Hybrydowa sieć zasilania stacji ładowania baterii przemysłowych autonomicznych maszyn i pojazdów elektrycznych (część 1.)
Hybrid power supply network of charging stations for batteries of industrial autonomous machines and electric vehicles – Part I
![Rys. Maszyny robocze z autonomicznym napędem elektrycznym: a) ciągnik/holownik lotniskowy [3], b) autonomiczne transportery kruszyw [4]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/202007/maszyny-robocze-z-napedem-elektrycznym-rysglowny.jpg)
Rys. Maszyny robocze z autonomicznym napędem elektrycznym: a) ciągnik/holownik lotniskowy [3], b) autonomiczne transportery kruszyw [4]
Wyeliminowanie zanieczyszczenia powietrza występującego w aglomeracjach przemysłowych, ograniczenie emisji dwutlenku węgla, to dziś kluczowe wyzwania cywilizacyjne. Zdaniem autorów, przemysł musi zdecydowanie zwiększyć wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych do zasilania przekształtników napędowych silników elektrycznych oraz wykorzystać ją do ładowania baterii pojazdów elektrycznych (EV). Moce stacji ładowania baterii EV mogą być pochodną mocy napędowych przemienników częstotliwości i osiągać wartość rzędu 2 MW bez rozbudowy przemysłowych sieci niskiego napięcia. Planowanie harmonogramu ładowania baterii zakładowych EV dużymi mocami powinno odbywać się w czasie zmniejszonego obciążenia przekształtników napędowych – wówczas nie wystąpi przekroczenie dopuszczalnej mocy w zakładowej sieci elektroenergetycznej napięcia przemiennego.
Zobacz także
dr inż. Marta Żurek-Mortka Wpływ stacji szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych na sieć elektroenergetyczną (część 1.)
Stacje szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych z zasobnikami energii (ładowanie napięciem DC) mogą odegrać znaczącą rolę w celu osiągnięcia zmniejszenia zależności systemu elektroenergetycznego od konwencjonalnych...
Stacje szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych z zasobnikami energii (ładowanie napięciem DC) mogą odegrać znaczącą rolę w celu osiągnięcia zmniejszenia zależności systemu elektroenergetycznego od konwencjonalnych źródeł energii (opartych na technologii spalania surowców). Zwiększający się udział pojazdów elektrycznych, w tym elektrycznych samochodów ciężarowych i autobusów, niesie ze sobą obawy o spełnienie ich potrzeb w zakresie ładowania ich baterii w różnych scenariuszach podróży.
SONEL S.A. Ładowarki aut elektrycznych – jak wpływają na parametry jakości energii elektrycznej?
Dynamiczny rozwój elektromobilności wymusza błyskawiczną rozbudowę infrastruktury ładowania, co staje się jednym z największych wyzwań dla współczesnych systemów elektroenergetycznych. Instalacja stacji...
Dynamiczny rozwój elektromobilności wymusza błyskawiczną rozbudowę infrastruktury ładowania, co staje się jednym z największych wyzwań dla współczesnych systemów elektroenergetycznych. Instalacja stacji ładowania EV – odbiorników o znacznej mocy i nieliniowej charakterystyce – to proces znacznie bardziej złożony niż podłączenie standardowych urządzeń. Niesie on ze sobą ryzyko degradacji parametrów jakości zasilania (JEE), m.in. poprzez generację wyższych harmonicznych, asymetrię obciążeń oraz uciążliwe...
Redakcja Elektro.info.pl Energa za 338 mln zł zbuduje w Polsce setki ładowarek do ciężarówek
Energa-Operator otrzyma ponad 338 mln złotych dofinansowania, w ramach podpisanej umowy z NFOŚiGW, aby przygotować sieć na potrzeby rozwoju stacji ładowania dla pojazdów ciężarowych. Realizacja projektu...
Energa-Operator otrzyma ponad 338 mln złotych dofinansowania, w ramach podpisanej umowy z NFOŚiGW, aby przygotować sieć na potrzeby rozwoju stacji ładowania dla pojazdów ciężarowych. Realizacja projektu stworzy co najmniej 153 MW nowego potencjału przyłączeniowego dla kilkuset punktów ładowania o dużej mocy.
W artykule:• Bateria litowojonowa EV dużej mocy i zmagazynowanej energii• Planowanie harmonogramu ładowania baterii elektrycznych maszyn roboczych • Topologia sieci hybrydowej przedsiębiorstwa dla ładowania baterii maszyn roboczych i poprawy wskaźników jakości energii |
StreszczenieW artykule zaproponowano dostosowanie zakładowej sieci energetycznej do zasilania szybkich stacji ładowania pojazdów elektrycznych (moce 300 kW i więcej) z wykorzystaniem energii ze źródeł odnawialnych OZE. Zastosowano mikrosieć napięcia stałego 600 V dla dostarczania energii ze źródeł OZE na potrzeby procesów produkcyjnych i stacji ładowania baterii pojazdów elektrycznych. Wykazano, że możliwe jest wspomaganie zasilania napędowych przemienników częstotliwości energią OZE z mikrosieci 600 V DC, co poprawia wskaźniki jakości energii w systemie elektroenergetycznym. Wykazano także możliwość implementacji stacji szybkiego baterii pojazdów z zakładowym systemem elektroenergetycznym w taki sposób, że nie jest zwiększone zapotrzebowanie na energię systemową. AbstractThe article proposes the adaptation of the industrial plant’s power network to supply EV fast charging stations (with power 300 kW and more) using renewable energy sources (RES). A 600 V DC microgrid was used to supply energy from RES for the needs of production processes and charging stations for EV batteries. It has been shown that it is possible to support the supply of drive voltage frequency converters with renewable energy from a 600 V DC microgrid, which improves the power quality indicators in the power system. The possibility of implementing the fast charging station of EV batteries with the industrial plant’s power system in such a way that the system energy demand is not increased has also been shown. |
Bateria litowojonowa EV dużej mocy i zmagazynowanej energii
Założono, że elektryczna maszyna robocza (np. ciągnik, spychacz) posiada baterię o parametrach 800 Ah/320 V/256 kWh, która jest ładowania prądem stałym 3C = 3·800 A = 2400 A. Bateria będzie naładowania w czasie 20 min. Parametry baterii wynikają z jej konstrukcji, a warunki ładowania i eksploatacji określa jej producent.
Przykładowo dla ogniwa (ang. battery cell) Li-ion typu LFP200AHA [1] o parametrach: Ubn = 3,2 V (od 20% do 100% SOC – ang. State Of Charge) i Qno = 200 Ah, można zbudować zestaw bateryjny, łącząc ogniwa szeregowo dla ustalenia napięcia zestawu bateryjnego i równolegle dla zwiększenia pojemności zestawu.
Przy szeregowym połączeniu 100 ogniw otrzymuje się zestaw 100 x 3.2 V, dających napięcie nominalne baterii o wartości Uzbn = 320 V i pojemności Qzbn1 = 200 Ah.
Dalej łącząc 4 gałęzie baterii równolegle po 100 ogniw każda, można zwiększyć pojemność baterii i tak uzyskuje się zestaw bateryjny 100s4g (100 ogniw połączonych szeregowo i 4 równoległe gałęzie) o pojemności i napięciu (1):
Po przeliczeniu pojemności zestawu bateryjnego Qzbn2 wyrażonego w Ah na kWh otrzymuje się (2):
Masa podanego zestawu bateryjnego wynosi (3):
Zestaw bateryjny, zgodnie z zaleceniami producentów, jest ładowany do 80% SOC stanu naładowania baterii prądem stałym o wartości 0,5C (spotyka się też oznaczenie CA) dla zapewnienia dużej żywotności baterii. Zwiększanie prądu ładowania podwyższa temperaturę baterii i może powodować przyspieszoną jej degradację [1]. W rozważanym przypadku otrzymuje się prąd ładowania 0,5C = 400 A. Maksymalny prąd ładowania tego typu zestawu baterii jest określany przez producenta na poziomie 3C (dla pojedynczego łańcucha), co daje wartość 2400 A. Producent dopuszcza ładowanie prądem impulsowym nawet do wartości 10C (5 s/1 min). Maksymalna moc punktu ładowania dla analizowanego zespołu bateryjnego przy szybkim ładowaniu prądem stałym 3C wynosi (4):
Dla ładowania prądem o wartości 0,5C, moc stacji ładowania wynosi (5):
W przypadku ładowania prądem o wartości 1C, moc strat Pstr(zb) na rezystancji wewnętrznej zestawu bateryjnego Rzb zależy od rezystancji zastępczej ogniwa baterii Rb i można tu przyjąć wartość (6) [1]:
Wtedy moc strat Pstr(zb) wynosi:
Spadek napięcia ładowania na rezystancji wewnętrznej zestawu baterii wynosi:
Napięcie zestawu bateryjnego w stanie jałowym Vzbn wynosi 320 V i wtedy napięcie przekształtnika Vch(1C) DC/DC można wyznaczyć:
Schemat zastępczy baterii EV z przekształtnikiem DC/DC przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 1. Model zestawu baterii 100s4g zbudowanej z ogniw Li-ion typu LPF200AHA – 800 Ah/320 V/256 kWh z przekształtnikiem DC/DC zasilanym z mikrosieci DC 600 V, rys. J. Szymański, M. Żurek-Mortka
Zgodnie z rysunkiem 1., należy zastosować przekształtnik DC/DC o mocy minimalnej ok. P(1C) = 262 kW dla naładowania zestawu bateryjnego w ciągu 1 godziny prądem 1C lub o mocy blisko 800 kW dla naładowania baterii w czasie ok. 20 min prądem 3C. Ładowanie baterii EV prądem 3C jest uzależnione od możliwości jej schładzania, gdyż straty w czasie ładowania wzrastają trzykrotnie do poziomu 18 kW. W czasie ciągłej pracy i przy ładowaniu baterii Li-ion jej temperatura nie może przekroczyć 65°C [1].
Stosowne są różne strategie ładowania baterii EV, np. prądem stałym 3C (20%–80% SOC) i napięciem stałym dla zakresu 80%–100% SOC lub ładowanie impulsami prądowymi 10C (20%–80% SOC). Należy znaleźć kompromis pomiędzy czasem ładowania a temperaturą baterii.
Zastępczą rezystancję wewnętrzną zestawu bateryjnego Rzb można wyznaczyć na podstawie rezystancji zastępczej pojedynczego ogniwa Rb. Znanych jest kilka metod wyznaczania Rb [2]. Autorzy artykułu proponują metodę opartą na odczycie wartości napięcia ładowania ogniwa przy prądach ładowania 1C i 3C, które jest podawane w karcie katalogowej ogniwa [1, 2]. Napięcia ładowania dla ogniwa Li-ion typu LFP200AHA aproksymowane liniowo przedstawia rysunek 2.
Rys. 2. Aproksymowane liniowo napięcia ogniwa Li-ion typu LFP200AHA dla przedziału 20%–100% SOC przy ładowaniu prądem 1C i 3C, rys. J. Szymański, M. Żurek-Mortka
Na podstawie odczytu napięć dla 50% SOC, z rysunku 2. zastępczą rezystancję wewnętrzną ogniwa można obliczyć z równania 10.
gdzie:
Rb – rezystancja zastępcza ogniwa,
ΔUb – różnica napięć ogniwa dla prądów ładowania 3C i 1C,
ΔIb – różnica prądów ładowania ogniwa odpowiednio 3C (600 A) i 1C (200 A).
Planowanie harmonogramu ładowania baterii elektrycznych maszyn roboczych
Ładowanie zespołu bateryjnego maszyny roboczej w przedsiębiorstwie może być realizowane według różnych scenariuszy. Niemniej duże moce przekształtników do szybkiego ładowania zespołu bateryjnego powinno synchronizować się w taki sposób, aby stabilizować poziom obciążenia zakładowego systemu energetycznego. Instalacje zasilania napędowych przekształtników częstotliwości i napięcia, które można zatrzymać na czas ładowania zespołu bateryjnego, mogą być wykorzystywane do zasilania przekształtników DC/DC ładowania zestawów bateryjnych.
Zapewnienie punktów szybkiego ładowania baterii pojazdów transportowych i mobilnych maszyn roboczych w miejscach ich postoju przyczyni się do ich szybkiego upowszechnienia. Maszyny robocze z silnikami elektrycznymi zasilanymi z baterii np. litowo-jonowych, zaczynają skutecznie eliminować maszyny z silnikami spalinowymi. Na rys. 3a przedstawiono w pełni elektryczny pojazd transportowy Lufthansa LEOS [3] do przemieszania samolotów po płycie lotniska. Cechuje się on zerową emisją zanieczyszczeń powietrza i wydziela ponad 80% mniej ciepła niż pojazd tradycyjny oraz nie wytwarza hałasu. Takie rozwiązania wprowadzają nowe możliwości ograniczania emisji zanieczyszczeń do środowiska. Przyszłość maszyn roboczych zapowiadają inteligentne, bezobsługowe ciągniki z autonomicznym napędem elektrycznym, które już pojawią się w ofertach handlowych największych światowych wytwórców. Rys. 3b przedstawia bezobsługowy transporter kruszyw z elektrycznym napędem wykorzysujący sztuczną inteligencję do zarządzania przejazdami [4].
Rys. 3. Maszyny robocze z autonomicznym napędem elektrycznym: a) ciągnik/holownik lotniskowy [3], b) autonomiczne transportery kruszyw [4]
Zdaniem autorów, należy skupiać się na budowie infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych w miejscach ich pracy, przeładunku i postoju. Parkingi publiczne przy drogach ekspresowych czy autostradach często wymagają dużych nakładów inwestycyjnych dla zapewnienia sieci zasilania dostosowanej do dostarczania dużych mocy przy ładowaniu baterii pojazdów, np. o mocy 300 kW. Odmienna sytuacja występuje w rejonach uprzemysłowionych, gdzie rozbudowana przemysłowa sieć zasilania zapewnia elektrycznym napędom przemysłowym duże moce dla codziennej produkcji. Doposażenie parkingu zakładowego, np. górniczego zakładu odkrywkowego, w stanowiska szybkiego ładownia baterii o mocy do 1 MW dla pojazdów transportowych i maszyn roboczych eksploatowanych w kopalni, nie jest tu kosztownym wyzwaniem technicznym.
Instalacje zasilania napędowych przemienników częstotliwości i napięcia (ang. Drive Voltage Frequency Converter) można wykorzystać w wielu rodzajach przedsiębiorstw, także do zasilania szybkich stacji ładowania baterii pojazdów elektrycznych. Chociażby w zakładach ciepłowniczych, w których sezonowo wykorzystywane są napędowe przemienniki częstotliwości w zespołach pomp ciepłej i zimnej wody o mocach rzędu 0,5 MW. Także w przedsiębiorstwach górniczych, gdzie zespoły odwodnieniowe z przemiennikami częstotliwości pracują okresowo z pełną wydajnością. Warto zwrócić uwagę na zespoły elektryczne napędów jazdy roboczych podstawowych maszyn górniczych w kopalnych odkrywkowych. Napędy jazdy podstawowych maszyn górniczych (koparki, zwałowarki, wozy kablowe) dysponują przemiennikami częstotliwości o mocach kilkudziesięciu kilowatów i są wykorzystywane jedynie w czasie przemieszczania się tych maszyn.
Wymienione rodzaje przedsiębiorstw wykorzystują napędowe przemienniki częstotliwości o mocach dopasowanych do mocy nominalnych zasilanych silników, przy czym ich wykorzystywanie ma charakter okresowy. Nie ma powodu, aby dalej akceptować długie przestoje w wykorzystywaniu napędowych przemienników częstotliwości. Po odpowiedniej adaptacji mogą one też pracować jako ładowarki baterii zakładowych pojazdów elektrycznych bez potrzeby zwiększania zapotrzebowania na moc szczytową przedsiębiorstwa.
Topologia sieci hybrydowej przedsiębiorstwa dla ładowania baterii maszyn roboczych i poprawy wskaźników jakości energii
Integracja szybkich stacji ładowania pojazdów elektrycznych poprzez zastosowanie hybrydowej sieci zasilania, która dostarcza energię OZE dla napędowych przemienników częstotliwości, może znacząco odciążyć przemysłowy system elektroenergetyczny i poprawić wskaźniki jakości energii. Na rysunku 4. przedstawiono proponowaną topologię zakładowej sieci hybrydowej 600 V DC dołączonej do obwodu napięcia stałego napędowego przekształtnika częstotliwości stosowanego do zasilania silników indukcyjnych i do przekształtnika DC/DC ładowania zestawu bateryjnego EV.
Rys. 4. Integracja stacji szybkiego ładowania baterii EV z systemem zasilania napędowego przemiennika częstotliwości poprzez niskonapięciową hybrydową mikrosieć napięcia stałego 600 V
Analiza rysunku 4. pozwala przedstawić koncepcję integracji stacji ładowania pojazdów elektrycznych z zakładową siecią SN zasilającą lokalną sieć DC. Mikrosieć DC zasila napędowy przemiennik częstotliwości silnika indukcyjnego klatkowego (moduł A) i stację ładowania baterii EV (moduł B). Lokalna sieć napięcia stałego DC jest zasilania z trzech źródeł: elektrowni energii odnawialnej OZE (solarnej lub wiatrowej), magazynu energii OZE (np. bateria Li-ion) i systemu elektroenergetycznego MV. Hybrydowe zasilanie linii DC ma tutaj charakter opcjonalny, niemniej rozbudowanie systemu zasilania o dodatkowe źródła energii typu OZE dostarcza do procesu produkcyjnego „czystą energię” i odciąża system elektroenergetyczny. Zmniejszanie tzw. śladu węglowego w produktach końcowych jest obecnie nakazem chwili w związku ze zwiększonym wysiłkiem chronienia środowiska naturalnego. Bateria pojazdu jest dołączona do dwukierunkowego przekształtnika DC/DC, dlatego może być wykorzystywana jako dodatkowy (buforowy) magazyn energii.
Realizacja strategii ładowania baterii, np. ładowanie prądem stałym w zakresie 20%–80% SOC jest nadzorowana przez sterownik PLC, który w tym celu komunikuje się z falownikiem napędowego przemiennika częstotliwości. W czasie ładowania baterii EV falownik jest zatrzymywany, aby nie zmieniać zabezpieczeń w torze zasilania przekształtnika DC/DC stacji ładowania baterii EV.
Do obwodu zasilania napędowego przemiennika częstotliwości jest przyłączony równolegle filtr rezonansowy, który redukuje zawartość harmonicznych prądu prostownika wejściowego. Dla ograniczania wpływu pojemnościowej mocy biernej filtra jest on załączany w przypadku, gdy obciążenie przemiennika przekroczy zadaną wartość, np. gdy prąd obciążenia przekroczy 50% wartości prądu nominalnego. Magazyn energii OZE gromadzi energię nadmiarową wytwarzaną przez źródła OZE i podtrzymuje zasilanie urządzeń dołączonych do lokalnej linii DC przy przerwach w dostawach energii z pozostałych źródeł. Jest on sprzęgnięty z linią napięcia stałego DC poprzez dwukierunkowy przekształtnik DC/DC, który zapewnia ładowanie baterii magazynu energii według zadanej strategii lub dostarcza energię z zasobnika do linii DC zgodnie z algorytmem jej wykorzystywania zaimplementowanym w oprogramowaniu sterownika PLC. Lokalna elektrownia OZE dostarcza energię napięcia stałego do linii stałonapięciowej 600 V poprzez jednokierunkowy przekształtnik DC/DC. Zadaniem jednokierunkowego przekształtnika DC/DC jest dostarczanie energii OZE do linii DC i minimalizowanie wykorzystywania energii systemu elektroenergetycznego. Przy występowaniu nadwyżek energii OZE może być ona przesyłana do systemu poprzez napięciowy falownik MSI (AFE), który współpracuje z zespołem filtrów LCL dla ograniczenia zawartości wysokoczęstotliwościowych zaburzeń wytwarzanych harmonicznymi napięcia różnicowego (Differential-Mode Voltage) i wspólnego (Comon-Mode Voltage) w napięciu trójfazowym falownika MSI.
Przemysłowe niskonapięciowe przekształtniki do zasilania silników indukcyjnych AC/DC/AC (VSC) i przekształtniki napięcia stałego na napięcie stałe DC/DC, mają często zbliżoną budowę energoelektronicznych obwodów mocy, a różnice są jedynie w zastosowanych algorytmach sterowania tranzystorami mocy (IGBT) [5].
Omówienie wybranych właściwości przemysłowych przekształtników DC/DC i DC/AC stosowanych w przemysłowych mikrosieciach napięcia stałego 600 V będzie przedmiotem kolejnego artykułu.
Wnioski
Lokalizacja stacji szybkiego ładowania baterii EV na terenie zakładów przemysłowych umożliwia szybki rozwój infrastruktury szybkiego ładowania pojazdów przy minimalnych nakładach finansowych. Istnieje możliwość lokalizacji stacji szybkiego ładowania w pobliżu zainstalowanych napędowych przemienników częstotliwości, np. wykorzystując mobilne zestawy ładowania baterii EV. Lokalizacja mobilnej stacji szybkiego ładowania w pobliżu rozdzielni elektrycznej z napędowymi przemiennikami częstotliwości może znacznie skrócić czas potrzebny na naładowanie baterii samobieżnej maszyny roboczej. Dostosowanie istniejącej zakładowej sieci elektroenergetycznej do wykorzystywania energii OZE, na cele produkcyjne, oraz do ładowania pojazdów EV, jest zadaniem, pozwala na minimalizację kosztów inwestycyjnych. Występują już na rynku energoelektroniczne urządzenia przekształtnikowe wykorzystujące strukturę falownika z trzema półmostkami tranzystorowymi jako przekształtniki DC/DC do ładowania baterii pojazdów EV lub DC/AC do napędu silników indukcyjnych. Obserwując obecne zmiany w technologii wytwarzania maszyn roboczych można oczekiwać zwiększonego udziału zakładowych samobieżnych maszyn roboczych zasilanych z autonomicznych zasobników energii.
Literatura
- Winston LFP200AHA cell. Technical specification. https://shop.gwl.eu/Winston-40Ah-200Ah/WB-LYP200AHA-LiFeYPO4-3-2V-200Ah-WIDE.html – dostęp, 14-06-2020
- David Anseán, Víctor Manuel García i inni: Electric Vehicle Li-ion Battery Evaluation based on Internal Resistance Analysis. World Electric Vehicle Journal, Vol. 3, ISSN 2032-6653, 2009 AVERE.
- https://www.youtube.com/watch?v=k82HSo6W0wU – dostęp 16-05-2020
- https://www.youtube.com/watch?v=mV8ZpxlPqwI – dostęp 16-05-2020
- Vacon Ltd. Design guide hybridization. Document ID: DPD01887A, 2018.
