Przydatność aktywnego balansowania baterii litowych w układach zasilania wybranych maszyn górniczych

Należy podkreślić, że wydobycie podziemne na świecie odbywa się na coraz większych głębokościach, przy temperaturach przekraczających 40°C. Podwyższona temperatura zazwyczaj obniża bezpieczeństwo pracy kopalni, zwiększając awaryjność pracujących maszyn i urządzeń, co sprzyja również uszkadzaniu się baterii litowych. Powodowane jest to procesem rozkładu elektrolitu w podwyższonej temperaturze, co zwiększa ciśnienie wewnętrzne ogniw i w efekcie sprzyja zapłonowi ogniwa oraz jego eksplozji. W tej sytuacji niezbędne jest wyposażenie baterii litowych w odpowiednie moduły nadzoru elektronicznego oznaczone jako Battery Management Systems (BMS) [1]. Ich zadaniem jest zarówno kontrola stanu pracy, jak i przede wszystkim równoważenie (balansowanie) ogniw, tak aby zapobiec ich uszkodzeniu w wyniku przeładowania, nadmiernego rozładowania i/lub przegrzania [2, 3]. Baterie litowe są bowiem przede wszystkim bardzo wrażliwe na całkowite i/lub tzw. głębokie rozładowanie. Pozostawione w takim stanie przez długi czas mogą ulec nieodwracalnemu uszkodzeniu. Zadaniem systemu BMS jest więc kontrolowanie online parametrów ogniw i w przypadku przekroczenia ich wartości granicznych (napięcie, prąd, temperatura) alarmowanie lub odłączenie akumulatora [4]. Konieczność równoważenia energetycznego wynika z różnic w wartościach znamionowych ładunku, pojemności i/lub rezystancji poszczególnych ogniw akumulatora. Różnice te wynikają z tolerancji produkcyjnych i warunków pracy ogniw tego samego typu i mają tendencję do zwiększania się podczas pracy [5]. Na podstawie wyników własnych badań autorzy stwierdzili możliwość efektywnego wykorzystania litowo-żelazowo-fosforanowego akumulatora do zasilania wybranego podwieszanego pojazdu górniczego [6]. Rozwiązanie to spełnia jednak oczekiwania wówczas, gdy współpracuje ze specjalnie opracowanym do tego celu aktywnym układem BMS [7].

W artykule przedstawiono wyniki badań przydatności akumulatora złożonego z ogniw litowo-żelazowo-fosforanowych (LiFePO₄) z zastosowanym sterowaniem aktywnym (BMS) metodą „bateria-do-ogniwa”. Układ ten został specjalnie opracowany przez autorów i jest przeznaczony do zastosowania w wybranym podwieszanym pojeździe górniczym. Główny nacisk położono na zróżnicowanie dwóch najważniejszych czynników decydujących o możliwości efektywnego wykorzystania wybranej baterii w praktyce, tj. stopnia nagrzewania się baterii podczas pracy oraz obniżania się jej napięcia (mocy) w czasie. Przydatność opracowanej aktywnej struktury BMS wykorzystującej zasadę „bateria-do-ogniwa” porównano zarówno z aktywnym BMS opartym na metodzie „ogniwo-do-baterii”, jak i powszechnie stosowanym w praktyce (szczególnie w przemyśle samochodowym) pasywnym rozwiązaniem BMS. Ze względu na przeznaczenie w kopalniach podziemnych przeprowadzono odpowiednie badania porównawcze, zwracając uwagę na skuteczność balansowania systemów BMS podczas symulowanego nierównomiernego rozładowania wybranych ogniw (od 13% do ok. 40% ilości wszystkich ogniw w akumulatorze). Takie warunki pracy baterii są jak najbardziej realne w środowisku górniczym. Na podstawie uzyskanych wyników badań oceniono przydatność aktywnego systemu BMS, którego skuteczność została przetestowana na akumulatorze zbudowanym z 15 ogniw (liczba zgodna z rzeczywistym akumulatorem w PCA-1). Następnie zostały przeprowadzone badania na dobranym do warunków rzeczywistych akumulatorze o odpowiedniej pojemności, stosowanym w podwieszanym ciągniku akumulatorowym PCA-1. Uzyskane podczas badań wyniki posłużyły do sformułowania odpowiednich wniosków i zaleceń praktycznych.

Wybór praktycznego zastosowania i metody balansowania

Z badań autorów wynika, że istnieje realna szansa na bezpieczne i efektywne wykorzystanie powszechnie stosowanych w pojazdach akumulatorów litowo-żelazowo-fosforanowych (LiFePO4) do zasilania różnych urządzeń i napędów górniczych. Wymaga to jednak zastosowania odpowiedniego aktywnego BMS w celu zwiększenia trwałości, bezpieczeństwa i wysokiej niezawodności pracy w warunkach górniczych [8]. Rozwiązanie to jest bardzo korzystne, ponieważ zastosowanie napędów bezprzewodowych i zeroemisyjnych znacząco poprawia warunki środowiskowe w kopalniach o zmniejszonych wymaganiach wentylacyjnych. Dlatego biorąc pod uwagę oczekiwania kopalń, jeśli chodzi o zaawansowane rozwiązania techniczne w zakresie dowolnego napędu o obniżonej masie i zwiększonym bezpieczeństwie pracy, autorzy zdecydowali się na zastosowanie akumulatora LiFePO4 do przykładowego podwieszanego pojazdu górniczego typu PCA-1 (rys. 1.).

Przedmiotowy ciągnik (PCA-1) to maszyna służąca do transportu ładunków o masie do ok. 2 ton z niewielkimi nachyleniami (do 12°) w wyrobiskach górniczych. Porusza się po trasie kolejki podwieszanej o profilu I155, z siłą napędową do 3,7 kN i zasilaniem 48 V DC. Przyjęto, że jednostka akumulatorowa o energii wypadkowej 150 kWh zostanie umieszczona w specjalnej obudowie ochronnej. Ze względu na trudności z dostępem do aktywnych układów BMS na rynku, zwłaszcza do specyficznych zastosowań, autorzy opracowali i przetestowali dwa różne rozwiązania tych systemów. Opracowane modele BMS nie są iskrobezpieczne i dlatego muszą być umieszczone razem z akumulatorem w specjalnej metalowej obudowie, aby spełnić wymagania dyrektywy ATEX [9]. Dlatego, podobnie jak same ogniwa, są narażone na te same uciążliwe warunki temperaturowe. Ogólnie rzecz biorąc aktywne rozwiązania BMS są dość złożone, a ich cena rośnie wraz ze wzrostem liczby ogniw. Dlatego też, w celu obniżenia kosztów, na etapie wstępnych rozważań autorzy ograniczyli badania podstawowe do akumulatorów składających się z maksymalnie ośmiu połączonych szeregowo ogniw o zmniejszonej do 10 Ah pojemności [10] (rys. 2.).

Widok układu jednego z dwóch rozwiązań aktywnych BMS opracowanych w Instytucie Techniki Górniczej KOMAG przedstawiono dla porównania na rysunku 3. Zastosowano tu metodę „ogniwo-bateria”, tj. transfer odbywa się z najbardziej naładowanych ogniw do całego pakietu akumulatorów [11]. W efekcie następuje wyrównanie ładunku poszczególnych ogniw. Opracowany BMS składa się z modułu pomiarowo-sterującego (rys. 4.) oraz balansującego (rys. 5.) [8].

Ze względu na konieczność kontrolowania temperatury każdego ogniwa podczas pracy BMS, konieczne było określenie położenia punktu pomiarowego o najwyższej temperaturze. Do pomiaru wartości temperatury i jej rozkładu wzdłuż obudowy ogniwa zastosowano czujniki temperatury firmy Analog Devices, tak jak pokazano na rysunku 6.

Wyniki badań wskazują, że najwyższa temperatura występuje na biegunie dodatnim (+) ogniwa, co dla rozładowywania prądem 4,9 A (ok. 50% wartości standardowego prądu rozładowania) ilustruje rysunek 7.

Testy temperaturowe przeprowadzono zarówno w temperaturze pokojowej, przy swobodnym przenoszeniu ciepła z akumulatora do otoczenia, jak i w podwyższonej temperaturze (do +60°C, wilgotność ok. 75%) w komorze klimatycznej. Aby przetestować skuteczność równoważenia BMS, niezbędne było zbadanie efektywności balansowania przy asymetrycznym obciążaniu się ogniw w akumulatorze. W tym celu w akumulatorze obciążano losowo wybrane ogniwa (od 1 do 3) – tak jak pokazano na rysunku 8. Przyjęto prąd obciążenia 2,5 A, co stanowi 25% wartości ogniwa standardowego prądu rozładowania. Kontrolowano zarówno napięcie, jak i temperaturę baterii oraz poszczególnych ogniw.

Każde badanie rozpoczynano dla w pełni naładowanego akumulatora (napięcie wszystkich ogniw równe znamionowemu U_n = 3,2 V). Ładowanie (prądem 2,5 A) trwało do momentu, gdy napięcie któregokolwiek z ogniw osiągnęło minimalną wartość (U_min = 2,5 V) podaną przez producenta. Przeprowadzone testy wykazały, że zarówno wartości napięć tych samych ogniw, jak i ich temperatura mogą różnić się od siebie nawet przy obciążeniu (rozładowaniu) tą samą wartością prądu. Dla wybranych trzech ogniw akumulatora pracującego bez BMS jest to wyraźnie widoczne na rysunku 9. Uzasadnia to konieczność zastosowania odpowiedniego aktywnego BMS-a.

Aby porównać przydatność opracowanych aktywnych systemów BMS (zarówno bateria-do-ogniwa, jak i ogniwo-do-baterii), ich parametry techniczne zostały odpowiednio dopasowane, tak aby balansowanie aktywowało się, gdy napięcie któregokolwiek z ogniw spadnie poniżej 95% wartości znamionowej U_n (tj. poniżej 3,05 V). Jest ono następnie blokowane, gdy napięcie albo jest niższe niż minimalna wartość U_min (U_min = 2,5 V) albo wyższe niż U/U_n = 1,14 (3,65 V). Dla przypadku różnych BMS efekt ten pokazano na rysunku 10. Wartość prądu balansującego ustalono na 2 A (około 40% standardowego prądu ładowania). Różnice w przebiegach napięć (pokazane na rys. 10.) wynikają jedynie ze sposobu pomiaru i rejestracji danych. Nie wpływa to w żaden sposób na dokładność pomiaru, a tym samym na ocenę analizowanego efektu balansowania. Na przykład przebiegi temperatury obciążonych ogniw przy zastosowaniu aktywnego BMS („bateria-do-ogniwa”) pokazano na rysunku 11. Widać, że temperatura ogniw jest dość stabilna i stopniowo wzrasta wraz z czasem pracy baterii.

Z przeprowadzonych badań wynika, że zastosowanie dowolnego z dwóch opracowanych aktywnych systemów BMS wydłuża czas zaniku napięcia akumulatora t2 na jednym (pojedynczym) ładowaniu w porównaniu do pracy bez BMS lub z pasywnym BMS. W związku z tym czas pracy baterii jest odpowiednio zwiększony. Stwierdzono jednak, że znacznie lepsze wyniki daje aktywny system BMS wykorzystujący metodę „bateria-ogniwo”.

Wydłużenie czasu pracy baterii na jednym ładowaniu/doładowaniu może być znaczące i wielokrotnie przekraczać czas pracy bez BMS i/lub z pasywnym BMS. Dla przypadku badanej liczby obciążonych ogniw stwierdzono, że wydłużenie czasu pracy baterii z zastosowanym aktywnym BMS jest nie mniejsza niż 100%, jednak pod warunkiem, że względna liczba nierównomiernie obciążonych ogniw nie przekracza 50% liczby wszystkich zastosowanych ogniw w baterii.

Przeprowadzone badania stanowiskowe w temperaturze 20ºC wykazały, że opracowany przez autorów aktywny system BMS jest w pełni przydatny do pracy z 15-ogniwowym akumulatorem (o pojemności 10 Ah) wstępnie przeznaczonym do zasilania podwieszonego modelowego górniczego ciągnika akumulatorowego. W porównaniu bowiem do pracy bez systemu BMS czas do osiągnięcia wartości minimalnej napięcia ogniw/ogniwa wzrasta istotnie. Zależy to od liczby asymetrycznie obciążanych ogniw akumulatora, np. dla jednego ogniwa (tj. ok. 7% liczby wszystkich ogniw) wzrost czasu t2 jest ponad 2,5-krotny, zaś napięcie na zaciskach akumulatora U_bat/U_minbat nie obniża się poniżej 1,3.

Pomiary temperatury prowadzone w trakcie badań przy chłodzeniu swobodnym nie ujawniły nadmiernego wzrostu temperatury ogniw. W trakcie rozładowania i po balansowaniu obciążonych ogniw różnica ich temperatury przed i po badaniu nie zwiększyła się o więcej niż około 6°C.

Badania przydatności baterii litowej z aktywnym BMS dla akumulatora o wymaganej pojemności do zasilania wybranej maszyny górniczej

Po zakończeniu podstawowych badań laboratoryjnych i stanowiskowych opracowanego aktywnego systemu balansowania BMS przeprowadzono dalsze badania sprawdzające jego przydatność do współpracy z akumulatorem o wymaganej, ale znacznie większej pojemności – do zasilania podwieszanego ciągnika akumulatorowego typu PCA-1.

Wymagany (do zasilania ciągnika) akumulator złożony jest z 15 szeregowo połączonych ogniw litowo-żelazowo-fosforanowych o napięciu znamionowym 3,2 V, ale każde o znacznie większej pojemności 120 Ah (rys. 12.). Badano przede wszystkim jego wydajność w temperaturze pokojowej (około 20°C, wilgotność 40%) przy swobodnej wymianie ciepła z akumulatora do otoczenia. Badania wykonano zarówno dla akumulatora pracującego na biegu jałowym, jak i podczas jego obciążenia prądowego.

Założono, że w rzeczywistych warunkach pracy akumulatora ogniwa co prawda nie są jednakowo obciążone, ale wzięto pod uwagę najwyższy prąd obciążenia akumulatora równy 53 A, tj. około 45% wartości standardowego prądu rozładowania szeregowo połączonych ogniw. Podczas badania rejestrowane były zmiany temperatury w wybranych miejscach akumulatora. Oczywistym jest, że w rzeczywistych warunkach pracy zmienność w czasie wartości napięcia ogniwa i przebiegu nagrzewania może mieć bardzo różny charakter, więc przed rozpoczęciem badań ogniwa w pełni naładowano, a testy kontynuowano do momentu, gdy napięcie spadło do wartości minimalnej (2,5 V). Podczas obciążenia akumulatora prąd był praktycznie stały w czasie (niezależnie od nastawionych wartości) i zaczął maleć w znaczący sposób dopiero wtedy, gdy napięcie ogniwa spadało do wartości bliskiej minimum (U_min = 2,5 V).

W celu przetestowania skuteczności balansowania aktywnego systemu BMS akumulatora, pod obciążeniem prądowym równym 53 A, do jego zacisków przyłączono rezystor dużej mocy o oporze 1 W – tak jak pokazano na rysunku 13. Wszystkie ogniwa były ładowane wspólnie z jednej ładowarki. Kontrolowano napięcie, temperaturę w wybranych miejscach akumulatora oraz prąd rozładowania i ładowania. Każde przeprowadzone badanie było inicjowane dla w pełni naładowanego akumulatora (napięcie na wszystkich ogniwach było równe znamionowemu U_n = 3,2 V).

System BMS – tak jak podczas wszystkich dotychczasowych badań – rozpoczynał balansowanie po wykryciu obniżenia się wartości napięcia ogniwa poniżej 3,05 V, natomiast przerywał balansowanie, gdy napięcie na wszystkich ogniwach było mniejsze niż 2,55 V lub gdy napięcie na którymkolwiek z ogniw było mniejsze niż 2,5 V lub większe niż 3,65 V. Wartość prądu balansowania była stała i równa 2 A.

Przeprowadzone badania wykazały, że zarówno wartości napięć tego samego typu ogniw, jak i ich temperatura, mogą różnić się od siebie nawet podczas obciążenia (rozładowania) tą samą wartością prądu. Uzasadnia to znaczenie korzystania z odpowiedniego aktywnego systemu BMS. Z przeprowadzonych badań wynika, że użycie opracowanego aktywnego systemu BMS – zaprojektowanego do pracy z akumulatorem o ponad 10-krotnie mniejszej pojemności – daje tylko niewielki efekt. W minimalnym bowiem tylko stopniu wpływa na wydłużenie się czasu t2 rozładowania akumulatora w porównaniu do pracy bez BMS (rys. 14. i rys. 15.). Wynika to oczywiście ze zbyt małej wartości prądu układu balansującego (2 A) w stosunku do pojemności zastosowanych ogniw (120 Ah). Natomiast wpływ aktywnego systemu BMS na wartość napięcia na zaciskach akumulatora widoczny jest wyraźnie po odłączeniu obciążenia, jednak przy małej wartości prądu balansowania (2 A) trwa to niestety dość długo. Niemniej wpływa to jednak na zwiększenie trwałości akumulatora.

Wpływ temperatury otoczenia przy chłodzeniu swobodnym nie powoduje nadmiernego wzrostu temperatury ogniw. W trakcie rozładowania i po balansowaniu obciążonego akumulatora różnica temperatury przed i po badaniu nie zwiększyła się o więcej niż ok. 7°C.

Analiza uzyskanych wyników badań

Uzyskanie przydatnego aktywnego systemu BMS do współpracy z akumulatorem litowo-żelazowo-fosforanowym (LiFePO4) wymaga między innymi doboru odpowiedniej wartości prądu balansowania – w zależności od pojemności zastosowanych ogniw. Z przeprowadzonych przez autora badań wynika, że dobre efekty uzyskuje się, gdy prąd balansowania jest równy ok. 20% ich pojemności. Dla mniejszych zaś wartości tego prądu czas balansowania akumulatora odpowiednio się wydłuża. W temperaturze pokojowej, przy swobodnej wymianie ciepła z otoczeniem i dla małej wartości (2 A) prądu balansowania nagrzewanie się akumulatora o pojemności 120 Ah jest mało znaczące.

Podsumowanie

Zapewnienie długotrwałej, niezawodnej i bezpiecznej pracy akumulatorów składających się z ogniw litowo-żelazowo-fosforanowych wymaga przede wszystkim kontroli ich parametrów online podczas pracy. Dotyczy to oczywiście zarówno temperatury, jak i napięcia. Powodem są ograniczone warunki chłodzenia, a także znaczna bezwładność cieplna zastosowanych ogniw. W efekcie temperatura ogniw (nawet w warunkach pokojowych – w okolicach 20°C i przy swobodnej wymianie ciepła z otoczeniem) może osiągnąć znaczną i niedopuszczalną wartość. Może to mieć miejsce na przykład podczas krótkotrwałych, ale często i losowo powtarzanych w czasie (dozwolonych przez producenta) prądów rozładowań impulsowych.

Przeprowadzone badania wykazały, że poszczególne ogniwa tego samego typu wykazują różne zmiany wartości temperatury i przebiegi obniżenia się napięcia w czasie nawet przy obciążeniu tą samą wartością prądu. Niezbędne jest więc ich równoważenie podczas pracy. Dlatego rekomendowane przez autorów ogniwa litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4) mogą być wykorzystywane do zasilania wybranych podwieszanych pojazdów górniczych pod warunkiem zastosowania odpowiedniego aktywnego systemu BMS.

Oferowane na rynku rozwiązania, głównie pasywny BMS, nie są zalecane do zastosowań górniczych. Wynika to z niepożądanego rozpraszania ciepła przez rezystory wyrównujące oraz konieczności ograniczenia wartości prądu wyrównawczego. Przyczynia się to do niekorzystnego wydłużenia czasu balansowania i w efekcie znacznie obniża sprawność zasilanego urządzenia elektrycznego.

Przeprowadzone przez autorów badania wykazały największą przydatność aktywnego rozwiązania BMS (opartego na zasadzie „bateria-do-ogniwa”) do współpracy z bateriami litowo-żelazowo-fosforanowymi zasilającymi wybrany podwieszany pojazd górniczy. Wraz ze wzrostem liczby rozładowanych ogniw (pod warunkiem, że nie przekracza 50%) efekt ten staje się bardziej widoczny. Należy również zauważyć, że choć wpływ temperatury otoczenia znacznie skraca czas rozładowania, to nie powoduje nadmiernego wzrostu temperatury ogniw.

Artykuł prezentowany w formie referatu podczas XXVI Sympozjum Naukowo-Technicznego „SEMAG 2022” w miejscowości Mysłakowice k. Jeleniej Góry w dniach 25–27 maja 2022 roku.

Literatura

1. B.G. Carkhuff, P. A. Demirev, R. Srinivasan. Impedance-based battery management system for safety monitoring of lithium-ion batteries. IEEE Transactions on Industrial Electronics 2018, Vol. 65.8, pp. 6497-6504.
2. J. Cao, N. Schofield, A. Emadi, Battery Balancing Methods: A Comprehensive Review. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, VPPC, September 3-5, 2008, Harbin, China.
3. D. Lisbona, T. Snee, A review of hazards associated with primary lithium and lithium-ion batteries. Process safety and environmental protection 2011, Vol. 89(6), pp. 434-442.
4. Sihua Wen, Cell Balancing Buys Extra Run Time and Battery Life, Texas Instruments, Inc., 2009.
5. A. Ziegler, D. Oeser, B. Arndt, A. Ackva, Comparison of Active and Passive Balancing by a Long Term Test Including a Post-Mortem Analysis of all Single Battery Cells in: 2018 International IEEE Conference and Workshop in Óbuda on Electrical and Power Engineering (CANDO-EPE) Budapest, 2018, pp. 000015–000020.
6. W. Kurpiel, B. Polnik, B. Miedziński, System nadzorujący pracę baterii akumulatorów (BMS) w celu zwiększenia bezpieczeństwa ich funkcjonowania i żywotności stosowanych ogniw. Mechanizacja i automatyzacja górnictwa 2014, vol. 5, pp. 47-49.
7. W. Kurpiel, B. Polnik, B. Miedziński, Właściwości eksploatacyjne ogniw litowych, „elektro.info” nr 10/2018, s. 44-48.
8. W. Kurpiel, P. Deja, B. Polnik, M. Skóra, B. Miedziński, M. Habrych, G. Debita, M. Zamłyńska, P. Falkowski-Gilski, Performance of Passive and Active Balancing Systems of Lithium Batteries in Onerous Mine Environment, Energies 2021, nr 14(22), 7624, s.1-15, DOI:10.3390/en14227624.
9. EN 60079-1:2014/AC:2018-09 Explosive atmospheres – Part 1: Equipment protection by flameproof enclosures “d”.
10. Documentation of Battery LiFePO4 3.2 V. Available online: https://www.bto.pl/produkt/31801/headway-lfp38120(s)-10000mah-lifepo4 (accessed on August 2021).
11. J. Jura, S. Bartoszek, Układ aktywnego balansowania baterii ogniw litowych przeznaczony do górniczych maszyn mobilnych, Maszyny Górnicze 2019, vol. 1, pp. 52–65.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!