Ovdje ćemo odgovoriti na pitanja :Olovna ili Litium -ion baterija ?
Primjena u spremanju energije iz prirodnih izvora, sunca i vjetra, pa i u automobilima, širi se velikom brzinom.Zašto je to tako ,pa zato da se energija dobivena iz obnovljivih izvora ima gdje spremati.
Zbog toga ,a i drugih razloga ćemo pojasniti bitne razlike između olovnih i litium ionskih baterija.
Razlika je jako mnogo , no najvažnije je objasniti zašto danas treba računati s novim (litium-ion) baterijama, a ne onim tradicionalnim. Dakako, pod tradicionalnima mislimo samo na one tipove olovnih baterija koje su danas tehnološki pripremljene za duboko pražnjenje u foto naponskim sustavima, nikako na obične olovne automobilske baterije koje duboko pražnjenje naprosto ne mogu podnijeti.

Olovna ili litijska baterija?
1. PRAŽNJENJE
Na slici 1. zorno je prikazana razlika između tih dviju vrsta baterija. Da bi trajala dovoljno dugo, olovna se baterija smije prazniti samo do polovice svojeg kapaciteta, dok se litij-ionska baterija može bez oštećenja i ubrzanog starenja do kraja isprazniti.
Iz tih dviju različitih baterija jednakog nazivnog kapaciteta i jednako napunjenih, ne može se u jednom ciklusu pražnjenja iscrpsti jednaka količina energije.
Li-ionska baterija nudi u tom ciklusu znatno više energije.


Slika 1 : Iskoristivost energije iz olovnih i litium ionskih baterija

pic

Na slici 2. prikazan je slučaj kad želimo iz baterije tijekom 10 sati napajati trošilo od 2 kW, za što iz baterije moramo iscrpiti 20 kWh energije. Uz napon baterije od 48 V, litij-ionskoj bateriji trebat će 400 Ah (50 V x 400 Ah = 20 kWh) – jer Li-ion bateriju smijemo do kraja isprazniti. Kad bismo jednaku energiju pražnjenja od 20 kWh htjeli izvući iz olovne baterije koju smijemo isprazniti samo do polovice (50% kapaciteta ) kako joj ne bismo ugrozili životni vijek, treba nam 48 V baterija nazivnog kapaciteta 800 Ah.
Za istu raspoloživu energiju od 20 kWh olovna baterija ima masu 1360 kg, dok je masa Li-ionske baterije svega 336 kg. Li-ion baterija je četiri puta lakša!
Dakako, ova teorijska usporedba vrijedi samo ako se olovna baterija prazni nazivnim pražnjenjem. Nažalost, u otočnim foto naponskim sustavima teško je točno predvidjeti struju pražnjenja! Što ako se baterija prazni “ne nazivnom” strujom pražnjenja?
Slika 2: Olovna baterija nasuprot Li-ion bateriji uz 20 kWh pražnjenja

pic


Npr., pogledajmo olovnu bateriju nazivnih podataka 100 Ah 12 V C20. Jer, baterija osim oznake kapaciteta izraženog u Ah i napona izraženog u V ima još i neku dodatnu oznaku, recimo – C20. To znači da se ona može prazniti 20 sati strujom od 5 A (20 h x 5 A = 100 Ah).
Oznaka C se može pojednostavljeno smatrati kapacitetom pražnjenja

Dakle, brojka 20 iz oznake C20 označava 20 h pražnjenja.
Struja pražnjenja je pri tome: kapacitet baterije C / 20 pa kažemo da se baterija prazni s 0.05C (npr: 100Ah/20h = 5A). Dosad su sve to samo nazivni podaci s baterije. No, prazni li se ta baterija tako da bi se sav nazivni kapacitet iscrpio za 10 h, tada kažemo da se baterija prazni s 0,1C.
Za ovu bateriju to bi iznosilo 0,1C = 0,1 x 100 = 10A.

STRUJA PRAŽNJENJA JE = KAPACITET BATERIJE(c)/ 20
Na slici 2. prikazan je slučaj kad želimo iz baterije tijekom 10 sati napajati trošilo od 2 kW, za što iz baterije moramo iscrpiti 20 kWh energije. Uz napon baterije od 48 V, litij-ionskoj bateriji trebat će 400 Ah (50 V x 400 Ah = 20 kWh) – jer Li-ion bateriju smijemo do kraja isprazniti. Kad bismo jednaku energiju pražnjenja od 20 kWh htjeli izvući iz olovne baterije koju smijemo isprazniti samo do polovice (50% kapaciteta ) kako joj ne bismo ugrozili životni vijek, treba nam 48 V baterija nazivnog kapaciteta 800 Ah.
Za istu raspoloživu energiju od 20 kWh olovna baterija ima masu 1360 kg, dok je masa Li-ionske baterije svega 336 kg. Li-ion baterija je četiri puta lakša!


Slika 3: Kapacitet olovne baterije ovisno o struji pražnjenja                                                                                   Slika 4: Kapacitet LI-ion baterije ovisno o struji pražnjenja



picpic


Jasno je da zbog unutrašnjih fizikalno-kemijskih procesa, olovna baterija u našem primjeru (nazivnih 100 Ah pri struji pražnjenja 0,1C), može dati samo 85% kapaciteta, tj. 85 Ah.
Ako tu istu 
bateriju praznimo s 1C, dakle sa 100 A, tada ona može dati samo 20% nazivnog kapaciteta tj. samo 20 Ah. Praznimo li tu istu bateriju s 5C, dakle s 500 A, tada ona može dati svega 8% nazivnog kapaciteta, tj. samo 8Ah.

Iz ovih usporednih slika je lako uočiti da je kapacitet litium ion baterije skoro nezavisan od struje pražnjenja
Ili još jednostavnije potkrijepljeno brojkama: Početno napunjena Li-ion baterija daje 100 A tijekom 1,02 h, a jednako napunjena olovna baterija dati će 100 A – svega 12 minuta.

csm slika bfc



Ovisnost kapaciteta i napona o struji pražnjenja olovne i Li-ion baterije
I tu se jasno vidi kako pri povećanju struje pražnjenja napon litij-ionske bateriji manje pada u odnosu na olovnu bateriju. Litij-ionska baterija je izdržljiviji izvor napona u odnosu na olovnu bateriju, a stručno možemo reći da ima i manji unutarnji otpor

2. PUNJENJE
Olovna baterija u ispražnjenom stanju prima 98% privedene energije, što znači da se u toj fazi samo mali dio pretvara u nekorisnu toplinu. Međutim, kako se baterija približava stanju napunjenosti 80%, sve se više energije pretvara u nepotrebnu toplinu, pri čemu se svega 75% privedene energije može pospremiti u bateriju. Pri kraju procesa punjenja u bateriju se može pohraniti svega 5% privedene energije. Kako se proces punjenja olovnih baterija u otočnim sustavima odvija uglavnom kontrolirano, u rasponu od 50% kapaciteta do 100% (jer bateriju ne praznimo dublje – zbog produženja životnog vijeka), navodi se da je prosječna efikasnost punjenja oko 75%.
Isto se može izreći i na drugi način: ako olovnu bateriju praznimo „x“ sati sa strujom 0,15 C, morat ćemo je tom istom strujom (0,15 C) puniti 1,33 puta duže!
Za Li-ion bateriju praktički je efikasnost u cijelom procesu punjenja 98%. Na kraju tog procesa Li-ion baterija ne zahtijeva ni fino i precizno dopunjavanje koje je izrazito ne efikasno kod olovne baterije.
Li-ion bateriju možemo cijelo vrijeme puniti jednakom strujom, što znači da ćemo potrebnu energiju brže pospremiti u bateriju!
Ili ovako :
Generator od 7,5 KVA troši 3 litre na malo opterećenje,8 lit opterećen puni olovne baterije u jednom primjeru i li-ion bateriju u drugom .Struja punjenja 210 A pri 25 V sto ispada 5,3 KW za vrijeme 1,4 sata.
Obe baterije u tom vremenu dobiju iz generatora 7,2 kw energije .Li-ion je nakon tog vremena i napunjen dok olovnu treba još 4 sata nadopunjavat -uz sve manju snagu generatora ,(fino dopunjavanje malim strujama)
Sada financijska strana :za 1,4 sata generator je potrošio 11 lit goriva pri nazivnom opterećenju za napunit li-ion bateriju .dok mu za olovnu treba 5,4 sata i 23 litre goriva .
Pretpostavimo li da baterije dnevno trebaju jedan ciklus punjenja i pražnjenja, na godišnjoj se razini pojavljuje razlika od oko 4000 litara goriva i 1500 radnih sati generatora! Li-ion baterija je robusna i vrlo efikasna u pospremanju energije koju prima jednakim intenzitetom kroz cijelo vrijeme punjenja, dok je klasična olovna baterija sve tromija i manje efikasna što je bliže napunjenom stanju.
Na plovilima se za regeneraciju energije najčešće koristi foto-naponski sustav ili po naški solarni paneli. Vec smo uvidjeli prednosti li-ion baterije u odnosu na olovnu ,a sad cemo usporediti kako se ponašaju olovne i li-ion baterije uparene sa solarnim panelima na plovilima


pic


Utjecaj efikasnosti punjenja baterije u Foto-Naponskom sustavu s LI-ion baterijom




pic

Utjecaj efikasnosti punjenja baterije u Foto Naponskom sustavu s olovnom baterijom

Za dnevnu potrošnju od 20 kWh u sustavu s Li-ion baterijom mora se iz foto naponskog polja osigurati 30 kWh. Razlika je gotovo 10 kWh dnevno. U grubo preračunavši, da bi sustav s olovnim baterijama postigao sličnu efikasnost tijekom ljetne proizvodnje od 4 kWh/kwp, (kw po polju) foto naponsko polje treba povećati za dodatnih 2,5 kW foto naponskih modula. A ti se moduli moraju i povezati i montirati, za što treba i dodatni kabel i montažni materijal, a potom i odgovarajući jači ulaz regulatora punjenja… I to je argument u korist litij-ionskih baterija.
Štoviše, komponente sustava mogu se primjenom Li-ion baterija optimizirati i ne treba povećavati foto naponsko polje za očekivanu proizvodnju energije koja se, na kraju, ne može korisno pohraniti u olovnu bateriju! Li-ion tehnologija zaista omogućuje od 2 do 4 puta veći broj ciklusa pražnjenja i punjenja . Pri usporedbi uzimamo u obzir da se olovna baterija smije prazniti samo do 50% kapaciteta kako bi se u životnom vijeku održao što veći broj ciklusa, oko 500.
No, već smo objasnili, litij-ionska baterija smije se prazniti praktički do kraja, čime nam je na stalno na raspolaganju cijeli nazivni kapacitet baterije, u mnogo više ciklusa. A to je golema prednost.






           3.ZAKLJUČAK
1. Spremamo li energiju u olovne baterije koje ćemo praznili samo do 50 posto, moramo osigurati i dvostruki kapacitet u odnosu na Li-ion baterije. Time u našu olovnu baterijsku banku ugrađujemo i četverostruko veću masu odnosu na Li-ion baterije potrebne za iskorištavanje foto naponskog polja.

pic


2. U najboljem slučaju, olovne baterije će trajati pola trajanja Li-ion baterija, a vjerojatno tek četvrtinu vijeka Li-ion baterija.
Napokon, vrijeme je da sve ove razlike pokušamo i „financijski odvagnuti“.

Pogled kroz novac

Uspoređujemo li te dvije vrste baterije samo po naponu i kapacitetu, mogli bismo na brzinu zaključiti da se Li-ion baterije ne isplate – jer su pet puta skuplje od olovnih! Međutim, ako se uspoređuju dvije baterije na takav način da obje daju isti broj ciklusa, pri čemu u pojedinom ciklusu trošilima daju i jednaku količinu energije. Prvo se dvije AGM baterije moraju udvostručiti kako bi uz pražnjenje do 50% kapaciteta po svakom ciklusu osigurale jednaku energiju za trošila kao i Li-ion baterije. Zato je već u prvom koraku potrebno imati četiri baterije. Pritom je za 2000 ciklusa potrebno predvidjeti ukupno 4 seta AGM baterija ili ukupno šesnaest olovnih baterija(16!).
Nakraju, u ovoj usporedbi po energiji koja je na raspolaganju trošilima, imamo 16 AGM baterija naspram jedne Li-ion baterije, a jezičac financijske vage očigledno preteže u korist LI-ion baterije. Ne smije se zaboraviti ni usporedbu mase: 55 kg Li-ion baterija prema 1040 kg olovnih.
Možemo reći da je ista količina energije koja se dostavlja trošilima devetnaest puta bolje upakirana u Li-ion baterijama (1040/55 = 19)!
Zato se u usporedbama često spominje i gustoća energije u odnosu na volumen ili masu baterije…
Show me money

pic


Usporedba Li-ion baterije i olovne baterije na način da obje daju približno isti broj ciklusa, oko 2000, a pritom u svakom pojedinom ciklusu mogu trošilima dati jednaku energiju, od 4 do 5 kWh

KONTROLA BATERIJA
Zašto se komercijalo ne koriste samo baterije s najvećom gustoćom tj. s 250 Wh/kg? Zato, jer su Li-ion baterije osjetljive na prepunjavanje i pretjerano pražnjenje pa je zbog sigurnosti danas komercijalno najpodobniji tip s anodom od litij željezo- fosfata (LiFePO4) po kojemu se i baterija označuje kraticom LFP,

 


LFP=Anoda od litij-željezo(fero)fosfata (LiFePO4)

Napon osnovne ćelije olovne baterije bio je 2 V. Napon osnovne ćelije LFP baterije je 3,6 V. Spajanjem 4 ćelije u seriju dobivamo nazivno bateriju od 12,8 V, a spajanjem 8 ćelija u seriju dobivamo nazivno bateriju od 25,6 V.
Ako napon na nekoj ćeliji unutar baterije padne ispod 2,5 V u većini će slučajeva nepovratno razoriti ćeliju. Doduše, može se pokušati „oživljavanje“ takve ćelije punjenjem malom strujom od 0,1C, no to nije ni pouzdano ni trajno rješenje. Jednake su posljedice i kad napon na ćeliji premaši 4,2 V. Posebno je opasan upravo previsoki napon na pojedinoj ćeliji koji može izazvati i eksploziju. Važno je znati da se tijekom punjenja u svim ćelijama nadzire pravilan dotok energije i kontroliraju moguće iznenadne promjene.
Naime, ćelije ni u proizvodnji nisu apsolutno jednake pa je moguće da se neka ćelija prepuni i uništi – iako je napon punjenja za cijelu bateriju u zadanim granicama.
Stoga litij-ionske ili LFP-baterije moraju imati nadzor stanja i stalno ujednačavanje rada svih ćelija, pogotovo tijekom punjenja, kad svaku pojedinu ćeliju treba stalno održavati striktno u granicama dozvoljenog napona. Jednako tako treba ćelije kontrolirati i tijekom pražnjenja, a u slučaju pada napona u nekoj ćeliji ispod dozvoljene razine, trošila se odspajaju.
S obzirom na nadzor ćelija u praksi se LFP-baterije proizvode opremljene na dva načina:
• unutar baterije nalazi se samo uređaj za ujednačavanje stanja ćelija (engl. cell balancing) pa je opisujemo kao bateriju bez priključka na sustav za nadzor stanja baterija (engl. battery managment system, kratica: BMS). To je dozvoljeno samo u slučaju kad se pri radu sustava ne očekuju duboka pražnjenja, odnosno ako je za zaštitu od dubokog pražnjenja u sustav ugrađen poseban sklop za zaštitu baterije koji po potrebi odspaja trošila (engl. battery protect). Takve baterije nisu podobne za spajanje ni u seriju ni u paralelu. Valja znati da izmjenjivač koji je spojen na bateriju, čak i u pričuvnom modu (engl. Stand-by) ipak troši njezinu energiju. Bez uređaja za zaštitu od dubokog pražnjenja i sam je izmjenjivač ipak može uništiti.
• uz uređaj za ujednačavanje stanja ćelija baterija ima i dodatnu mogućnost dojave o naponu i temperaturi svake ćelije prema sustavu za nadzor baterije. Sustav za nadzor stanja baterije mora odspojiti teret čim se napon neke ćelije spusti ispod 2,5 V, ili pak zaustaviti punjenje ako je napon u nekoj ćeliji premašio 4,2 V. Također, premaši li temperatura u nekoj ćeliji 50°C, proces punjenja se trenutno zaustavlja. Takve se baterije mogu spajati u seriju do 4 komada ili u paralelu do 10 komada. Na taj način mogu se oblikovati baterijske banke od 48 V, do 2000 Ah. Osim energetskih priključaka te baterije imaju još i informacijske priključke.

Victronove litij-ionska baterija bez priključka i s priključkom na sustav za nadzor stanja baterije

pic

Sustav za nadzor stanja Li-ion baterija

pic

Za zaštitu zdravlja LFP baterije: VE.Bus BMS nadzornik

LFP baterije imaju u sebi integriran elektronički sklop za ujednačeno punjenje ćelija pri procesu punjenja. Raskošnije opremljene LFP baterije imaju i dodatan sklop za dojavu izmjerene temperature i naponske razine svake ćelije. Takav elektronički sklop – BTV (engl. balancing temperature voltage control) u bateriji može proslijediti svoje podatke preko informacijskog priključka BMS uređaju kao što je prikazano na donjoj slici . LFP baterije koje imaju elektonički sklop BTV i informacijski priključak, smiju se spojiti do deset u paralelu i do četiri u seriju.
Tako se može oblikovati baterijska banka do 48 V i ukupno 2000 Ah. Informacijski priključci iz baterije se povezuju u lanac, od baterije do baterije. Pritom nije bitno kako je spojena sama baterija u formaciji baterijske banke. Važno je jedino da su posljednja dva slobodna priključka lanca spojena na VE.Bus BMS uređaj.
Osim informacijskog priključka preko kojega dolaze informacije iz baterije, na VE.Bus BMS uređaju se nalaze još dva priključka informacijske sabirnice VE Bus (engl. Victron energy bus).
Informacijska sabirnica VE.Bus služi za razmjenu digitalnih podataka između VE.Bus BMS uređaja i uređaja kao što su izmjenjivači (Phoenix) ili bidirekcijski pretvarači (Multiplus, Quattro).
VE.Bus BMS uređaj može na osnovi podataka dobivenih iz elektroničkog sklopa BTV odlučiti o potrebnim akcijama zaštite baterije i poslati naloge isključenja, uključenja ili prilagođavanja struje punjenja preko informacijske sabirnice VE.Bus svim uređajima priključenim na sabirnicu. Za upravljanje uređajima koji nemaju informacijsku sabirnicu VE.Bus, tu je uređaj VE.Bus BMS opremljen upravljačkim digitalnim izlazima isključenje potrošnje i isključenje punjenja.


Spoj LFP baterije i VE.Bus BMS uređaja preko informacijskog priključka


Isključenje potrošnje (engl. load disconnect) – u slučaju preniskog napona na bateriji preko ovog izlaza može se upravljati digitalnim upravljačkim ulazima trošila preko kojih se ona isključuju, digitalnim upravljačkim ulazom uređaja za zaštitu baterija kojim se odvajaju istosmjerna trošila od baterije (engl. battery protect device) ili digitalnim upravljačkim ulazom na releju za razdvajanje trošila od baterija tipa Cyrix Li-Load.
Isključenje punjenja (engl. charge disconnect) – u slučaju previsokog napona ili previsoke temperature neke ćelije, pomoću ovog izlaza se upravlja digitalnim upravljačkim ulazima na punjačima preko kojih se oni mogu isključiti, zatim digitalnim upravljačkim ulazom na releju za razdvajanje punjača od baterija tipa Cyrix-Li-Charge, digitalnim upravljačkim ulazom na releju za kombiniranje rada LFP baterije s olovnom starter baterijom tipa Cyrix-Li-ct.
Za uvid u stanje VE.Bus BMS uređaja i LFP baterija na njemu su smještena tri LED pokazivača:
• plavi LED: VE.Bus sabirnica aktivna i VE.Bus uređaji su omogućeni;
• crveni LED: trenutna razina napona neke ćelije je > 4 V ili je temperatura neke ćelije previsoka – pritom je digitalni izlaz isključenje punjenja aktivan;
• plavi LED: trenutna razina napona pojedine ćelije > 2,8V – pritom je digitalni izlaz isključenje potrošnje neaktivan.

Upravljanje pražnjenjem LFP baterije i isključenjem trošila za zaštitu baterije od preniskog napona

pic

Detalj spoja VE.Bus BMS uređaja s bidirekcijskim pretvaračem Multiplus i upravljačkim panelom Digital Multi control.
Na plovilima treba obijezbjediti dvije linije baterija od kojih bi jedna linija bila startna baterija ,tj klasična olovna čija bi funkcija bila opskrba energije za starter. Druge li-ion tj LFP baterije bi se punile preko solarnog panela ili iz vanjske mreze izmjenične struje. Zbog toga trebamo Cyrix-Li -ct (koji kontrolira punjenje olovnih baterija ,rekli smo prije da su pravila punjenja olovnih baterija drugačija od LFP baterija,a istovremeno omogućuje nesmetano punjenje LFP baterija.
Upravljanje isključenjem alternatora i startne baterije od LFP baterije pomoću Cyrix-Li-Ct releja i VE.Bus BMS uređaja.

pic
Na slici je vidljivo da je VE.Bus BMS uređaj spojen s negativnim polom baterije preko VE.Bus kabela. Stoga se četvrta stezaljka na VE.Bus BMS uređaju, predviđena za negativni pol napajanja, namjerno ostavlja nespojena.
Jedan od mogućih punjača LFP baterija su i MPPT regulatori punjenja. MPPT regulatori punjenja služe kako bi električnu energiju prikupljenu u fotonaponskim modulima prenijeli u bateriju..
Dolje je prikazan je jedan otočni fotponaponski sustav koji ima regulator punjenja MPPT 100/50.
Za tu seriju regulatora punjenja je karateristično da imaju informacijsko sučelje VE.direct koje se može iskoristiti za upravljanje radom punjača odnosno njegovim isključenjem.
Nalog za isključenje punjača se generira u VE.Bus BMS uređaju, ako napon ili temperatura neke ćelije postanu previsoki kako bi se zaštitila skupa LFP baterija. Između digitalnog izlaza VE.Bus. BMS uređaja i VE.direct sučelja MPPT punjača treba postaviti odgovarajući vezni kabel.
Primjetit ćete kako taj sustav nema uređaja na VE.Bus sabirnici pa je četvrta stezljka VE.Bus.BMS uređaja spojena izravno s minus polom napajanja.
Osim toga vidi se i kako je nadzornik baterije napajan iz VE-Bus BMS uređaja.
Ako je napon na bateriji ispod dozvoljenoga, nadzornik će biti isključen, jer bi je malom potrošnjom i dugotrajnim radom na praznoj bateriji nepovratno uništio.
Ovdje se radom izmjenjivača upravlja preko digitalnog izlaza za isključenje trošila na VE.Bus BMS uređaju.
Tu je i sklopka start/stop sustava koja zapravo dovodi napajanje na VE.Bus BMS uređaj i omogućuje postavljanje njegovih izlaza u skladu sa stanjem baterije. Ako ta sklopka nije uključena onda su isključeni i izmjenjivač i punjač.

pic



Granica konkretnih konfiguracija i aplikacija gotovo da i nema, no ipak je dobro sve provjeriti s stručnjacima – jeste li napravili dobar izbor i uskladili komponente i konačno, uz nacrtanu shemu, jeste li vodili računa o svemu potrebnom za konkretno ožičenje pojedinih uređaja.
Srecko Mimica
0