Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej Nr 21

XV

Seminarium

ZASTOSOWANIE KOMPUTERÓW W NAUCE I TECHNICE’ 2005

Oddział Gdański PTETiS

ŁADOWANIE BATERII AKUMULATORÓW

PRZY WYKORZYSTANIU PRZETWORNICY DC/DC

ZE STEROWANIEM MIKROPROCESOROWYM

Krzysztof KORYCKI, Jacek SKIBICKI, Daniel SOCZYŃSKI

Politechnika Gdańska, WEiA, KTE, ul. Sobieskiego 7, 80-216 Gdańsk

tel: [phone]

e-mail: [e-mail] [e-mail] [e-mail]

W referacie przedstawiono metodologię procesu ładowania baterii akumulatorów
kwasowo – ołowiowych, z wykorzystaniem nowoczesnego prostownika
impulsowego (przetwornicy DC/DC), sterowanego mikroprocesorem.
Zaprezentowano i omówiono wyniki analizy energetycznej i sprawnościowej dla

wybranej metody ładowania.

Przedstawiono wady i zalety ładowania akumulatorów

kwasowo – ołowiowych prądem o charakterze impulsowym i wysokiej
częstotliwości pulsacji. Zaprezentowano opracowany model matematyczny układu
składający się z: modelu baterii chemicznej, przetwornicy DC/DC oraz układu
regulacji. Obliczenia wykonano w programie symulacyjnym PSpice, z
wykorzystaniem opracowanych modeli matematycznych.

1. WSTĘP

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Recenzent: Prof dr hab. inż. Piotr Chrzan, Wydział Elektrotechniki i Automatyki

Politechniki Gdańskiej

Pomimo dynamicznego rozwoju różnych nowoczesnych źródeł energii, takich jak

ogniwa paliwowe czy superkondensatory, nadal szeroko stosowanymi zasobnikami energii
elektrycznej pozostają baterie akumulatorów kwasowo – ołowiowych. Stale rozwijane
technologie produkcji a przede wszystkim korzystna cena powodują, że akumulatory
kwasowo-ołowiowe są źródłem energii elektrycznej nadal stosowanym m.in. w trakcji
elektrycznej do zasilania autonomicznego pojazdu elektrycznego. Użytkowanie
akumulatorów kwasowo – ołowiowych wiąże się jednak z wieloma problemami. Dotyczy
to szczególnie sposobów ich prawidłowego ładowania tzn. takich, które zapewnią przede
wszystkim szybkie naładowanie akumulatora nie powodując znaczącego zmniejszenia jego
żywotności. Dzięki postępowi w dziedzinie elektroniki, dostępne stały się układy
prostowników impulsowych sterowanych przez mikroprocesory. Takie rozwiązanie
umożliwiło prawie dowolne kształtowanie charakterystyk ładowania akumulatorów, a co za
tym idzie poprawę warunków ładowania.

- 152 -

2. MODELE

Badania symulacyjne wykonano przy użyciu modelu akumulatora przedstawionego na

rys. 1. Model ten uwzględnia podstawowe parametry akumulatora kwasowo ołowiowego.
W badaniach pominięto zmiany pojemności akumulatora podczas kolejnych cykli
ładowania i rozładowania, wpływ temperatury zewnętrznej na parametry akumulatora oraz
wpływ nagrzewania spowodowanego stratami przy przepływie prądu ładownia. Nie
uwzględniono także pracy baterii akumulatorów w różnych warunkach środowiskowych,
zakładając eksploatację baterii w zamkniętym pomieszczeniu.

Rys. 1. Uproszczony schemat modelu akumulatora wykorzystanego do obliczeń symulacyjnych pracy

impulsowej ładowarki akumulatorów, gdzie: E

0

– zmienna siła elektrochemiczna; R22 – rezystancja

stała materiału elektrod, przewodów łączących itd...; C

0

– pojemność pomiędzy elektrolitem, a

elektrodami; R

0

zmienna rezystancja elektrolitu. R

0

, C

0

, E

0

są zależne od stopnia naładowania

Tr

Rys. 2. Schemat blokowy modelu przetwornicy zaporowej (ang. Flyback) z separacją galwaniczną

obwodów wyjściowych użytego w przeprowadzonych symulacjach, gdzie: L – indukcyjność

impulsowa; C

we

– pojemność wejściowa; C

wy1,2

– pojemności wyjściowe; L

wy2

– indukcyjność filtru

wyjściowego; IC, IC1 -sterowniki kluczujące tranzystory T i Q1; IC2 – obwód sprzężenia zwrotnego

napięciowego z separacją galwaniczną; D, CR1, CR2 – diody prostownicze szybkie; Tr –

transformator impulsowy

- 153 -

Schemat blokowy ładowarki baterii akumulatorów przedstawiono na rys. 2. Badany

model zawiera: przetwornicę z transformatorem impulsowym izolującym obwody zasilania
sieciowego od wyjścia ładowarki, filtr wejściowy, prostownik sieciowy, prostownik
wyjściowy oraz sterownik. Opcjonalny blok podnoszący napięcie nie został uwzględniony.
Model przetwornicy utworzono w programie symulacyjnym PSpice, w którym dokonano
także symulacji jej pracy.

3. METODY ŁADOWANIA

W tablicy 1 przedstawiono najczęściej stosowane metody ładowania akumulatorów

kwasowo-ołowiowych. W dostępnej literaturze znaleźć można więcej opisanych
algorytmów ładowania [1, 3, 4, 6], jednak większość z nich jest nadal w fazie
eksperymentu, lub zaimplementowanie ich w układzie fizycznym wymagałoby wsparcia
bardzo zaawansowanym układem sterowania, kontroli i diagnostyki ładowanych
akumulatorów. W przeciętnych zastosowaniach inżynierskich metody te nie zdobyły
większej popularności. W punkcie 4 dotyczącym sterowania przetwornicą impulsową
ładowarki akumulatorów przedstawiono także algorytm implementujący szybką metodę
ładowania akumulatorów z doładowaniem końcowym. Jest to metoda coraz częściej
stosowana na przykład przy ładowaniu akumulatorów wózków elektrycznych. Ładowanie
szybkie jest wykorzystywane przy pracy cyklicznej baterii akumulatorów.

Tablica 1. Stosowane metody ładowania akumulatorów [5].

- 154 -

Tablica 2. Wady i zalety impulsowych ładowarek akumulatorów w porównaniu do urządzeń o pracy

ciągłej [2]

Parametr

Ładowarka o pracy ciągłej

Ładowarka impulsowa

sprawność

30..45 %

60..90 %

masa około

6 kg/100 W

1,5 kg/100 W

objętość około 7,5

dm

3

/100 W

1,5 dm

3

/100 W

zakłócenia ewentualnie

kondensatory

przeciwzakłóceniowe

konieczne środki
konstrukcyjne i filtry

4. STEROWANIE

Ze względu na prace buforową baterii akumulatorów wykorzystywanej do weryfikacji

eksperymentalnej w układzie ładowarki zaimplementowano tylko metodę ładowania z
ograniczeniem prądowo-napięciowym (IU z tablicy 1). Opracowany algorytm został
przedstawiony na rys. 3. Po włączeniu ładowarki do sieci następuje pomiar napięcia baterii,
od tego napięcia uzależniona jest decyzja rozpoczęciu procesu ładowania. Podczas
ładowania działa ograniczenie prądowe, po osiągnięciu przez akumulator napięcia o
wartości świadczącej, że został on naładowany (U

n

), włączone zostaje ograniczenie

napięciowe oraz zabezpieczenie zwarciowe badające prąd akumulatora I

bat

.

U

bat

< U

n

START

Pomiar napięcia

baterii U

bat

T

N

Pomiar prądu

baterii I

bat

I

bat

< I

n

Ładowanie baterii

prądem I

bat

= I

n

T

N

Awaria

STOP

Ładowanie baterii

napięciem U

bat

= U

n

Rys. 3. Algorytm sterowania przetwornicą ładowarki baterii akumulatorów dla metody ładowania z

ograniczeniem prądowo-napięciowym (IU)

- 155 -

5. WYNIKI SYMULACJI

Przebadano proces ładowania pod kątem jego sprawności i poprawności działania

systemu sterowania przetwornicą zasilającą. Rys. 4. przedstawia przebieg napięcia
akumulatora i prądu ładowania. Widać, że układ regulacji utrzymuje zadaną wartość
maksymalnego prądu ładowania do czasu osiągnięcia napięcia równego co do wartości
napięciu nominalnemu baterii, po czym jest on ograniczany stopniowo (doładowanie
końcowe). Utrzymany został charakter impulsowy prądu, ze względu na działanie
odsiarczające [1]. Na rys. 5 przedstawiono przebieg sprawności procesu ładowania w
czasie.

Przebiegi przedstawiono w jednostkach względnych w odniesieniu do parametrów

nominalnych. Widać że sprawność w czasie zmienia się od wartości 55 % do około 90 %.
Daje to średnią sprawność ładowania na poziomie około 70 %. Wartość ta jest wyższa od
osiąganych w klasycznych układach ładowania baterii kwasowo-ołowiowych [2].

Time

0s

2s

4s

6s

8s

10s

12s

0

0,4

0,8

1,1

Napięcie

akumulatora

Prąd akumulatora

Rys. 4. Wyniki symulacji procesu ładowania baterii akumulatorów – prąd i napięcie akumulatora.

(napięcie znamionowe baterii akumulatorów U

n

= 216 V, pojemność Q = 28 Ah, prąd maksymalny

ładowania I

max

= 5A)

Time

0s

2s

4s

6s

8s

10s

12s

0

0.5

1.0

Rys. 5. Wyniki symulacji procesu ładowania baterii akumulatorów - sprawność procesu ładowania

- 156 -

6. WNIOSKI

Pokazane wyniki uwidaczniają jak sprawność ładowania baterii kwasowo –

ołowiowej zależy od przyjętego algorytmu procesu ładowania i topologii układu
przetwornicy DC/DC. Przyjęta metoda z ograniczeniem prądowo – napięciowym (IU)
pozwala na uzyskanie sprawności ładowania na poziomie 80 %. Poziom ten jest znacznie
wyższy niż osiągany w klasycznych układach ładowania. Pełniejsze dopracowanie metody
ładowania z pewnością pozwoliłoby na dalsze (nieznaczne) podniesienie sprawności.
Dodatkowo zaproponowana metoda umożliwia dokładną kontrolę prądu ładowania w
zależności od pojemności baterii i aktualnej wartości napięcia na jej zaciskach. Kontrola
prądu jest ważna ze względu na trwałość akumulatorów. Układ zapewnia również
całkowitą separację galwaniczną obwodu prądu stałego i obwodu zasilającego napięcia
przemiennego. Problem trwałości eksploatacyjnej i sprawności energetycznej podczas
ładowania baterii akumulatorów, a zwłaszcza akumulatorów trakcyjnych jest istotny, gdyż
na pewno udział pojazdów elektrycznych o zasilaniu autonomicznym w ogólnym rynku
pojazdów samochodowych będzie wzrastał na skutek wyczerpywania się źródeł paliw
kopalnych.

7. BIBLIOGRAFIA

1. Czerwiński A.: Akumulatory, baterie, ogniwa. Wydanie pierwsze. Warszawa WKŁ

2005. ISBN 83-206-1564-X

2. Ferenczi Ö.: Zasilanie układów elektronicznych. Zasilacze ze stabilizatorami o pracy

ciągłej. Przetwornice DC-DC. Warszawa, WNT 1979

3. J.Marcos, A. Lago, C.M.Peñalver, J.Doval, A.Nogueira, C.Castro and J. Chamadoira:

An approach to real behaviour modeling for traction lead_acid batteries. IEEE ‘2001
Vancouver

4. Sutanto D., Chan H.L. and Fok C.C.: Battery Model for Use in Electric Vehicles and

Battery Energy Storage Systems. EPE ‘99 – Lausanne.

5. Praca zbiorowa: Poradnik inżyniera elektryka. Tom I. Wydanie drugie poprawione.

Warszawa WNT 1996.

6. Ziętkiewicz Z.: Akumulatory samochodowe i motocyklowe. Warszawa, WKiŁ 1979

Charging the lead-acid batteries using the DC/DC processor controlled pulse

converter

In this paper are presented the methodology of lead-acid batteries charging with use of

the modern processor controlled pulse rectifier (DC/DC converter). Results of the energetic
and efficiency analysis of chosen charging method are showed and discussed. Faults and
advantages of the high frequency pulse current charging of lead-acid batteries are shown.
Also presented the mathematics models of: chemical battery, DC/DC converter and control
system. All these models were developed for PSpice simulating program.