Artykuł sponsorowany

Jak tworzyć niezawodne i bezpieczne źródła zasilania?

Projektowanie i produkcja dla przemysłu

Postęp technologiczny ostatnich lat podsumować można słowami jednego z największych i najbardziej znanych wynalazców, Thomasa Alva Edisona (1847-1931 r.): „Z energią elektryczną idzie nam doskonale, lepiej niż początkowo przewidywała moja żywa wyobraźnia. Na czym się to skończy, Bóg tylko wie!”.

Niewątpliwie wprowadzenie energii elektrycznej do codziennego użytku było ogromnym przełomem – od oświetlenia ulicznego (Nowy Jork od 1882 r.) i domowego, po praktycznie każdy aspekt życia ludzkiego.

 

Skala i szybkość, z jaką rozwinęła się elektryczność, zapewne przerosła wyobrażenia Edisona z przełomu wieków XIX i XX.    

Współczesne urządzenia elektryczne i elektroniczne spełniają ogrom funkcji, których oczekują ich użytkownicy. Są znakomitą pomocą w życiu i pracy, jednak wymagają zadbania o jeden aspekt – niezawodną, łatwo przetwarzalną i bezpieczną energię. Z tego powodu coraz większe oczekiwania stawiane są nie tylko producentom urządzeń elektrycznych, ale również twórcom źródeł zasilania. W szczególności dotyczy to urządzeń mobilnych, w tym zarówno sprzętu do użytku osobistego (telefony, elektronarzędzia), jak i napędów elektrycznych oraz stosowanych w nich dużych systemów zasilających (rowery, skutery, motocykle, samochody osobowe i pojazdy użytkowe). Dowiedz się więcej o projektowanie i produkcji dla przemysłu >>

 Fot.1. Przykładowe urządzenia zasilane akumulatorowymi źródłami energii
Fot.1. Przykładowe urządzenia zasilane akumulatorowymi źródłami energii
(fot. materiały internetowe producentów sprzętu).


System zasilania. Zagadnienia projektowe i kryteria wyboru

Wybór systemu zasilania zależy od szczegółowej specyfikacji projektowanego urządzenia. Wymagania stawiane akumulatorom w dużej mierze zależne są od późniejszych warunków użytkowania oraz procesu technologicznego wytwarzanych urządzeń. Stanowi to podstawę procesu projektowania.

Poniżej zaprezentowane i omówione zostało kilka głównych kryteriów wyboru systemu zasilania:

1. Przeważnie podstawowymi kryteriami wyboru są: wymagania techniczne (w tym głównie zawartość energii – długi czas pracy), użytkowe (wieloletnia żywotność, łatwość użytkowania i serwisowania) oraz koszty.

2. Nie wolno zapominać o szeroko rozumianym bezpieczeństwie użytkowania. Nowoczesne źródła zasilania to duża ilość energii, zgromadzona w jak najmniejszej objętości i masie. Oznacza to maksymalną możliwą gęstość energii, a energia w sposób naturalny dąży do uwolnienia się. Jeżeli nie jest dobrze kontrolowana, uwalnia się w sposób gwałtowny, ekstremalnie poprzez zapłon lub wybuch.

Grupa produktów

Opis

Energia systemu zasilania

Sprzęt osobistego użytku

Sprzęt osobistego użytku (smartwatch, sprzęt medyczny itp.)

2Wh - 15Wh

Elektronika powszechnego użytku

Elektronika powszechnego użytku (kalkulatory, telefony, tablety, komputery, aparaty cyfrowe, kamery wideo itp.)

10Wh - 100Wh

Profesjonalne urządzenia elektroniczne i elektryczne

Profesjonalne urządzenia elektroniczne i elektryczne (elektronarzędzia, mniejszy sprzęt budowlany, sprzęt pomiarowy, sprzątający itp.)

50Wh - 1000Wh

Małe napędy elektryczne

 

Małe napędy elektryczne (hulajnogi, rowery, skutery, motocykle)

 

100Wh - 5 kWh

Pojazdy elektryczne

 

Pojazdy elektryczne: osobowe i użytkowe (autobusy, ciężarówki).

Od 2016 r. segment ten dominuje w zużyciu akumulatorowych źródeł zasilania najnowszej technologii Li-Ion

1,5 kWh - 800 kWh

5 grup pojazdów, średnie energie akumulatorów:

hybrydowe plug-in hybrid PHEV: 5 – 20kWh

bateryjne BEV: 25 – 100kWh

ciężarówki: 50kWh – 800kWh

autobusy: 100kWh – 350kWh

Domowe, i przemysłowe systemy magazynowania energii

Domowe i przemysłowe systemy magazynowania energii (kontenerowe instalacje w systemie elektroenergetycznym)

3 kWh - 25 kWh

500 kWh - 3,5 MWh

Tab. 1. Zakresy energii systemów zasilania wybranych grup produktowych

3. Kluczowym aspektem wyboru źródła zasilania dla przemysłu jest również analiza światowego rynku zasobów i dostępności surowców oraz możliwości produkcyjne dla rozważanych źródeł energii. Biorąc pod uwagę obecny wzrost zapotrzebowania na akumulatory dla branży samochodowej, stabilność dostaw jest znacznym czynnikiem ryzyka.

W raporcie „High-energy batteries from 2030+” opublikowanym w 2017 r. przez Instytut Fraunhofera w Niemczech szacuje się, że jeżeli pojazdy elektryczne, przenośna elektronika i systemy magazynowania energii kontynuować będą wzrost produkcji na obecnym poziomie, to w ciągu następnej dekady nastąpi drastyczny, międzynarodowy wzrost zapotrzebowania na baterie. Sama Europa potrzebować będzie energii w ogniwach na poziomie od 200 GWh aż do nawet TWh, żeby zabezpieczyć ogniwa dla firm znajdujących się na jej terytorium (w 2018 r. cały świat zużył około 160 GWh w akumulatorach Li-Ion, co w stosunku do 2017 r. oznacza wzrost na poziomie 23%). Dowiedz się więcej o innowacyjnych rozwiązaniach Wamtechnik >>

4. W trosce o środowisko naturalne system musi również spełniać wymagania środowiskowe klienta, co czasami wyklucza zastosowanie niektórych technologii i rozwiązań. Brak uwzględnienia powyższego aspektu na etapie założeń technicznych i tworzenia projektu może znacznie podnieść czas i koszt urządzenia końcowego.

Skomplikowany proces doboru parametrów, technologii i architektury systemu zasilania, jak również zapewnienie jakości i bezpieczeństwa użytkowania, w tym zgodności rozwiązania z przepisami czy strategicznej dostępności komponentów w procesie wytwarzania, stanowi duże wyzwanie inżynierskie, organizacyjne i biznesowe. Jest to wieloaspektowe zarządzanie ryzykiem projektu.

Mierząc się ze złożonym zagadnieniem doboru, zaprojektowania i produkcji nowoczesnego zasilania akumulatorowego, przedsiębiorstwo musi posiadać multidyscyplinarny zespół inżynierów, specjalizujący się w wielu zagadnieniach technicznych.  

Zagadnienia techniki niezbędne do prawidłowego opracowania systemu zasilania:

MECHANIKA

Parametry mechaniczne: wielkość, masa, wytrzymałość na naprężenia, uderzenia i wibracje, poziom szczelności, trwałość konstrukcji (np. sztywność), system mocowania układu ogniw w urządzeniu itp.

Opracowanie procesów technologicznych do wytwarzania produktu, zapewnienie szybkości i powtarzalności procesu.

MECHANIKA

INTEGRACJA ELEKTRYCZNA

Analiza parametrów elektrycznych systemu: pojemność elektryczna lub energia, napięcie elektryczne, przewidywane prądy lub moc pracy. W przypadku systemu ładowalnego – prądy i moc przy ładowaniu.

Zapewnienie pełnej kompatybilności elektrycznej z urządzeniami klienta.

INTEGRACJA ELEKTRYCZNA

ELEKTRONIKA – HARDWARE

Zaprojektowanie układów elektroniki zabezpieczających pracę ogniw w trybach ładowania, rozładowywania, transportu, uśpienia czy magazynowania.

Bezwzględna konieczność zaprojektowania wielopoziomowych systemów zabezpieczających klasy BMS (Battery Management Systems) i wyposażenie ich w funkcje dodatkowe, np. komunikację pakietu zasilania z urządzeniem i/lub bezpośrednio z użytkownikiem (np. ze smartfonem).

ELEKTRONIKA – HARDWARE

ELEKTRONIKA – SOFTWARE

W większości przypadków konieczne jest napisanie wbudowanego oprogramowania (embedded firmware), instalowanego w procesorach nadzorujących pracę zasilania.

Są to wymagania zarówno bezpieczeństwa, jak i realizacja specjalnych funkcjonalności, oczekiwanych przez użytkowników.

ELEKTRONIKA – SOFTWARE

ANALIZA TERMICZNA

Temperaturowe warunki pracy oraz zarządzanie energią cieplną, wytwarzaną podczas pracy i/lub ładowania systemu, mają kluczowe znaczenie dla poprawnego funkcjonowania i bezpieczeństwa chemicznych systemów zasilania.

Przegrzanie jest zawsze szkodliwe – w łagodnym przypadku przyspiesza starzenie się akumulatora, a w drastycznym może prowadzić do zapłonu. Natomiast praca w zbyt niskich temperaturach jest często niedozwolona ze względu na bezpieczeństwo chemicznych źródeł prądu.

ANALIZA TERMICZNA

ŻYWOTNOŚĆ

Wymagana żywotność systemu – kalendarzowa, jak i cykliczna (liczba cykli ładuj-rozładuj) - dla aplikacji przemysłowych to bardzo często wiele lat. Urządzenia pomiarowe wymagają projektowanej żywotności w zakresie od 6 do 20 lat, podobnie jak zasilanie przemysłowe i branża automotive.

Zależnie od aplikacji może być to żywotność z ciągłą pracą mikro-prądami (A) albo wiele tysięcy cykli ładowania-rozładowania o założonych parametrach pracy.

ŻYWOTNOŚĆ
TESTY i CERTYFIKAJA. ZGODNOŚĆ Z PRZEPISAMI

Systemy zasilania podlegają ścisłym regulacjom prawnym w kilku zakresach:

  • bezpieczeństwo transportowe (UN38.3.),
  • przepisy dla urządzeń elektrycznych (UE - znakowanie CE, jeżeli obowiązuje ze względu na parametry urządzenia),
  • przepisy szczegółowe różnych krajów (znaczne różnice, przypadki szczególnie trudne to Rosja, Chiny i Brazylia – bez spełnienia wewnętrznych przepisów nie ma możliwości wprowadzenia na rynki żadnego urządzenia, a proces certyfikacji musi odbywać się na terenie kraju docelowego).
Kolejne obowiązki certyfikacyjne wynikają z wymagań rynku, a są to najczęściej certyfikacje na normy IEC62133 i standardy UL, prowadzone wg procedur CB-Scheme, światowego systemu nadzoru nad procesem certyfikacji.

TESTY i CERTYFIKAJA. ZGODNOŚĆ Z PRZEPISAMI

TESTY i CERTYFIKAJA. ZGODNOŚĆ Z PRZEPISAMI

Wysoka energia. Jak zapewnić bezpieczeństwo użytkowania?

Nowoczesne aplikacje cechuje coraz większa energooszczędność, dzięki czemu wydłuża się czas pracy urządzeń. Jednak wymagania użytkowników odnośnie funkcjonalności i autonomii działania rosną jeszcze szybciej, powodując wzrost zapotrzebowania na energię.

Trwa intensywny rozwój elektrochemicznych źródeł energii, przykładowo systemów ogniw z elektrolitem stałym, tzw. All Solid State Batteries, które z bardzo dużym prawdopodobieństwem pozwolą na znaczny wzrost energii (szacunki to minimum 40%, a w podejściu bardzo optymistycznym – ponad 100% więcej energii), a przy tym będą znacznie bezpieczniejsze. Jednym z liderów rozwoju tego systemu jest TOYOTA, która w skali świata zatrudnia kilka tysięcy inżynierów pracujących tylko nad tym zagadnieniem.  

 TOYOTA

W technologii All Solid State Battery spodziewany jest przełom w gęstości energii do poziomu nawet 800 Wh/kg (obecnie wyniki laboratoryjne osiągają maksymalnie 300 Wh/kg). Zastosowanie nowych materiałów w stałym stanie skupienia pozwoli na uniknięcie zagrożeń termicznych – przegrzania, pożaru lub wybuchu baterii.

Jednakże naukowcy są dopiero na początku drogi. W tej chwili sformułowane zostały jedynie kluczowe problemy, a prace nad ich rozwiązaniem wciąż są w początkowej fazie. Dlatego w skali najbliższych 10 lat liczyć się będą wysokoenergetyczne technologie w systemach chemicznych Li-Ion, NCM i NCA, czyli dokładnie te, które obecnie stosują wszystkie firmy, w tym na przykład Tesla Motors.

Niebezpieczne więc niewarte uwagi?

Wysoka energia, będąc niewątpliwie zaletą, stwarza także naturalne niebezpieczeństwo. W przypadku zbyt szybkiego i niekontrolowanego uwolnienia możemy mieć do czynienia z poważnymi uszkodzeniami, zapłonem, a nawet eksplozją.

Nie należy jednak winić o to wysokoenergetycznych technologii litowych i ich następców. Jest to naturalny proces fizyczny, ponieważ duże nagromadzenie energii tworzy potencjał szybkiego jej uwolnienia. Na początku ery pojazdów spalinowych przypadki pożarów benzyny były bardzo częste. Osiągnięcie poziomu bezpiecznego użytkowania paliw płynnych zajęło przemysłowi pół wieku, a wypadki zapłonu w sytuacjach awaryjnych zdarzają się do dziś.

Oczywiście zapewnienie całkowitego bezpieczeństwa systemu zasilania jest najważniejszym priorytetem. Absolutnie konieczna jest analiza i zarządzanie ryzykiem występującym w każdym projekcie. Proces ten musi rozpoczynać się już od etapu tworzenia założeń technicznych projektu i być konsekwentnie realizowany w fazie projektowania produktu końcowego.

Analiza przypadków zapłonu urządzeń przemysłowych pokazała, że zapewnienie bezpieczeństwa jest możliwe wyłącznie przy zastosowaniu podejścia całościowego do systemu zasilania: wnikliwej analizy warunków eksploatacji, konstrukcji samej baterii (akumulatora), urządzenia końcowego (integracja) i systemu ładowania.

Ważne! Nawet najlepsze i pojedynczo bezpieczne ogniwa nie zapewnią bezpieczeństwa złożonego systemu zbudowanego z takich ogniw. Dowodzą tego przykłady pokazane na zdjęciach poniżej.

Pożar samochodu TESLA S

Pożar samochodu TESLA S w okolicach Wałbrzycha w Polsce, 09.2018. Źródło:

https://spidersweb.pl/autoblog/tesla-splonela-w-polsce/

Pożar samochodu TESLA S

Pożar samochodu TESLA S na stacji szybkiego ładowania w Norwegii, 01.2016. Źródło:

http://www.mytesla.com.pl/2016/01/20/nadal-nieznane-sa-przyczyny-pozaru-modelu-s-w-norwegii/

 

Pierwszy to samochód TESLA S. Jeden z najlepszych przykładów zastosowania energii elektrycznej do napędu pojazdu z zasilaniem akumulatorowym.

Akumulator został zaprojektowany solidnie, jako element strukturalny podwozia pojazdu. Zastosowane zostały także dobrej jakości ogniwa i profesjonalny proces wytwarzania. Jednak w tak dużym systemie (~7000 sztuk pojedynczych ogniw) nie zostały przewidziane wszystkie możliwe interakcje między komponentami systemu, w szczególności w kwestiach mechanicznych oraz termicznych.

Część pożarów powstała prawdopodobnie w wyniku mechanicznych narażeń baterii. W pierwszych wersjach samochodu nie było dodatkowych osłon w podwoziu i możliwe były uderzenia od spodu podczas jazdy autostradowej, powodujące w konsekwencji zwarcia w zespole akumulatorów zabudowanych w podłodze.

Inne przypadki zapłonu zdarzały się przy super-szybkim ładowaniu ładowarkami największej mocy (prawdopodobnie efekty przegrzania ogniw).

Oczywiście zdarzają się również błędy ludzkie, np. przy montażu (co najmniej jeden pożar wywołany został przez źle podłączone przewody wysokiego napięcia).

 

 

Pożary pojazdów poczty niemieckiej Deutsche Post AG

Pożary pojazdów poczty niemieckiej Deutsche Post AG

Pożary pojazdów poczty niemieckiej Deutsche Post AG miały miejsce w 12.2018 i 01.2019. Źródło: https://www.daserste.de/information/wirtschaft-boerse/plusminus/sendung/risiko-elektroautos-100.html

Kolejny przypadek to pojazd użytkowy poczty niemieckiej STREETSCOOTER, służący do rozwożenia paczek.

Bateria wydawała się dobrze zaprojektowana i profesjonalnie wyprodukowana przez specjalistyczną firmę. Dokładniejsze badania pokazały, że proces zgrzewania (łączenia elektrycznego ogniw w większe zespoły) nie był prawidłowo opracowany i nie zapewniał koniecznej jakości i niezawodności połączeń.

Firma Deutsche Post AG w szczególności odniosła się do dwóch pożarów pojazdów elektrycznych w listopadzie 2018 r.: „Każdy pożar brał się z akumulatora. [...] Bardzo prawdopodobne jest, że przyczyna leży po stronie podwykonawcy, który nie wykonał dobrych zgrzewów w akumulatorach trakcyjnych”.

Deutsche Post AG ma w swojej flocie ponad 9 000 tych pojazdów, dlatego zmuszona została do podjęcia działań na poziomie kryzysowym. Deutsche Post w marcu 2019 r. stwierdziła: „Poinstruowaliśmy nasze spółki zależne, aby wycofały te pojazdy z eksploatacji do odwołania, tymczasowo zastępując je innymi autami, aby nie narażać naszych pracowników na żadne ryzyko”.

W ramach środków zapobiegawczych prowadzona jest szeroka akcja testowa i serwisowa. Wszystkie pojazdy są obecnie sprawdzane pod kątem akumulatorów i naprawiane.

Zapłon (widoczny dym) ogniw Li-Ion

Zapłon (widoczny dym) ogniw Li-Ion w zestawie akumulatorowym zasilania pomocniczego samolotu. Źródło: https://www.scientificamerican.com/article/how-lithium-ion-batteries-grounded-the-dreamliner/

Trzeci przykład to bateria zbudowana jako pomocnicze zasilanie pokładowe dla samolotu Boeing Dreamliner.

Bateria składa się z ogniw w technologii Li-Ion najlepszej jakości, niezawodnych i w pełni bezpiecznych jako pojedyncze ogniwa. W dużym systemie (wiele ogniw obok siebie) nie zostało jednak prawidłowo przewidziane zarządzanie ciepłem wydzielanym przez akumulatory. Dla pojedynczej sztuki nie stanowi to niebezpieczeństwa przegrzania, jednak dla większego systemu już tak, doprowadzając do niebezpieczeństwa zapłonu.

 

Tab.3. Przykłady pożarów akumulatorów w pojazdach z zasilaniem elektrycznym

Nowoczesne źródła zasilania. Szybko czy bezpiecznie?

Rynek urządzeń zasilanych akumulatorami rozwija się bardzo dynamicznie. Postęp technologiczny, rozwój napędów elektrycznych i rosnący popyt na inteligentne urządzenia to główne czynniki napędzające wzrost.

 Wykres. 1. Światowy rynek akumulatorów 1995-2018 r. (bez technologii VRLA).
Wykres. 1. Światowy rynek akumulatorów 1995-2018 r. (bez technologii VRLA).
Wzrost sprzedaży ogniw akumulatorowych dla ostatnich 10 lat wynosił +21% rok do roku, przy czym dla samej technologii Li-Ion jest to około +30% r/r.

Silne regulacje rządowe (np. Chińskie) w zakresie korzystania z pojazdów elektrycznych w celu zmniejszenia zanieczyszczeń to kolejne ważne czynniki, wzmacniające wzrost popytu. Wykładniczy wzrost rynku to szansa dla producentów układów zasilania, ale również niebezpieczeństwo niewydolności omawianej gałęzi gospodarki (brak mocy produkcyjnych), albo doprowadzenie do sytuacji wyczerpania niektórych surowców naturalnych (np. kobalt).

Kolejny aspekt to bezpieczeństwo układów zasilania. Rosnący rynek z jednej strony otwiera wiele możliwości biznesowych, ale równolegle tworzy dużą presję konkurencyjną i konieczność szybkiego wypuszczania na rynek nowych urządzeń. Często niestety kosztem upraszczania i skracania procesu projektowania i walidacji, testów praktycznych z urządzeniami oraz certyfikacji.

Stwarza to znaczne ryzyko powstawania „zbyt szybko – zbyt tanio” zaprojektowanych systemów. Wysoka energia ogniw, konieczność precyzyjnego nadzoru ich pracy i systemowego podejścia do projektu stanowią barierę wejścia na rynek zasilania przez mniej doświadczonych oferentów. Pójście jednak drogą „na skróty” może mieć tragiczne skutki, z pożarami i obrażeniami użytkowników włącznie.

Wamtechnik Sp. z o.o

ul.Techniczna 2 bud. H
05-500 Piaseczno

mail:

strona: wamtechnik.pl

Komentarze

(0)
Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »
10/2019

AKTUALNY NUMER:

elektro.info 10/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Projekt zasilania pompowni pożarowej
  • - Przekładniki niekonwencjonalne wykorzystywane w automatyce elektroenergetycznej
Zobacz szczegóły
COMEX S.A. COMEX S.A.
O firmie COMEX S.A. od początku swojej działalności, tj. od 1987 zajmuje się kompleksową obsługą klientów w zakresie zasilania...

Ciekawe strony

Elektryk na Fixly.pl

EPS System - agregaty prądotwórcze

Producent oświetlenia

Ciekawa Architektura

Instalacje

Literatura fachowa

Rekuperacja

Termomodernizacja

Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa, w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl