akumuliatoriaus valdymo sistema (BMS) yra sudėtingas ir esminis komponentas šiuolaikinėse energijos kaupimo sistemose. Ji užtikrina efektyvų ir saugų akumuliatoriaus veikimą, prailgina jo tarnavimo laiką ir optimizuoja energijos naudojimą.

Baterijų valdymo sistemos (BMS) architektūra

Akumuliatoriaus valdymo sistemą (BMS) paprastai sudaro keli funkciniai blokai. Tai apima ribinius lauko siųstuvus (FET), kuro matuoklio monitorius, elementų įtampos monitorius, elementų įtampos balansą, realaus laiko laikrodį, temperatūros monitorius ir valstybės mašiną (1 pav.). Šie blokai kartu užtikrina kompleksinį akumuliatoriaus stebėjimą ir valdymą. Yra keletas BMS IC tipų, kurie skiriasi funkcinių blokų grupavimu.

Funkcinių blokų tipai

Funkcinių blokų grupavimas gali skirtis nuo paprasto analoginio priekinio galo, pvz., „ISL94208“, kuris siūlo balansavimą ir stebėjimą bei reikalauja mikrovaldiklio, iki autonominio integruoto sprendimo, kuris veikia savarankiškai (pvz., „ISL94203“). Kiekvienas blokas turi savo paskirtį ir technologinius privalumus bei trūkumus.

Ribiniai FET ir FET tvarkyklė

„FET“ tvarkyklės funkcinis blokas yra atsakingas už akumuliatoriaus paketo prijungimą ir krovinio bei įkroviklio izoliaciją. Jo elgesys priklauso nuo akumuliatoriaus elementų įtampos matavimų, srovės matavimų ir realaus laiko aptikimo schemų. Yra du skirtingi FET jungčių tipai tarp krovinio ir įkroviklio bei akumuliatoriaus (2 pav.).

• 2A paveiksle pavaizduota schema reikalauja mažiausiai jungčių prie akumuliatoriaus bloko ir apriboja akumuliatoriaus veikimo režimus įkrovimo, iškrovimo ar miego režimu. Dabartinė srauto kryptis ir konkretaus realaus laiko bandymo elgesys lemia prietaiso būseną. Pavyzdžiui, ISL94203 turi kanalų monitorių (CHMON), kuris stebi įtampą dešinėje išpjovų FET pusėje. Jei prijungtas įkroviklis ir akumuliatorių paketas yra izoliuotas, srovė, įpurškiama į akumuliatoriaus paketą, padidins įtampą iki didžiausios įkroviklio maitinimo įtampos. CHMON įtampos lygis yra suveikęs, o tai leidžia BMS įrenginiui žinoti, kad yra įkroviklis.
• 2B pav. Jungimo schema leidžia akumuliatoriui veikti kraunant ir iškraunant vienu metu.

FET tvarkyklės gali būti suprojektuotos taip, kad būtų galima prisijungti prie akumuliatoriaus bloko aukšto ar žemo šono. Norint suaktyvinti NMOS FET aukšto šono prijungimui, reikalingas įkrovos siurblio tvarkyklė, kuri suteikia tvirtą įžeminimo atskaitos pagrindą likusiai grandinei. Žemų pusių FET tvarkyklių jungtys yra kai kuriuose integruotuose sprendimuose, siekiant sumažinti išlaidas, nes joms nereikia įkrovimo siurblio ir aukštos įtampos įtaisų. Tačiau naudojant išjungimo FET apatinėje pusėje, akumuliatoriaus paketo įžeminimo jungtys plaukioja, todėl jis tampa jautresnis triukšmui, įterpiamam į matavimą.

Kuro matuoklio / srovės matavimai

Degalų matuoklio funkcinis blokas stebi įkrovimą, patenkantį į akumuliatorių ir išeinantį iš jo. Įkrova yra srovės ir laiko sandauga. Yra keli būdai kuro matuokliui sukurti:

• Srovės jutiklio stiprintuvas ir MCU su įterptu mažos skiriamosios gebos analoginiu-skaitmeniniu keitikliu (ADC). Srovės jutimo stiprintuvas, veikiantis aukštoje bendrojo režimo aplinkoje, sustiprina signalą, įgalindamas didesnės raiškos matavimus, tačiau tai paaukoja dinaminį diapazoną.
• Didelės skiriamosios gebos ADC arba brangus degalų matuoklio IC. Tiksliausias ir ekonomiškiausias sprendimas yra išmatuoti „sense“ rezistoriaus įtampą naudojant 16 bitų ar didesnę ADC su mažu poslinkiu ir aukštu bendrojo režimo reitingu.

Didelės skiriamosios gebos ADC siūlo didelį dinaminį diapazoną greičio sąskaita. Jei akumuliatorius prijungtas prie nepastovios apkrovos (pvz., elektrinėje transporto priemonėje), lėtas ADC gali praleisti didelio ir aukšto dažnio srovės šuolius. Tokiais atvejais gali būti pageidaujama nuosekliai apytiksliai registruoti (SAR) ADC su galbūt srovės stiprintuvo priekine dalimi. Svarbu atkreipti dėmesį, kad bet kuri kompensuota klaida turi įtakos bendrai akumuliatoriaus įkrovos paklaidai, o laikui bėgant matavimo klaidos gali sukelti didelių akumuliatoriaus įkrovimo būsenos klaidų. Matuojant krūvį, pakanka 50 µV ar mažesnio matavimo poslinkio su 16 bitų skiriamąja geba.

Elementų įtampa ir maksimalus baterijos tarnavimo laikas

Norint nustatyti bendrą akumuliatoriaus būklę, būtina stebėti kiekvieno elemento įtampą. Visi elementai turi darbinės įtampos langą, kuriame turėtų būti kraunama/iškraunama, kad būtų užtikrintas tinkamas veikimas ir baterijos veikimo laikas. Pvz., ličio chemijos baterijos darbinė įtampa paprastai svyruoja tarp 2,5 ir 4,2 V. Akumuliatoriaus veikimas už šių ribų žymiai sutrumpina elemento tarnavimo laiką ir gali padaryti jį nenaudingą.

Ląstelės sujungiamos nuosekliai ir lygiagrečiai, kad sudarytų akumuliatorių paketą. Lygiagretus sujungimas padidina akumuliatoriaus bloko dabartinę pavarą, o nuoseklusis jungimas padidina bendrą įtampą. Ciklų metu kiekvienos ląstelės įkrovos ir iškrovos greitis keičiasi, o tai lemia pasiskirstymą po akumuliatorių.

Paprastas būdas nustatyti, ar akumuliatorius įkrautas, yra stebėti kiekvieno elemento įtampą iki nustatyto įtampos lygio. Pirmoji elemento įtampa, pasiekusi įtampos ribą, pašalina akumuliatoriaus įkrovos ribą. Dėl silpnesnio nei vidutinio elemento akumuliatoriaus bloko, silpniausia ląstelė pirmiausia pasiekia ribą, o likusios ląstelės negali visiškai įkrauti. Tokia įkrovimo schema nesumažina akumuliatoriaus įkrovimo laiko, o sutrumpina akumuliatoriaus tarnavimo laiką, nes jam reikia daugiau įkrovimo ir iškrovimo ciklų. Silpnesnė ląstelė išsiskiria greičiau. Taip pat įvyksta ir išleidimo ciklo metu; silpnesnė ląstelė pirmiausia atitolina iškrovos ribą, likusioms ląstelėms lieka krūvis.

Yra du būdai, kaip pagerinti akumuliatoriaus įkrovos įjungimo laiką:

1. Sulėtinti įkrovimą iki silpniausios ląstelės įkrovimo ciklo metu. Tai pasiekiama apjungiant FET su srovę ribojančiu rezistoriumi per elementą (3A pav.). Šis metodas ima srovę iš didžiausios srovės elemento, todėl lėtėja ląstelės įkrova, o kiti akumuliatoriaus elementai sugeba pasivyti. Galutinis tikslas yra maksimaliai padidinti akumuliatoriaus įkrovos pajėgumą, kai visos ląstelės vienu metu pasiekia visiškai įkrautą ribą.
2. Subalansuoti akumuliatoriaus paketą iškrovimo ciklo metu, įgyvendinant įkrovimo ir perkėlimo schemą. Tai pasiekiama imant indukcinį sujungimą arba talpinę atmintį iš vienos ląstelės ir įpurškiant įkrovą į silpniausią ląstelę. Tai lėtina laiką, per kurį silpniausia ląstelė pasiekia iškrovos ribą, dar žinomą kaip aktyvus balansavimas (3B pav.).

Temperatūros stebėjimas

Šiuolaikinės baterijos tiekia daug srovės, išlaikydamos pastovią įtampą, o tai gali sukelti nekontroliuojamą temperatūros kilimą ir net akumuliatoriaus užsidegimą. Be saugumo, temperatūros matavimai taip pat naudojami nustatant, ar pageidautina įkrauti ar iškrauti akumuliatorių.

Temperatūros jutikliai stebi kiekvieną elementą energijos kaupimo sistemos (ESS) pritaikymui arba elementų grupę mažesnėms ir nešiojamoms programoms. Termistoriai, maitinami iš vidinės ADC įtampos atskaitos, paprastai naudojami kiekvienos grandinės temperatūrai stebėti. Be to, vidinė įtampos atskaita padeda sumažinti temperatūros rodmenų netikslumus, palyginti su aplinkos temperatūros pokyčiais.

Valstybinės mašinos arba algoritmai

Daugumai BMS sistemų reikalingas mikrovaldiklis (MCU) arba lauke programuojamas vartų masyvas (FPGA), kad būtų galima valdyti informaciją iš jutimo schemos ir tada priimti sprendimus su gauta informacija. Tam tikruose įrenginiuose, pavyzdžiui, ISL94203, skaitmeniniu būdu užkoduotas algoritmas įgalina atskirą sprendimą su vienu lustu. Autonominiai sprendimai taip pat yra vertingi susiejant su MCU, nes atskiros būsenos mašina gali būti naudojama atlaisvinant MCU laikrodžio ciklus ir atminties vietą.

Kiti BMS statybiniai blokai

Kiti funkciniai BMS blokai gali būti akumuliatoriaus autentifikavimas, realaus laiko laikrodis (RTC), atmintis ir ramunėlių grandinė. RTC ir atmintis naudojamos juodosios dėžės programoms - RTC naudojama kaip laiko žyma, o atmintis naudojama duomenims saugoti. Tai leidžia vartotojui žinoti apie akumuliatoriaus veikimą prieš katastrofišką įvykį. Baterijos atpažinimo blokas neleidžia BMS elektronikai prijungti prie trečiosios šalies akumuliatoriaus. Įtampos atskaitos taškas / reguliatorius naudojamas periferinėms grandinėms aplink BMS sistemą maitinti. Galiausiai, ryšių tarp sukrautų įrenginių supaprastinimui naudojamos ramunės grandinės.

Akumuliatoriaus kroviklio schemos be transformatoriaus

Kai kuriems vartotojams kyla klausimų dėl akumuliatoriaus kroviklio schemų, kurioms nereikalingas galingas transformatorius. Nors yra galimų variantų, svarbu suprasti susijusias rizikas. Krovimas tiesiogiai iš ~220V tinklo be transformatoriaus yra pavojingas ir gali kelti mirtiną grėsmę dėl tiesioginio kontakto su aukšta įtampa. Tai taip pat gali sugadinti akumuliatorių.

Kroviklio be transformatoriaus schemos dažnai naudoja kondensatorius arba rezistorius įtampos kritimui ir srovės ribojimui. Tačiau tokie sprendimai yra mažiau saugūs ir efektyvūs. Visuomet rekomenduojama naudoti kroviklius su transformatoriumi, kuris užtikrina galvaninę izoliaciją tarp tinklo ir akumuliatoriaus, taip apsaugant vartotoją ir įrenginį.

Esant avarinei situacijai, kai reikalingas greitas užvedimas, automobilių tempimas su kitu automobiliu gali padėti, jei akumuliatorius yra tvarkingas. Tačiau reguliariai nenaudojant automobilio, akumuliatoriaus įkroviklis yra būtinas, norint palaikyti akumuliatoriaus gyvybingumą.

Nesudėtingo Ni-Cd akumuliatorių kroviklio schema

Pateikiama nesudėtingo Ni-Cd akumuliatorių kroviklio schema, skirta krauti 1,2 V įtampos AA arba AAA tipo akumuliatorius. Naudojant vieną tokią schemą galima įkrauti du nuosekliai sujungtus akumuliatorius.

Veikimo principas

Pradinė įkrovimo srovė yra apie 100 mA, kuri per varžą bei KT815 tranzistorių papuola į akumuliatorius A1 ir A2. Diodas D1 skirtas krovimo indikacijai. Čia galite naudoti bet kokio tipo šviesos diodą, tačiau reikės parinkti prie jo esantį rezistorių, kad krovimo metu per diodą netekėtų per stipri srovė.

Pradžioje krovimo antras šviesos diodas D2 yra užgesęs, kadangi nepakanka įtampos atsidaryti KT315 tranzistoriui. Pasiekus įtampai apie 2,7-2,8 V ant akumuliatorių, diodas D2 pradeda šviesti, o D1 užgęsta.

Reguliavimas

1. Prijungę prie prietaiso du iškrautus Ni-Cd akumuliatorius bei pasinaudoję testeriu, reikia nustatyti maksimalią įkrovimo srovę akumuliatoriams A1-A2. Tam reikia keisti schemoje pateiktą 51 omo varžą (ant akumuliatorių būna nurodytos srovės prie atitinkamų krovimo režimų, galite pasirinkti pageidaujamą). Tuo tarpu parinkti varžą, skirtą diodo D1 maitinimui. Prie nustatytos srovės diodas turi šviesti. Čia galite naudoti raudonos spalvos šviesos diodą, kuris rodys krovimo režimą.
2. Suderinus varžas, atjunkite tranzistorių KT815 bei panaudodami du pakrautus akumuliatorius arba naudodami 2,8 V maitinimo šaltinį, suderinkite varžą, kuri schemoje pateikta kaip 180 omų. Suderinti reikia taip, kad šviesos diodas D2 šviestų, kuris gali būti žalias.

Akumuliatorių integravimas į saulės elektrinės schemas

Akumuliatoriai yra esminė saulės elektrinių dalis, leidžianti sukaupti perteklinę energiją ir panaudoti ją, kai saulės nėra. Tai ypač aktualu gyvenantiems atokiau nuo miestų ar norintiems būti nepriklausomiems nuo elektros tinklų.

Sistemos komponentai

Prieš jungiant laidus, svarbu suprasti pagrindinius saulės elektrinės su akumuliatoriumi komponentus:

• Saulės baterijos: energijos šaltinis.
• Akumuliatorius arba akumuliatorių bankas: energijos saugykla.
• Įkrovimo reguliatorius (įkrovos kontroleris): kontroliuoja energijos srautą iš saulės baterijų į akumuliatorių, apsaugo nuo perkrovimo ar per gilaus iškrovimo. Yra dviejų tipų reguliatoriai: PWM (impulsinės pločio moduliacijos) ir MPPT (maksimalios galios taško sekimo).
• Inverteris: paverčia akumuliatoriuje saugomą nuolatinę srovę į kintamąją (220V), jei planuojama naudoti įprastus buitinius prietaisus.

Pagrindinė jungimo schema

Pagrindinis principas paprastas: saulės baterijos → įkrovimo reguliatorius → akumuliatorius → inverteris → jūsų prietaisai.

Saulės baterijų jungimas

Saulės baterijas galima jungti nuosekliai (plius prie minuso) arba lygiagrečiai (plius prie pliuso, minusas prie minuso).

• Nuoseklus jungimas didina įtampą (pvz., dvi 12V 100W baterijos, sujungtos nuosekliai, sudaro 24V sistemą).
• Lygiagretus jungimas didina srovės stiprumą.

Kokią schemą rinktis, priklauso nuo jūsų akumuliatoriaus įtampos ir įkrovimo reguliatoriaus tipo. Jei turite MPPT reguliatorių, galite drąsiai jungti baterijas nuosekliai ir gauti aukštesnę įtampą - reguliatorius viską suvaldys. Jei kuriate paprastą 12V sistemą (pvz., sodybai ar kemperiui) su dviem 100W saulės baterijomis po 18V, vienu 12V 100Ah akumuliatoriumi ir PWM reguliatoriumi, geriausias variantas - sujungti saulės baterijas lygiagrečiai.

Jungimo tvarka

Pirmiausia prie įkrovimo reguliatoriaus prijunkite akumuliatorių - tai svarbu, nes daugelis reguliatorių nustato sistemos įtampą pagal pirmą prijungtą komponentą. Tik tada prijunkite saulės baterijas.

Dažniausios klaidos ir patarimai

• Per ploni laidai: Tai viena dažniausių klaidų. Kai per ploną laidą teka didelė srovė, jis įkaista ir praranda dalį energijos, kas yra neefektyvu ir pavojinga. Bendras principas: kuo didesnė srovė ir kuo ilgesnis atstumas, tuo storesni laidai reikalingi. Tarp saulės baterijų ir reguliatoriaus, jei atstumas iki 5 metrų ir srovė iki 10A, pakanka 2.5mm² laidų. Nuostoliai laido varžoje yra proporcingi atstumo kvadratui.
• Netinkamas akumuliatoriaus tipas:
  • Švino rūgštiniai akumuliatoriai: senesni, pigesni, sunkesni, tarnauja 3-5 metus.
  • Ličio geležies fosfato (LiFePO4) akumuliatoriai: brangesni, tarnauja 10-15 metų, lengvesni, gali būti giliau iškraunami be žalos. Svarbu žinoti, kad skirtingiems akumuliatoriams reikia skirtingų įkrovimo parametrų (pvz., švino rūgštiniams reikia apie 14.4V, o LiFePO4 - apie 14.6V 12V sistemoje).
• Per mažas akumuliatorius: Apskaičiuokite, kiek energijos sunaudojate per parą, ir pridėkite bent 30% atsargos.
• Netinkamai parinktas įkrovimo reguliatorius: Reguliatoriaus galia turi būti bent 20% didesnė už saulės baterijų galią (pvz., 600W saulės baterijų sistemai reikia bent 50A reguliatoriaus 12V sistemai).
• Prasta ventiliacija: Švino rūgštiniai akumuliatoriai išskiria vandenilį, kuris yra sprogus. LiFePO4 taip pat reikia vėdinimo, nes jie gali įkaisti.
• Apsaugos trūkumas: Kiekviename grandinės taške turėtų būti saugiklis ar automatinis jungiklis (tarp saulės baterijų ir reguliatoriaus, tarp reguliatoriaus ir akumuliatoriaus, tarp akumuliatoriaus ir inverterio).

Sistemos priežiūra ir augimas

Kai viskas sujungta ir veikia, svarbu reguliariai stebėti sistemą. Tikrinkite laidų jungtis - ar neatsijungė, ar neoksiduotos. Oksiduota jungtis kuria varžą, o tai reiškia šilumą ir energijos nuostolius. Švino rūgštiniams akumuliatoriams tikrinkite skysčio lygį (jei tai ne hermetinis tipas) ir kartais atlikite išlyginimą - visiškai įkraukite ir palaikykite aukštą įtampą kelias valandas.

Saulės energetikos sistemos yra moduliuojamos. Galite pradėti nuo vieno akumuliatoriaus ir dviejų saulės baterijų, o vėliau pridėti daugiau. Svarbiausia - nebijoti eksperimentuoti, bet visada laikytis saugos taisyklių. Jei kyla abejonių, geriau pasikonsultuoti su specialistu.

tags: #falke #akumuliatoriaus #schema