Ewolucja systemów magazynowania energii napędzana przez chemię ogniw i elektronikę sterującą

135

Wraz z postępem ery cyfrowej jesteśmy coraz bardziej otoczeni – i zależni – od urządzeń elektronicznych wszystkich typów i rozmiarów. Niezależnie od tego, czy są to inteligentne zegarki na naszych nadgarstkach, pojazdy elektryczne (EV), którymi jeździmy, czy też odnawialne źródła energii i centra danych, które dostarczają nam energię na dużą skalę i zasoby IT, wszystkie są zależne od zmagazynowanej energii z tego czy innego powodu.

Niektóre z nich potrzebują tej zmagazynowanej energii do działania, podczas gdy inne wykorzystują ją jako bufor przesuwający się w czasie między dostępnością zasilania sieciowego a zapotrzebowaniem użytkownika. W obu scenariuszach urządzenia są jednak zasilane przez system magazynowania energii (ESS). Składa się on z baterii kontrolowanej przez elektroniczny system zarządzania baterią (BMS).

Wszyscy projektanci urządzeń znajdują się pod ciągłą presją, aby poprawić wydajność, funkcjonalność i niezawodność swoich produktów przy jednoczesnym zmniejszeniu rozmiaru, wagi, kosztów i zużycia energii. Dobrze zaprojektowane systemy ESS mogą znacząco przyczynić się do osiągnięcia tych celów, a ich wkład można poprawić zarówno poprzez postępy w chemii ogniw akumulatorowych, jak i w projektowaniu elektroniki BMS.

Niniejszy artykuł dotyczy obu aspektów systemów ESS – chemii ogniw i elektroniki sterującej – oraz tego, w jaki sposób najnowsze osiągnięcia w obu technologiach umożliwiają ekscytujący postęp w produktach, które je wykorzystują. Uznano jednak, że różne zastosowania mają bardzo różne priorytety. Na przykład, rozmiar i waga ESS są najważniejsze w projektowaniu pojazdów elektrycznych; w statycznej instalacji magazynowania energii odnawialnej jest to nadal ważne, ale ma niższy priorytet.

W związku z tym zaczynamy od przeglądu podstaw chemii ogniw i systemów BMS. Następnie przyjrzymy się różnym zastosowaniom ESS, ich specyficznym wyzwaniom oraz temu, jak najnowsze rozwiązania ESS radzą sobie z tymi wyzwaniami.

Baterie i chemia ogniw

Chemia ogniw jest podstawą systemów magazynowania energii i decyduje o wydajności, bezpieczeństwie i kosztach systemu. Najpopularniejszymi typami akumulatorów stosowanych w systemach magazynowania energii są akumulatory litowo-jonowe (Li-ion), które znane są z wysokiej gęstości energii, długiej żywotności i niskiego współczynnika samorozładowania. Akumulatory litowo-jonowe mają duże znaczenie, ponieważ oprócz swojej podstawowej formy, zostały opracowane w wielu pochodnych, z których każda oferuje unikalną równowagę korzyści.

Poniżej znajduje się krótki przegląd niektórych z najważniejszych wariantów litowo-jonowych:

Tlenek litowo-kobaltowy (LCO): LCO jest jednym z najczęściej stosowanych materiałów katodowych w akumulatorach litowo-jonowych. Charakteryzuje się wysoką gęstością energii, dzięki czemu idealnie nadaje się do stosowania w przenośnej elektronice.

Tlenek manganu litu (LMO): LMO to kolejny popularny materiał katodowy znany ze swojej stabilności i bezpieczeństwa. Ma niższą gęstość energii niż LCO, ale jest tańszy i bardziej przyjazny dla środowiska.

Tlenek litowo-niklowo-manganowo-kobaltowy (NMC): NMC to nowszy materiał katodowy, który oferuje równowagę między gęstością energii, mocą wyjściową i bezpieczeństwem. Jest powszechnie stosowany w pojazdach elektrycznych i innych wysokowydajnych zastosowaniach.

Fosforan litowo-żelazowy (LFP): LFP jest znany ze swojej długiej żywotności, doskonałej stabilności termicznej i bezpieczeństwa. Ma niższą gęstość energii niż inne materiały katodowe, ale jest tańszy i bardziej przyjazny dla środowiska.

Tlenek litowo-niklowo-kobaltowo-glinowy (NCA): NCA to kolejny nowszy materiał katodowy, który oferuje wysoką gęstość energii i moc wyjściową. Jest on powszechnie stosowany w pojazdach elektrycznych.

Tytanian litu (LTO): LTO jest znany ze swojej długiej żywotności, doskonałej stabilności termicznej i bezpieczeństwa. Ma niższą gęstość energii niż inne materiały katodowe, ale może szybko się ładować i rozładowywać.

Akumulatory półprzewodnikowe: Pojawiająca się alternatywa dla technologii litowo-jonowej i litowo-polimerowej, która jest bardzo obiecująca, opiera się na bateriach półprzewodnikowych – nowym typie baterii wielokrotnego ładowania. Wykorzystują one elektrody stałe i elektrolit stały, zamiast elektrolitów ciekłych lub polimerowo-żelowych stosowanych w akumulatorach litowo-jonowych lub litowo-polimerowych. Mają wyższą gęstość energii, ładują się szybciej, mają dłuższą żywotność i są znacznie bezpieczniejsze w porównaniu do konwencjonalnych akumulatorów. Elektrolit stały może składać się z ceramiki, szkła, siarczynów lub stałych polimerów.

Baterie półprzewodnikowe są nadal w fazie badań i rozwoju, ale mogą potencjalnie zrewolucjonizować branżę akumulatorów. Mogłyby być stosowane w pojazdach elektrycznych, smartfonach, laptopach i innych urządzeniach elektronicznych. Toyota wydaje się być blisko przełomu w produkcji, który mógłby przyspieszyć przejście na pojazdy elektryczne.

Podstawowa obsługa akumulatorów litowo-jonowych

Podobnie jak każda inna bateria, akumulator litowo-jonowy składa się z jednego lub więcej przedziałów generujących energię zwanych ogniwami. Każde ogniwo składa się z trzech elementów: elektrody dodatniej (podłączonej do dodatniego lub + zacisku akumulatora), elektrody ujemnej (podłączonej do ujemnego lub – zacisku) oraz substancji chemicznej zwanej elektrolitem pomiędzy nimi. Elektroda dodatnia jest zwykle wykonana ze związku chemicznego zwanego tlenkiem litowo-kobaltowym (LiCoO2) lub, w nowszych akumulatorach, z fosforanu litowo-żelazowego (LiFePO4). Elektroda ujemna jest zazwyczaj wykonana z węgla (grafitu), a elektrolit różni się w zależności od typu baterii.

Wszystkie akumulatory litowo-jonowe działają zasadniczo w ten sam sposób. Podczas ładowania akumulatora dodatnia elektroda z tlenku litowo-kobaltowego oddaje część jonów litu, które przemieszczają się przez elektrolit do ujemnej elektrody grafitowej i tam pozostają. Podczas tego procesu akumulator pobiera i magazynuje energię. Podczas rozładowywania akumulatora jony litu przemieszczają się z powrotem przez elektrolit do elektrody dodatniej, wytwarzając energię zasilającą akumulator. W obu przypadkach elektrony przepływają w przeciwnym kierunku niż jony wokół obwodu zewnętrznego. Elektrony nie przepływają przez elektrolit: stanowi on barierę izolacyjną dla elektronów.

W przeciwieństwie do prostszych akumulatorów, akumulatory litowo-jonowe mają wbudowane elektroniczne kontrolery, które regulują sposób ich ładowania i rozładowywania. Zapobiegają one przeładowaniu i przegrzaniu, które mogą powodować eksplozję baterii litowo-jonowych w niektórych okolicznościach.
Rysunek 1: Akumulator litowo-jonowy Ansmann 14,54 V 7 Ah z przewodami zasilającymi

Superkondensatory

Chociaż, jak sama nazwa wskazuje, są to raczej kondensatory niż baterie, warto o nich wspomnieć, ponieważ wnoszą istotny wkład w niektóre projekty ESS. 

Superkondensator (SC), zwany również ultrakondensatorem, ma wartość pojemności znacznie wyższą niż kondensatory półprzewodnikowe, ale przy niższych limitach napięcia. Wypełnia on lukę między kondensatorami elektrolitycznymi a akumulatorami. Zazwyczaj przechowuje od 10 do 100 razy więcej energii na jednostkę objętości lub masy niż kondensatory elektrolityczne, może przyjmować i dostarczać ładunek znacznie szybciej niż baterie i toleruje o wiele więcej cykli ładowania i rozładowania niż baterie wielokrotnego ładowania.

Superkondensatory są używane w zastosowaniach wymagających wielu szybkich cykli ładowania/rozładowania, a nie długoterminowego kompaktowego magazynowania energii – w samochodach, autobusach, pociągach, dźwigach i windach, gdzie są używane do hamowania regeneracyjnego, krótkotrwałego magazynowania energii lub dostarczania energii w trybie burst. Mniejsze jednostki są wykorzystywane jako zapasowe źródło zasilania dla statycznej pamięci o dostępie swobodnym (SRAM).

Rysunek 2: Superkondensator KEMET FG0H225ZF, EDLC, 2,2 F, 5,5 V, z wyprowadzeniem promieniowym, -20%, +80%, 7,62 mm, 1000 godzin @ 70°C

Podstawy systemu zarządzania akumulatorem

Stan naładowania (SOC), a także regulacja ładowania i rozładowywania akumulatora litowo-jonowego. Zapewnia, że każde ogniwo w zestawie pozostaje w bezpiecznym zakresie napięcia roboczego, jednocześnie chroniąc przed nadmiernym prądem, nadmierną temperaturą i przeładowaniem. System BMS składa się zazwyczaj z płyty sterującej z dołączonym ekranem, a także szeregu czujników i przełączników rozmieszczonych w całym zestawie akumulatorów.

Płytka sterująca wykorzystuje informacje z czujników do obliczania bieżącego SOC każdego ogniwa, a także ogólnego SOC pakietu. Następnie porównuje te wartości z ustawionymi progami, aby określić, kiedy należy aktywować lub dezaktywować określone funkcje, aby zapewnić bezpieczne działanie pakietu. Na przykład, jeśli jedno ogniwo w pakiecie zacznie ładować się zbyt szybko w stosunku do innych, system BMS wyłączy zasilanie tego ogniwa, dopóki nie osiągnie bezpiecznego poziomu napięcia.

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać swój komentarz!
Proszę podać swoje imię tutaj