|
|
RCK Ruđera Boškovića - mobilna / uslužna robotika
|
Napajanje – Power supply
Kemijski spremnici energije s mogućnošću nadopunjavanja osiguravaju energetske potrebe mobilnog robota.
Osnovni pojmovi prilikom odabira baterija
Kapacitet, vrste baterija i akumulatora
Umnožak struje i vremena pražnjenja naziva se kapacitetom baterija. Uobičajena jedinica kapaciteta [Ah] kod akumulatora odnosno [mAh] kod baterija. Pod pojmom akumulatora smatraju se kemijski spremnici električne energije na bazi olova izvedeni u raznim tehnologijama proizvodnje (Gro-tipa, SLA, AGM, Olovo kristal itd.) . Baterije povezujemo s manjim kemijskim spremnicima električne energije najčešće cilindričnog oblika raznih dimenzija i tehnoloških rješenja (NiCd, NiMH, LI-polimer, LI –ion, LiFePO4 itd).
U elektroenergetici kemijske spremnike energije također se nazivaju baterijama te se najčešće koriste visoko temperaturne (NaS) baterije i protočne baterije. Smještaju se u kontejnere i velike su izlazne snage. Koriste se za ublažavanje energetskih udara na mrežu.
Gustoća energije
Omjer akumulirane energije baterije i mase baterije, obično se navodi u [Wh/Kg]. Veća gustoća baterije znači lakšu bateriju uz istu pohranjenu energiju.
Ciklus
Baterije i akumulatori u svom životnom vijeku imaju ograničenu energiju koju u ciklusima punjenja i pražnjenja baterija može akumulirati i predati trošilima. Iz te energije se izračunava broj ciklusa punjenja i pražnjenja baterija i akumulatora. Broj ciklusa ovisi o dubini pražnjenja baterije (izražen u % od nazivnog kapaciteta baterije), odnosno što dublje praznimo bateriju možemo očekivati manji broj ciklusa.
Umnožak dubine pražnjenja i broja ciklusa uvijek nam daje isti broj (kao primjer na slici broj iznosi 36000). Taj broj u omjeru s energijom predstavlja ukupnu energiju koju baterija u svom životnom vijeku može prenijeti u ciklusima punjenja i pražnjenja.
Pod jednim punim ciklusom podrazumijevamo pražnjenje baterije do najnižeg dopuštenog nivoa pražnjenja te jedno punjenje baterije do nazivnog kapaciteta.
Životni vijek
Broj ciklusa nakon kojeg kapacitet baterije nepovratno padne ispod 80% početnog kapaciteta ili vrijeme nakon kojeg dolazi do osjetnog pogoršanja performansi baterije.
Održavanje baterije
Periodičko pražnjenje baterije do donje granice nakon kojeg slijedi punjenje do punog kapaciteta s ciljem smanjenja izgubljenog kapaciteta kao posljedice kemijskih reakcija u bateriji (kristalizacija ili memorijskog efekta). Punjači olovnih akumulatora posjeduju način punjenja (equalisation charge) koji pospješuje razgradnju oksida na akumulatorskim pločama tako da naponski nivo punjenja podignu za cca. 2%. Takav način punjenja provodi se svakih 30 do 50 ciklusa, ali ne primjenjuje se na akumulatorima osjetljivim na previsoki napon punjenja, odnosno na prepunjavanje (AGM akumulatori).
Memorijski efekt
Memorijski efekt se javlja kod starijih generacija NiCd baterija. Uočen je kod baterija koje napajaju satelite. U Zemljinoj orbiti solarni paneli ciklički ulaze i izlaze iz sjene, pa se baterija uvijek praznila do istog nivoa i nakon toga se punila do istog nivoa. Takav ciklički nivo punjenja i pražnjenja doveo je do stabilizacije kapaciteta baterije do onog nivoa do kojeg se baterija punila. Postepenim pražnjenjem i punjenjem na druge nivoe dolazi do eliminacije memorijskog efekta baterije.
Samo pražnjenje
Pražnjenje baterije koja nije priključena na trošilo. Ovisi o vrsti baterije, neke vrste imaju izraženo samo pražnjenje, te ih je nakon duljeg nekorištenja potrebno ponovno nadopuniti.
C karakteristika olovnih akumulatora
Kapacitet akumulatora vezan je uz C karakteristiku i označava se na primjer 100Ah@C20. Navedeni podatak prezentira da akumulator ima kapacitet 100Ah pri konstantnoj struju pražnjenja u trajanju od 20 sati. Iz podatka lako izračunamo da se radi o struji od 5A. Struja pražnjenja od 5A iznosi 5% kapaciteta, pa kažemo da se akumulator prazni strujom od 0,05C.
Postavlja se pitanje: Koliki efektivni kapacitet ima akumulator ukoliko je struja veća ili manja od 5A?
Kad akumulator napunjen na isti nivo 100Ah praznimo strujom većom od 5A ne možemo iskoristiti svih 100Ah. Na primjer tada bi za isti akumulator karakteristika bila 95Ah@C10 što znači da ukoliko akumulator praznimo brže odnosno 10 sati konstantnom strujom od 9,5A.
Karakteristika C20 je standardna karakteristika koju svaki renomirani proizvođač istakne na svom proizvodu. Često se na akumulatorima ističu karakteristike C120 ili čak C240. U danom primjeru konstantna struja pražnjenja za karakteristiku C120 bila bi 0,83A, a za C240 0,41A. U praksi rijetko imamo potrebu za malim strujama pražnjenja pa nam takve karakteristike nisu korisne.
C postotak struje punjenja/pražnjenja od nazivnog kapaciteta
Kod baterija slovom C se označava nazivni kapacitet baterije na primjer 2400mAh. Nadalje se oznaka nC koristi za maksimalnu konstantnu struju pražnjenja ili punjenja ovisno o podatku gdje je n broj koji množi nazivni kapacitet baterije. Na primjer podatak za maksimalnu struju baterije 5C protumačili bi smo kao struju od 12A za navedeni primjer od 2400mAh. Ukoliko podatak govori o preporučenoj struji punjenja na primjer 0,3C tada bi ta struja iznosila 720mA.
DOD (depth of discharge) dubina pražnjenja
DOD je postotak kapaciteta koji smo ispraznili iz 100% napunjene baterije. Ukoliko je DOD 20% govorimo o plitkom pražnjenju, a ukoliko je 80% tada se radi o dubokom pražnjenju.
SoC (state of charge) stanje napunjenosti
Obrnuti podatak od DOD koji kazuje koliko je stanje napunjenosti odnosno koliko je Ah preostalo u bateriji.
Vrste baterija
Akumulatori na bazi olova
Godine 1859. Francuski fizičar Gaston Plante izumio je olovnu bateriju (akumulator Gro-tipa) koja se mogla koristiti u komercijalne svrhe, i danas se koriste u automobilima, viličarima, velikim sustavima besprekidnog napajanja. Potrebno je održavanje baterija i kod korištenja u industrijske svrhe potrebno je osigurati ventiliranu prostoriju za smještaj baterija. Ekološki su štetne ukoliko ih se pravilno ne odlaže.
SLA – suhe olovne baterije
Sredinom 1970-ih, napravljene su prve tako zvane suhe olovne baterije (SLA), koje ne treba održavati (kontrola elektrolita u akumulatoru) i mogu raditi u bilo kojem položaju. Posjeduju sigurnosne ventile koji omogućuju izlazak plinova prilikom velikih opterećenja i previsokog napona, jer imaju nisku toleranciju previsokog napona. Nemaju memorijski efekt i mogu se neograničeno puniti s naponom održavanja.
Preporučeno punjenje strujom od 0,1 do 0,3 nazivnog kapaciteta i čuvaju se napunjene jer u protivnom stvaraju sulfat koji smanjuje kapacitet. Radna temperatura 20-25ºC, nisu preporučene velike struje pražnjenja veće od 1C. Samo pražnjenje 40% na godinu. Reciklirati se može 90% baterije, ali olovo je čini ekološki lošom. U kategoriju suhih baterija ubrajamo: gel akumulatore, AGM akumulatore, Olovo kristal akumulatore.
Prednosti:
- Jeftina i jednostavna izrada
- Nisko samo pražnjenje-jedno do najmanjih 40% godišnje
- Niski zahtjevi održavanja, nema memorijskog efekta, nema dopunjavanja elektrolita
Mane:
- Ne smije se skladištiti ispražnjena
- Mala gustoća energije-loš odnos mase i energije
- Mali broj ciklusa
- Ekološki neprihvatljiva
- Problematičan transport (velika masa)
Nikal Kadmijum NiCd baterije
Tehnologija izrade alkalnih Nikal baterija započela se razvijati još 1899 godine kada je Waldmar Junger izumio NiCd bateriju. Zbog skupe izrade praktična primjena je izostala sve do 1947. kada počinju istraživanja na zatvorenoj NiCd bateriji koja ponovno vrača unutarnje plinove stvorene prilikom punjenja umjesto da ih ispušta. Ovaj tehnološki napredak doveo je do moderne zatvorene NiCd baterije.
NiCd baterija primjenjiva je za brza i spora punjenja kao i za pulsirajuća i kontinuirana. Radi u teškim uvjetima i na nižim temperaturama. Održavanje baterije se odnosi na redovita duboka pražnjenja i punjenja jer se time eliminira memorijski efekt kome su NiCd baterije podložne i smanjuje se kristalizacija uslijed koje NiCd baterija može izgubiti kapacitet.
Prednosti:
- Brzo i jednostavno punjenje i nakon dugog skladištenja
- Dobra pri velikim opterećenjima
- Dugo vrijeme skladištenja u bilo kojem stanju
- Punjenje na niskim temperaturama
- Jeftina
- Dostupna u raznim oblicima (najčešće cilindrična)
Mane:
- Mali kapacitet kada se uspoređuje sa tehnološki novijim baterijama
- Memorijski efekt
- Ekološki opasna
- Ima veliko samo pražnjenje
U europskoj uniji uvodi se zabrana korištenja baterija koje sadrže živu i kadmij zbog ekoloških pitanja i odlaganja otpada. Za više informacija vidi „Direktivu o baterijama“ iz 2006. godine.
3. Nikal-metal Hidrid (NiMH) baterije
Prva istraživanja započinju 1970-ih godina kao potraga za skladištenjem hidrogena (vodika) u Nikal Hidrogen bateriji. Razvojem nove legure 1980-ih usavršavaju se i postignuta je stabilnost. Usavršavanje baterije nastavilo se i do danas u smjeru povećanja kapaciteta.
NiMH baterije imaju i do 40% veći kapacitet od NiCd baterija a time i veću gustoću energije, i ekološki su prihvatljivije jer koriste metale koji nisu štetni za okolinu. Zbog korozije imaju izraženo samo pražnjenje i do 2 puta veće do NiCd baterija. Razvijene su LSD NiMH baterije s niskim samo pražnjenjem. Danas su razvijene baterije do 140Wh/kg. U europskoj uniji zamijenile su NiCd baterije.
Prednosti:
- 40-50% veći kapacitet od NiCd baterija
- Manje izražen memorijski efekt pa stoga i manje održavanje
- Jednostavno skladištenje i transport
- Ekološka prihvatljivost
Mane:
- Manji vijek trajanja–ako se duboko prazni rapidno se smanjuje vijek trajanja 200-300ciklusa
- Manja struja pražnjenja-može se prazniti velikim strujama ali skraćuje vijek
Optimalno 0,5C - Složenije punjenje-stvara više topline i treba se sporije puniti. Brza punjenja su opasna.
- Izraženo samo pražnjenje-i do 2 puta veće od NiCd baterija
- Osjetljivost na temperaturu-treba je čuvati na hladnom sa 40% napunjenosti
- Oko 20% skuplja od NiCd baterija
U skladu s „Direktivom o baterijama“ europske unije dopušteno je njihovo korištenje.
4. Litij-ion baterije
Prva istraživanja s Li-baterijama datiraju 1960-tih godina a prva komercijalna Li-baterija pojavila se 1991. godine. Kao osnovnu aktivnu tvar koristi Litij koji je jedan od najlakših metala, te se baterija odlikuje malom masom što povećava gustoću energije. Nakon istraživanja koja su provedena 1980-ih godina utvrđeno je da ciklusi stvaraju promjene na litijskoj elektrodi te dovodi do temperaturne nestabilnosti što može dovesti do točke taljenja, a rezultat toga je eksplozivna reakcija i zapaljenje.
Kapacitet je dvostruko veći nego kod NiMH baterija, nema memorijski efekt, ne treba održavanje, samo pražnjenje je duplo manje nego kod NiMH baterija. Osjetljiva je na prevelik ili prenizak napon i struju punjenja i pražnjenja, te previsoku temperaturu. Skladištenje se preporuča na temperaturi od 15ºC.
Prednosti:
- Veliki kapacitet
- Nisko samo pražnjenje
- Nije potrebno održavanje
Mane:
- Zahtjeva elektroniku za nadgledanje punjenja, pražnjenja i temperature
- Loša za skladištenje
- Ograničena struja pražnjenja- opasnost kod kratkog spoja
- Problematičan transport – zbog potencijalne opasnosti od eksplozije
- Skupa za proizvodnju – 40% skuplja od NiCd baterija
- Još traju usavršavanja
Vrste LI-ion baterija i njihove karakteristike
| Vrsta baterije | LiCoO2
Li-cobalt | LiMn2O4
Li-mangan | LiFePO4
Li-phosphate | LiNiMnCoO2
NMC |
|---|
| Napon [V] | 3,6 | 3,8 | 3,3 | 3,6/3,7 |
| Nivo punjenja [V] | 4,2 | 4,2 | 3,6 | 4,2 |
| Broj ciklusa | 500-1000 | 500-1000 | 1000-2000 | 1000-2000 |
| Gustoća energije [Wh/kg] | 150-190 | 100-135 | 90-120 | 140-180 |
| Maksimalno opterećenje | 1C | 10C,40C puls | 35C | 10C |
| Temperaturni pobjeg [°C] | 150 | 250 | 270 | 210 |
5. Litij-ion polimer (Lipo) baterije
Originalna izvedba nastala je 1970-ih godina i koristi suhi polimerski elektrolit koji zamjenjuje porozni separator natopljen elektrolitom. Suhi polimer osigurava jednostavnost i sigurnost jer nema opasnosti od vatre i eksplozije, ali s druge strane ima lošu provodnost i stoga je unutarnji otpor baterije visok. Time baterija nije bila pogodna za velika strujna opterećenja. Da bi se smanjio unutarnji otpor koristi se elektrolit u gelu. Razvojem Lipo baterija postignuta je velika gustoća energije, te smanjen unutarnji otpor baterija. Mogu se proizvesti baterije svih oblika i vrlo tanke izvedbe, te se koriste kod mobilnih uređaja.
Prednosti:
- Izuzetno tanka – može biti debljine kreditne kartice
- Izrada u raznim oblicima
- Lagana
- Poboljšana sigurnost – bolje trpi prepunjavanje i temperaturno je stabilnija
Mane:
- Mani kapacitet i broj ciklusa od Li-ion baterija
- Skupa izrada
6. Litij-titan (Li4Ti5O12) LTO baterije
LTO baterije omogućuju veliku brzinu punjenja i dug životni vijek, te dobru kemijsku stabilnost. LTO baterije imaju niži napon: između 1,9 V i 2,5 V što donosi značajne prednosti u smislu sigurnosti.
Podaci pokazuju da se te baterije mogu sigurno puniti strujom od 5C odnosno oko 12 minuta.
Široke radne temperature, visoka učinkovitost oko 98%, te bolje performanse pri nižim temperaturama uspoređujući ih s ostalim baterijama, te dugi životni vijek.
Osnovne vanjske karakteristike:
- stabilnost tijekom pražnjenja velikim strujama – kontinuirano podržava do 15C, vršno pražnjenje od 20C, ali se smanjuje životni vijek s većim strujama pražnjenja
- Podaci kod 80% DOD, 20°C, 0,5C struja punjenja
- kod struje pražnjenja 3C cca. 10000 ciklusa
- struje pražnjenja 1C cca. 20000 ciklusa
- 0,5C struja pražnjenja 50000 ciklusa
- Temperaturne karakteristike
- 25°C – iskoristivo 100% kapaciteta
- 0°C – iskoristivo 80% kapaciteta
- -10°C – iskoristivo 70% kapaciteta
- -20°C – iskoristivo 60% kapaciteta
- podrška za brzo punjenje – do 6C struje punjenja
- pražnjenje s dugom linearnom razinom napona (2,60V do 2,30V)
- minimalno pregrijavanje odnosno oslobađanje topline tijekom rada
Povezivanje baterija i akumulatora
Baterije i akumulatori mogu se povezati paralelno i serijski, te kombinacija paralelno serijskog spoja.
Paralelnim spojem baterija povećava se kapacitet, te struja opterećenja i punjenja, a napon ostaje nepromijenjen. Poželjno je u spoj povezati baterije istog kapaciteta. Ako baterije nisu napunjene na isti nivo priliko paralelnog spoja baterije će prirodno balansirati nivo napunjenosti.
Serijskim spojem baterija povećava se priključni napon i gotovo uvijek ga koristimo kod mobilnih robota. Struja je ograničena nazivnom strujom baterije. U serijskom spoju mogu se priključiti baterije istog kapaciteta, te prethodno napunjene na isti nivo, jer ista struja punjenja prolazi kroz obje baterije i isto pridonosi napunjenosti baterije. Poželjno je na neko vrijeme prije serijskog spajanja baterije spojiti paralelno da postignu isti nivo napunjenosti. Li-ion baterije serijski se povezuju pomoću sklopa za nadzor BMS (Battery managment system) koji nadgleda napunjenost pojedine baterije u serijskom spoju. Takav sustav je potreban zbog osjetljivosti Li baterija na prepunjavanje koje dovodi do povećanja napona pojedine baterije te mogućeg zapaljenja baterija.
Serijsko paralelni spoj
BMS
Prilikom pražnjenja nebalansiranih baterija u baterijama ostaje neiskorištena energija, jer se pražnjenje zaustavlja kad se isprazni najmanje napunjena baterija (žuta baterija). Prilikom punjenja kad se ustanovi da je jedna baterija puna (zelena baterija) prekida se punjenje, te ostale baterije se ne napune dovoljno što predstavlja neiskorišteni kapacitet baterija.
Osnovna podjela BMS-a svodi se na:
- Pasivne – kad prva baterija u serijskom spoju dosegne maksimalnu napunjenost smanjuje struju punjenja i paralelno s baterijom priključuje otpornik za pražnjenje. Otpornici pretvaraju energiju iz baterije u toplinu i balansiraju napunjenost svih baterija. Brzo pune baterije na cca. 80%, te balansiranje do 100% dugo traje zbog smanjene struje punjenja. Jeftini, širok raspon struja punjenja/pražnjenja i broja serijski povezanih baterija.
Postoje pasivni BMS bez mogućnosti balansiranja baterije ali takvi sustavi nisu efikasni.
- Aktivne – nema velikih gubitaka energije pretvorene u toplinu, te balansiraju baterije na srednju vrijednost napunjenosti. Potrebne induktivne komponente u sklopovskom rješenju što povećava cijenu BMS-a. Struje balansiranja su veće nego kod pasivnog BMS-a.
Kriterij odabira BMS-a
Osnovni kriterij za odabir BMS sustava svodi se na broj serijski povezanih baterija istih kemijskih osnova, što se označava sa slovom S, te na maksimalnu struju koje trošilo zahtijeva za svoj rad. Na primjer BMS 4S predstavlja sustav za 4 serijski spojene baterije istih kemijskih osnova. Struja BMS sustava na primjer 20A označava maksimalnu struju koju BMS u načinu punjenje/pražnjenja može nadgledati. Kad prva baterije u sustavu postigne maksimalni napon uključuje se sustav balansiranja koji smanjuje struju punjenja na struju balansiranja.
BMS sustav ne prepoznaje koliko je paralelno povezanih baterija. Dakle struja od primjerice 20A koju BMS nadgleda dijeli se na paralelno povezane baterije. Ukoliko su na primjer paralelno povezane 3 baterije tada maksimalna struja po bateriji iznosi 20/3A.
BMS sustav nije punjač baterija nego samo sustav nadzora punjenja i pražnjenja. Punjač i trošila se povezuju s BMS sustavom.
Prilikom odabira preporučuje se odabrati BMS s većim strujnim opterećenjem od potrebnog, te obratiti pažnju na pasivno ili aktivno balansiranje. Pri češćim ciklusima punjenja/pražnjenja isplativo je investirati u aktivni BMS jer su smanjeni gubici, te imaju veću struju balansiranja.
Na stranici https://batteryuniversity.com/articles nalaze se opširniji podaci i smjernice za rad s baterijama.
Punjenje akumulatora i baterija
Svaka vrsta baterija i akumulatora zahtijeva različite uvjete punjenja te postoje razne vrste punjača koji optimiziraju ciklus punjenja odnosno ciklus punjenja prilagođavaju vrsti baterije. Temperatura baterije uvelike utječe na brzinu punjenja.
Punjače dijelimo na:
- Spore punjače
- Brze punjače
- Ultra-brze punjače
Spori punjači
Struja punjenja kod sporih punjača iznosi od 0,1C do 0,2C pri temperaturi od 0°C do 45°C te vrijeme punjenja iznosi do 14 sati.
Brzi punjači
Struja punjenja brzih punjača varira od 0,3C do 1C pri temperaturi od 10°C do 45°C, te vrijeme punjenja se kreče od 1 sat do 6 sati.
Ultra-brzi punjači
Struja punjenja se kreče od 3C do 5C pri višoj temperaturi (kod nekih vrsta baterija do 60°C), a vrijeme punjenja od 10minuta do 30 minuta. Takav način punjenja pogodan je do maksimalno 70% SoC (nivoa napunjenosti) baterije, te se nakon toga prelazi na brzo punjenje i smanjuje se temperatura baterije. Ultra-brzo punjenje znatno skraćuje životni vijek baterije.
Li-ion te LiPo baterije najčešće se koriste u mobilnoj robotici jer po svojim karakteristikama najbolje zadovoljavaju zahtjevima. Stariji modeli mobilnih robota koji se korite u edukacijske svrhe koristili su NiCd ili NiMH baterije koje su se punile u vanjskim posebnim punjačima. Baterije je potrebno izvaditi iz robota, jer su te baterije zahtijevale punjače s prisilnim hlađenjem baterija, a pored toga NiMH bateriju nije poželjno puniti s punjačem predviđenim na NiCd baterije.
Primjedbe