ANALIZA COMPORTAMENTULUI LA DESCĂRCARE PENTRU O BATERIE LiFePO 4 UTILIZATĂ LA UN ATV ELECTRIC Emilian LEFTER, Bogdan-Adrian ENACHE, Ştefan OPREA Universitatea din Piteşti, str. Târgu din Vale, nr. 1, 110040, Piteşti, Argeş Abstract. Studiul comportamentului la descărcare, al unei baterii utilizate pe un automobil electric, este obligatoriu. În acest sens au fost elaborate o serie de teste pentru evaluarea performanţelor electrice ale bateriilor. În lucrare, mai întâi, se trec în revistă cele mai importante teste, precum şi aparatura necesară efectuării lor. În continuare se prezintă concepţia unui sistem programabil pentru descărcarea unei baterii. Sistemul poate efectua atât descărcarea la curent constant cât şi la un curent care se modifică în timp după un ciclu prestabilit. Sistemul este destinat testării bateriilor LiFePO4 care echipează un ATV electric Se prezintă rezultatele preliminare ale testelor efectuate. 1 Introducere O dată cu dezvoltarea automobilelor electrice a apărut şi nevoia evaluării constante a caracteristicilor bateriilor care le echipează. Pentru aceasta o serie de teste au fost elaborate de către specialiştii Departamentului de Energie din SUA în colaborare cu specialiştii de la trei mari companii producătoare de autovehicule: GM, Ford şi Chrysler. Aceste teste au fost elaborate pe două direcţii principale care apoi au fost materializate prin două manuale de încercare a bateriilor şi anume: USABC Test Procedures Manual şi PNGV Test Manual. USABC Test Procedures Manual cuprinde testele necesare pentru evaluare bateriilor în conformitate cu cerinţele de termen mediu şi lung ale U.S. Advanced Battery Consortium. Aceste teste sunt organizate în două categorii: teste de bază: descărcarea la curent constant, determinarea vârfului de putere, descărcarea la putere constant, performanţa termică, descărcarea parţială teste pentru determinarea duratei de viaţă a unei baterii: îmbătrânirea accelerată, simularea situaţiilor reale, etc. [2] PNGV Test Manual cuprinde testele necesare pentru evaluarea performanţelor bateriilor în conformitate cu cerinţele Partnership for a New Generation Vehicle. Dintre aceste teste amintim: caracterizarea impulsului de putere, performanţa termică, eficienţa energetică, durata de viaţă. [3] Procedurile prezentate în aceste manuale se aplică pentru toate tipurile de baterii, ele neprecizând, în schimb, aparatura necesară efectuării lor. [1] 2 Aparate folosite pentru determinarea performanţelor bateriilor În momentul de faţă aparatele folosite pentru determinarea caracteristicilor bateriilor respectă doar parţial cerinţele de testare prevăzute în cele două manuale de referinţă, practic ne existând un singur dispozitiv care să poată îndeplini toate cerinţele. În funcţie de testele care le pot efectua aparatele existente se împart în două mari categorii: aparate pentru evaluarea parametrilor neelectrici: temperatura, vibraţii, etc. şi aparate pentru evaluarea parametrilor electrici: tensiune, curent, putere. 1
2.1 Aparate folosite pentru evaluarea caracteristicilor neelectrice Pentru evaluarea caracteristicilor termice ale unei baterii de acumulatoare cel mai important aparat este calorimetrul (Battery Performaqce Calorimeter - BPC). Acest aparat este folosit pentru determinarea schimbărilor de temperatură ce apar în cadrul procesului de încărcare/descărcare. Principul de funcţionare se bazează pe detecţia căldurii radiate în cadrul proceselor de încărcare/descărcare printr-un senzor (heat-flux senzor), care poate fi o suprafaţă THT(multipunct). Domeniul de temperatură folosit este între -40 şi +200 C, precizia este foarte bună de ±15mW, singura limitare fiind dată de dimensiunea cuvei. Variantele moderne au un sistem cu thermal diode care permite alimentarea bateriilor prin calorimetru fără a folosi conductoare electrice. 2.2 Aparate folosite pentru evaluarea caracteristicilor electrice Aparatele folosite pentru evaluarea caracteristicilor electrice se împart la rândul lor în două categorii, echipamente folosite în determinarea caracteristicilor statice: descărcătoarele, analizatoarele şi echipamente folosite în determinarea caracteristicilor dinamice: sarcinile electronice, aparatele specializate, etc. 2.2.1 Descărcătoarele Sunt echipamente folosite la descărcarea bateriilor la curent constant. De obicei sunt aparate portabile care deşi suporta curenţi de până la 100A şi tensiuni până la 400 V, domeniul de putere este foarte limitat la doar câteva sute de W, acest lucru restrângându-le funcţionare doar la celulele bateriilor. Schema bloc a acestor aparate prezentată, în figură 1, cuprinde: un etaj de putere realizat cu tehnologie MOSFET sau IGBT şi un etaj de comandă care are dublu rol de a genera impulsurile de comandă şi de a înregistra caracteristicile electrice ale bateriilor. [5] Fig 1: Schemă bloc descărcător Aceste aparate sunt uşor de folosit, iar prin intermediul unei interfeţe USB sau RS-232 toate datele necesare pot şi preluate şi prelucrate pe calculator. O variantă îmbunătăţită a descărcătoarelor o reprezintă descărcătoarele de mare putere care sunt format dintr-o serie de module de putere prevăzute cu răcire forţată cu aer şi care pot suporta putere mari de ordinul kw. Aceste aparate pot funcţiona până la două zile fără oprire. 2
2.2.2 Sarcinile electronice Sunt aparate care permit atât evaluarea caracteristicilor statice cât şi dinamice ale bateriilor. Modurile de operare cuprind: descărcarea la curent constant, descărcarea la putere constantă, descărcarea la rezistenţă constantă. [4] Aceste aparate pot funcţiona pe mai multe canale dintre care unul îndeplineşte rolul de master, iar restul de slave. Operaţiile de regim dinamic sunt realizate cu ajutorul unui modulator care permite tranziţia între două nivele de descărcare. Toate aceste dispozitive sunt interfaţate cu calculatorul şi permit înregistrarea parametrilor: tensiune, curent, putere, dar nu şi temperatura. 2.2.2 Dispozitive specializate pentru testarea bateriilor electrice Aceste dispozitive sunt destinate testării modulelor de baterii şi acceptă tensiuni de ordinul miilor de volţi şi puteri de până la 400 kw. Au un design modular cu module de forţă de tip IGBT, răcire cu aer şi sunt capabile să lucreze autonom 24 de ore din 24, 7 zile din 7. Sunt singurele dispozitive care pot fi folosite pentru evaluarea duratei de viaţă a bateriilor şi pot simula sarcini specifice EV şi HEV, care pe lângă cicluri de descărcare pot cuprinde şi cicluri de încărcare (recuperare de energie). [6] Toate aceste dispozitive permit conexiunea cu calculatorul, unele dintre ele fiind echipate chiar cu calculatoare de proces şi pot efectua înregistrarea parametrilor electrici dar şi neelctrici. 3 Concept de dispozitiv pentru testarea bateriilor În cele ce urmează prezentăm un dispozitiv de laborator, conceput în cadrul Centrului de Cercetare ELECTROMET al Universităţii din Piteşti, proiectat pentru a respecta cele mai importante cerinţe de testare din cadrul manualelor de referinţă USABC şi PNGV. Cu ajutorul acestui dispozitiv se pot efectua: descărcarea la curent constant, determinarea vârfului de putere, caracterizarea vârfului de putere, etc. Fig 2: Schema bloc a dispozitivului conceput Schema bloc cuprinde: O serie de module de putere grupate în paralel; Un modul intermediar de comandă; Un buffer pentru interfaţarea sistemului cu placa de achiziţii de date; O placă de achiziţie de date. Modulul de putere are rolul de a stabili curentul de descărcare din circuit şi este realizat dintr-un Power MOSFET prevăzut cu radiator şi răcire activă pentru disiparea căldurii degajate. 3
Performanţe tranzistorului influenţează în mod decisiv performanţele întregului sistem. In cazul nostru avem un MOSFET IRFP 460A cu caracteristicile: VDSS = 500V, ID = 20A şi P = 280W la 25 C. Modulul intermediar de comandă este format dintr-un comparat care are rolul de a urmări variaţia tensiunii de la bornele bateriei şi de a comanda deschiderea modulului de putere în aşa fel încât valoarea curentului în circuit să rămână constantă. Fig 3: Modulul intermediar de comandă Placa de achiziţii de date furnizează tensiunea de referinţă pentru comparator şi determină în acest fel valoarea curentului de descărcare din circuit. Generarea tensiunii de referinţă se realizează software în funcţie de tipul testului care trebuie efectuat. Sistemul pentru testarea bateriilor cuprinde şi o parte software realizată în LabView şi care permite efectuarea, în momentul de fată, a două teste: descărcarea la curent constant cu I MAX = 8 A şi descărcarea după un ciclu prestabilit. Panoul frontal al aplicaţiei permite alegerea testului care se doreşte a fi efectuat precum şi configuraţia modulelor de putere folosite. Fig 4: Panoul frontal al aplicaţiei Tot de aici se pot stabili valoarea curentului de descărcare dar şi durata perioadelor de descărcare sau repaus. În funcţie de datele stabilite din panoul frontal se activează o anumită ramură de comandă din cadrul diagramei bloc care va conduce la generarea unui anumit nivel de tensiune folosit ca referinţă de modulul intermediar de comandă. 4
Fig. 5: Diagrama bloc a aplicaţiei Pentru determinarea pragurilor de comandă s-au determinat valorile tensiunilor de referinţă pentru fiecare modul de comandă precum şi pentru cele două module împreună. Valorile obţinute se găsesc în următoarele tabele: Tabelul 1 Tensiunile de comanda pentru fiecare modul I descărcare [A] Tensiune referinţă modul 1[V] Tensiune referinţă modul 2[V] 0,5 0,256 0,321 1,0 0,623 0,646 1,5 1,044 0,964 2,0 1,318 1,231 2,5 1,645 1,586 3,0 1,945 1,851 3,5 2,303 2,156 4,0 2,520 2,560 Tabelul 2 Tensiunile de comanda pentru cele două module I descărcare [A] Tensiune referinţă modul 1 + modulul 2[V] 1,0 0,288 2,0 0,634 3,0 1,004 4,0 1,274 5,0 1,615 6,0 1,898 7,0 2,229 8,0 2,540 În urma interpolării datelor s-au obţinut următoarele ecuaţii care exprimă dependenţa tensiunii de referinţă de valoarea curentului de descărcare. În cazul funcţionării separate a modului 1 ecuaţia este: V ref 1 0.6495 I1 0.0046 (1) Pentru modulul 2 avem ecuaţia de funcţionare: V ref 2 0.6247 I2 0.0087 (2) În cazul funcţionării celor două module simultan avem: V ref 1 2 0.3186 I1 2 0.0021 (3) Aceste ecuaţii au fost implementate în cadrul programului LabView pentru a stabili tensiunea de referinţă a modulului intermediar de comandă. 5
Tensiunea [V] 4 Analiza capacităţii unei baterii LiFePO 4 Pentru determinarea efectivă a capacităţii unei baterii se foloseşte testul de descărcare la curent constant. Pentru realizarea acestui test sunt necesare trei cicluri de descărcare la următorii curenţi: C3/3, C2/2 şi C1/1. Capacitatea bateriei se consideră determinată în momentul în care avem trei cicluri de descărcare consecutive a căror valoare pentru C3/3 se încadrează într-o eroare de 2%.[2] Bateria folosită este model 15P20S-18650 are capacitatea de 20Ah şi tensiunea nominală de 64V. Tensiunea pentru care bateria se consideră descărcată este de 50±0,1V, curentul standard de descărcare este 10A, curentul pentru o descărcare rapidă este de 20A iar curentul maxim suportat (pt. 30s) este 40A.[7] Pentru bateria noastră LiFePO4 cu o capacitate C20 = 20Ah curenţii de descărcare sunt: C3/3 = 2,22A, C2/2 = 5A şi C1/1 = 20 A. Caracteristica descarcare 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 25 Capacitatea [Ah] Fig. 6: Caracteristica la descărcare pentru o baterie LiFePO 4 Conform specificaţiilor producătorului, pentru tensiunea de descărcare de 50V, se constată o capacitate a bateriei este de 21Ah, superioară specificaţiilor. Acest lucru se poate justifica prin faptul că bateria este relativ nouă fiind supusă doar la câteva cicluri descărcare-încarcare. 5 Concluzii Bateriile LiFePO 4 constituie noua generaţie de surse de alimentare pentru industria auto, datorită capacităţii ridicate, raportată la dimensiuni, precum şi a stabilităţii tensiunii de ieşire pe toată durata procesului de descărcare. Pentru determinarea caracteristicilor bateriilor LiFePO 4 rămân valabile toate metodele de analiză prezentate, dar aparatura necesară va trebui adaptată la nivelul mare de putere implicat. Referinţe [1] Tien Duong. USABC and PNGV test procedures, Journal of Power Sources no. 89, (2000) 244-248. [2] USABC Electric Vehicle Battery Test Procedures Manual Revision 2, 1996. [3] PNGV Battery Test Manual Revision 3, 2001. [4] http://www.bkprecision.com/products/dc-electronic-loads.html [5] http://www.zivanusa.com/discharger.htm [6] http://www.digatron.com/en/hybrid-electric-vehicle-testing/bidirectional-battery-tester/ [7]*** LiFePO 4 Rechargeable Battery Pack Product Specification. 6