Baterie hibridă: Pb-Acid + Ultracapacitor = Ultrabaterie
Bateria electrică este un dispozitiv de stocare a
energiei electrice sub formă de energie chimică. Procesul este reversibil, astfel că, la conectarea unui consumator la bornele bateriei, energia chimică se eliberează sub formă de energie electrică. Bateria electrică primară este bateria de unică folosință și nu se poate reîncărca, fiind folosită până la epuizare. Bateria electrică secundară numită și acumulator este reîncărcabilă. Bateria poate avea structura bazată pe una sau mai multe celule. Bateriile mari sunt compuse din pachete de baterii mai mici care sunt conectate în serie pentru a obține o tensiune ridicată sau sunt conectate în paralel pentru a debita curent mare. Conectarea mai multor baterii în serie sau în paralel se face respectând regula: bateriile să fie noi, la prima încărcare și de același tip (capacitate, tensiune)
.
Bateriile Plumb-Acid sunt cele mai utilizate baterii în aplicații diverse fiindcă sunt robuste, dau putere sau energie mari, la un cost rezonabil, în prezent fiind fabricate în variante închise, cu supape de siguranță, și nu necesită întreținere. În anul 1859, fizicianul francez Gaston Plante a inventat versiunea practică a bateriei Pb-Acid utilizată în vehicule până azi. Bateriile Plumb-Acid sunt alcătuite din serii de plăci din Plumb sau aliaje pe bază de plumb, imersate într-o soluție de Acid sulfuric și apă. Fiecare placă are o grilă pe care este atașat materialul activ. Pe placa negativă, este atașat oxidul de Plumb ca material activ, iar pe placa pozitivă, este atașat plumb. Toate plăcile negative sunt conectate
împreună la electrodul (-) și toate plăcile pozitive sunt conectate împreună la electrodul (+). Cantitatea de energie înmagazinată este proporțională cu suprafața și conductivitatea electrozilor. Cercetătorii în nanotehnologie au crescut suprafața mai mult de 10 ori, cu ajutorul nanotuburilor de carbon (proiect condus de Joel Schindall, profesor de inginerie electrică de la MIT – Massachusetts Institute of Technology, sept. 2009). Un cm2 de placă conductoare, atunci când este acoperită cu nanotuburi are o suprafață de aprox. 50.000 cm2, comparativ cu 2.000 cm2 folosind carbon într-un ultracapacitor comercial. Nanotuburile de carbon extrem de pure sunt și extrem de conductoare, și astfel ar trebui să crească puterea de ieșire, peste puterea ultracapacitoarelor existente. Tehnologia nanotuburilor de carbon contribuie la realizarea unor baterii plate și flexibile, de la mărimea unei gămălii de ac la mărimea unui covor, folosind electrochimicale standard și procedeul de laminare a unei paste pentru a realiza electrozii (NJIT – New Jersey Institute of Technology, noiembrie 2013). Utilizările de bază sunt în domeniile: auto (baterii de pornire și de acționare a motoarelor electrice, alimentare de siguranță (în UPS), stocare de energie solară.
Tipuri de baterii Pb-Acid
În funcție de aplicații s-au dezvoltat mai multe tipuri de baterii Plumb-Acid reîncărcabile, care să răspundă cerințelor de a da putere mare într-un timp scurt sau energie mult timp.
1. Bateriile de Pornire (Starting sau Cranking sau SLI – Starting Light Ignition battery) dau putere mare necesară învingerii inerției unui motor la pornire, fiind proiectate să debiteze un curent mare (sute de Amperi) pentru un timp scurt (câteva secunde) până la demararea unui motor cu ardere internă.
Descărcarea se face cu aprox.10% în timp scurt, apoi trebuie încărcate, deoarece menținerea stării de încărcare aproape de 100% le mărește durata de utilizare. Au electrozi mulți cu grosime mică pentru a genera curenți mari.
2. Bateriile folosite în UPS (Standby battery) sunt solicitate ocazional și au densitate mare de energie pe care o pot debita într-un timp lung, specificat chiar pe baterie (ex. dacă se specifică timpul de descărcare 20 ore, pentru o baterie de 28Ah, ce se poate descărca profund cu 80%, se recomandă un curent maxim de descărcare cu valoarea (28Ah x 0,8):20h= 1,12A; nerespectarea acestui maxim de curent duce la încălzirea bateriei și la scurtarea duratei de utilizare). Bateriile de standby au electrozi cu grosime mare, fiind proiectate pentru un număr specificat de cicluri de descărcare profundă. În cazul sistemelor cu baterii și invertoare DC/AC trebuie aleasă o baterie de capacitate suficient de mare care să dea curentul impus de puterea sarcinii (ex. invertorul Meanwell, TN-1500-212, cu eficiență 88%, alimentat la 12Vdc solicită un curent de 150A, pentru a da 1500W la ieșirea de 220Vac).
Notă utilă. Alegerea corectă a bateriei se face pe baza relațiilor:
(R1) Ansamblul Baterie plus Invertor DC/AC poate da la un consumator o Energie utilă [Wh] = Uintrare invertor [V]×0,8×Cbaterie [Ah]×Eficiență invertor [%].
(R2) Știind ce putere cere un consumator, aflăm că se poate beneficia de un Timp util [h] = Energia utilă [Wh]: Putere utilă [W]. De ex. O baterie de 45Ah cuplată la un invertor cu eficiență 0,85 poate alimenta un PC de 100W, descărcându-se până la 20%, doar un timp de max. 3,67 ore.
Dacă bateria plus invertorul alimentează un motor cu porniri/opriri dese (frigider, pompă de apă, scule de mână), se recomandă o baterie de capacitate mai mare:
(R3) Cbaterie [Ah] ≥ 5h × Pnominală invertor [W]: Unominală baterie [V].
3. Bateriile de Mișcare folosite în vehicule electrice dau și putere mare la pornire și energie de mișcare mare. Sunt numite baterii de înaltă durabilitate (long life) care au o chimie specială, dar la un preț ridicat.
4. Ultrabateriile fac stocarea energiei în mod hibrid cu durată lungă de viață pentru stocarea energiei. UltraBattery® este o clasă complet nouă de baterii cu tehnologie Pb-Acid, care conțin atât un ultracapacitor cât și o baterie Pb-Acid într-un electrolit comun. Se combină avantajele cele mai verificate în timp și tehnologia avansată de reîncărcare pentru baterii Pb-Acid, cu avantajele unui ultracapacitor. UltraBattery® permite un echilibru optim de stocare a energiei a unei baterii Pb-Acid cu acceptarea de încărcare rapidă, de descărcare de putere și longevitate a unui condensator. UltraBattery® funcționează foarte eficient în starea continuă de încărcare parțială (Partial State of Charge – PSoC) fără frecvente cicluri de încărcare de menținere. Acest tip de baterie poate fi utilizat pentru a gestiona continuu fluctuații de tipuri de surse și de nivel de energie, asigurând o putere fluentă, folosind o bandă de încărcare în care bateria nu este nici complet plină, nici complet goală.
UltraBattery® este ideală pentru orice aplicație de putere variabilă, în care este nevoie de încărcare și de descărcare variabilă și/sau rapidă de energie:
• Vehicule electrice hibride (UltraBattery® are durata de viață de până la 10 ori mai mare decât bateriile Pb-Acid uzuale, iar față de Ni-Metal Hydride sunt cu 70% mai ieftine, dar cu performanțe comparabile, și în plus, au încărcare mai rapidă și rată de descărcare mare).
• Alimentări variabile de la rețeaua de electricitate;
• Servicii auxiliare pentru rețelele de electricitate;
• Netezirea variabilității de curent în energia solară și eoliană;
• Stocarea de energie din surse regenerabile pentru utilizare ulterioară;
• Micro rețele autonome, în combinație cu energie regenerabilă pentru a oferi putere locală.
Notă.
Tehnologia UltraBattery® inventată de Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), a fost licențiată pentru aplicații auto la Furukawa Battery Co Ltd din Japonia și Est Penn Manufacturing Co. Inc. în America de Nord. www.ultrabattery.com
Caracteristicile bateriilor reîncărcabile în funcție de care se face alegerea pentru o aplicație:
(1) Tensiune la borne în circuit deschis (V)
(2) Tensiune la borne cu sarcină (V)
(3) Tensiune minimă disponibilă (V)
(4) Capacitate (Ah)
(5) Curent maxim de descărcare (A)
(6) Număr de cicluri de descărcare/încărcare
(7) Energie specifică (Wh/kg)
(8) Durată de viață estimată
(9) Grad de etanșare
(10) Poziție de lucru
(11) Gama temperaturii de lucru
(12) Dimensiuni, greutate
(13) Cerințe de mentenanță
Alte tipuri de baterii reîncărcabile
Bateriile Pb-Acid sunt robuste, dau putere sau energie mari, la un cost rezonabil, dar au greutate mare.
Cerințe precum: volum mic, greutate redusă și eficiență energetică mare (densitate mare de energie) sunt asigurate de alte tipuri de baterii. Bateriile Li-Ion sunt o fracțiune din totalul bateriilor utilizate în aplicații, dar față de tradiționalele baterii de tip Pb-Acid, au o cantitate dublă de energie și ating în medie o durată de viață de 6 ori mai mare. Bateriile cu litiu pot suporta până 3000 cicluri de descărcare profundă (până la 80%) și încărcare rapidă fără a se distruge. Fiind compacte, ușoare, cu timpii de încărcare foarte scurți și o tehnologie de realizare care le asigură fiabilitatea extrem de ridicată, bateriile cu litiu sunt soluția perfectă pentru echipamente mobile.
Încărcarea bateriilor reîncărcabile
Fiecare baterie are la bază procese chimice ce determină timpii, curenții, nivele limită de încărcare și de descărcare și temperatura normală de operare. Fiecare tip de baterie are cerințe proprii de operare, ce trebuie respectate strict pentru a asigura o funcționare sigură și de durată. În funcție de domeniul (domestic, industrial, medical) în care se utilizează bateriile, se folosesc diverse surse de încărcare.
Surse de încărcare a bateriilor
a. Surse AC/DC liniare, simple, de tip generator de curent sau o sursă de tensiune cu limitare la curent constant, lucrează bine pentru baterii de orice tip, cu puteri reduse, la curenți de încărcare sub 1A.
b. Surse AC/DC cu comutare, de diverse complexități, pentru încărcarea bateriilor Pb-Acid în 2, 3, 5 sau 8 etape de încărcare controlând nivelul încărcării în funcție de nivelul tensiunii bateriei și al temperaturii pe baterie (au eficiența mai mare decât o sursă liniară). Alimentarea AC se face din rețeaua AC sau de la un generator cu motor cu ardere internă sau celulă de combustie.
Încărcarea în 2 sau 3 Etape se folosește uzual la toate bateriile Pb-Acid. Recomandarea încărcării în 5/8 etape trebuie respectată.
Etapa 1. Încărcarea vrac (bulk): încărcarea masivă la aprox. 80% din capacitate, în care curentul de încărcare este menținut constant, iar tensiunea crește. Încărcătorul corect dimensionat va da bateriei un curent acceptat până la 0.25 din capacitatea bateriei în amperi, dacă nu se ridică temperatura peste 52°C la bateriile cu electrolit lichid sau peste 38°C la bateriile AGM sau GEL (valve regulated – supapa de reglementare).
Etapa 2. Încărcarea de absorbție: restul de aprox. 20% se încarcă menținând constantă tensiunea de absorbție a încărcătorului (între 14.1 V și 14.8 V, în funcție de valorile de referință ale încărcătorului și de tipul bateriei), scăzând treptat curentul, până când bateria este complet încărcată. Dacă bateria nu va avea o sarcină sau curentul nu se scade după un timp de reîncărcare așteptat, bateria se poate sulfata permanent. La încărcare normală, hidrogenul și oxigenul rezultate în reacția chimică se recombină rezultând apă, de aceea bateriile pot fi etanșate. Dacă bateria este supraîncărcată, tensiunea de încărcare a bateriei crește peste tensiunea de gazare (gassing voltage), ceea ce va cauza formarea de hidrogen în exces. Tensiunea de gazare pentru bateria de 12V este 14.3 -14.4V, la temperatura camerei. În caz de presiune excesivă, în bateriile cu supapă, aceasta se deschide la o presiune între 2-6 psi pentru a se elibera hidrogenul gaz.
Dacă bateria se deconectează s-a realizat încărcarea în 2 Etape.
După deconectarea de la încărcător, după circa 15 minute, o baterie de 12V stocată la temperatura standard de 20ºC și fără sarcină, are o tensiune la borne ce indică starea reală de încărcare: 100% – 12.65V, 75% – 12.45V, 50% – 12.25V, 25% – 12.05V, 0% – 11.90V. Tensiunea bateriei depinde și de temperatură.
Notă. Dacă bateria este deconectată de la încărcător, depozitată sau rămasă într-un dispozitiv nefolosit mult timp, ea se descarcă (în 2-3 luni) chiar fără o sarcină. Bateriile de pe vehicule parcate mult timp (auto, bărci etc.) trebuie menținute la o încărcare flotantă, ce poate fi realizată cu un mic panou solar cu rol de generator fotovoltaic (sub 4W) conectat permanent la baterie prin cupla de brichetă.
Etapa 3. Încărcarea flotantă: Dacă bateria rămâne legată la încărcător, se trece la încărcare flotantă.
Tensiunea de încărcare este redusă între 13.0V și 13.8V și se menține constantă, în timp ce curentul este redus sub 10% din capacitatea bateriei. Acest mod poate fi folosit pentru a menține o baterie complet încărcată pe timp îndelungat.
Încărcarea în 8 Etape este încărcarea optimizată. În Etapa 1 se aplică încărcare cu pulsuri de curent pentru a reface proprietățile chimice la o baterie neutilizată mult timp (desulfatarea). După Etapele 2, 3, 4 (bulk, curent constant, tensiune constantă – specifice încărcării în 3 Etape) se trece în Etapa 5 de analiză, în care, după 2 minute de oprire a încărcării se determină starea bateriei măsurând variația tensiunii. De ex. la bateria de 12V, dacă tensiunea este sub 12.6V după 2 minute, se trece la Etapa 6 de recondiționare aplicând o tensiune mare (Vboost = 14.4V). Etapa 7 este de aducere la încărcarea 100% (nivel flotant). Etapa 8 este de menținere. Din încărcarea în 8 etape derivă încărcarea optimizată în 5 Etape.
Notă specială.
Bateriile cu electrozii din aliaj Calciu-Plumb sunt mai rezistente la vibrații și șocuri, dar adăugând Calciu în aliaj, crește cu circa 0.4V tensiunea la care apare hidrogenul gaz, respectiv crește de la 14.4V la 14.8V. Aceasta înseamnă că tensiunea de încărcare ar trebui să fie mărită la 14.8V, dar problema reală există în aplicații auto, unde tensiunea dată de un alternator este fixată la 14.4V. Înlocuind baterii Pb-Acid cu baterii noi de tip Pb-Calciu-Acid sau Pb-Silver-Calciu-Acid, tensiunea de 14.4V dintr-un sistem de încărcare actual pe mașină poate fi insuficientă pentru a încărca complet bateria. Rezultă că bateria va rămâne într-o stare permanentă de descărcare, iar aceasta va duce la sulfatarea bateriei și posibilitatea de stratificare a electrolitului lichid. În final, bateria nu va asigura curentul maxim specificat și nici capacitatea de Ah pe care se bazează aplicația. De aici apare percepția utilizatorilor că: bateriile cu tehnologii moderne nu durează atât de mult cât se estimează. Cauza fiind de fapt, sub încărcarea cronică.
c. Panou solar și controlor de încărcare a bateriei. Se pot realiza sisteme de încărcare cu performanțe bune printr-o combinație de controler de încărcare solar Steca Tarom (pentru sisteme fotovoltaice hibride) cu o celulă de combustie Steca EFOY Pro ca generator de rezervă în zone fără acces la rețeaua de electricitate. Invertoarele sinusoidale Meanwell TN-1500 și TN-3500 au și funcția de încărcare a bateriilor Pb-Acid de la rețea AC (baterii 100Ah – 400Ah: 12V/24V/48V încărcare la 25A/12A/6A) sau de la panou solar (25V/45V/75V, max.30A).
d. Generator electrochimic de tip pilă sau celulă de combustie cu metanol ce convertește energia chimică în energie electrică. Celula de combustie poate furniza energie pentru instrumente de măsurare aflate pe teren și aplicații de telecomunicații fără conectare la rețeaua AC. De ex. Celula de combustie EFOY Pro 1600 12V/5.4A (pentru baterii Pb-Acid de 40…200Ah) consumă 0.9l/kWh metanol, este conectată prin dispozitivul Steca PA HS200 direct la baterie și poate oferi până la 1.56 kWh/zi pentru a reîncărca bateria în mod automat, dacă este necesar. Detalii pentru sisteme solare, termale și celule de combustie: Steca Elektronik GmbH (www.steca.com).
e. Porturi USB 2.0 care oferă 500mA și USB 3.0 oferă 900mA din sursa unui PC. În multe PC-uri pentru USB 2.0 limitarea se face la curentul total de 500mA, însumat pentru toate porturile din PC. Din anul 2010 s-au crescut limitele de curent pentru porturi USB care sesizează și încărcă baterii, fiind posibile comunicații de mare viteză simultan cu livrarea unui curent de 1.5A (maxim 5A).
Notă. În multe PC-uri pentru USB 2.0 limitarea se face la curentul total de 500mA, însumat la toate porturile din PC. Din anul 2010 au apărut schimbări în standardul USB, inclusiv creșterea limitelor de curent pentru porturi USB care sesizează și încărcă baterii, fiind posibile comunicații de mare viteză oferind în același timp un curent de 1,5A și ajungând la maxim 5A. Se recomandă verificarea specificațiilor de curent referitoare la portul USB utilizat.
Din anul 2013 noile specificații ale USB 3.0 Promoter Group (www.usb.org) extind nivelele de tensiune și curent, puterea livrată prin USB ajungând la max.100W, pentru a încărca mai rapid bateriile din tablete și laptop-uri. Puterea livrată prin port USB 3.0 poate avea unul din 5 profile:
• Profil 1: 5V @ 2.0A
• Profil 2: 5V @ 2.0A sau 12v @1.5A
• Profil 3: 5V @ 2.0A, 12V @ 3A
• Profil 4: 5V @ 2.0A, 12V sau 20V @ 3A
• Profil 5: 5V @ 2.0A, 12V sau 20V @ 5A
Încărcarea printr-un port USB se face uzual pentru baterii CdNi, NiMH, LiIon, de capacitate relativ mică, incluse în aparate portabile, dar mărirea tensiunii și a curentului a deschis posibilitatea de a încărca și baterii Pb-Acid de capacitate mai mare (ex. Convertor 5V la 15V, realizat cu circuitele MAX668 și MAX4375F0 de la Maxim Integrated www.maximintegrated.com).
f. Transferul puterii de încărcare prin câmp magnetic sau electric (wireless). Transferul se bazează pe legea inducției a lui Faraday, realizând un cuplaj fie prin câmp magnetic variabil între două bobine, fie prin câmp electric variabil între plăcile unui condensator. Pulsurile de putere emise de sursa de putere sunt receptate de un consumator apropiat, apoi redresate și condiționate pentru a produce o putere DC pentru încărcarea bateriilor din dispozitive portabile de mică putere (5…10W).
Alegerea încărcătorului de baterie
Încărcarea corectă se face la curent constant, în etape, controlând tensiunea și temperatura bateriei, pentru a maximiza capacitatea și durata de viață a bateriei. Multe aplicații cer utilizarea bateriei pentru alimentarea unui consumator și simultan să se asigure încărcarea bateriei (ex. încărcarea prin panou solar sau celulă de combustie a unui aparat aflat în funcționare pe teren). De aceea, un dispozitiv de încărcare poate include și supravegherea funcționalității circuitului de la care ia putere pentru a o ceda bateriei.
PB-600 Meanwell, încărcător de 600 W, în 2/3/8 etape pentru baterii Pb-Acid 12V, 24V, 48V. Variante:
PB-600-12, Ieșire 14.4V, 0…40.0A, Eficiență 86%
PB-600-24, Ieșire 28.8V, 0…21.0A, Eficiență 87%
PB-600-48, Ieșire 57.6V, 0…10.5A, Eficiență 89%
Pentru curenți mai mari se poate folosi PB-1000
Meanwell, încărcător de 1000 W, în 2/3/8 etape pentru baterii Pb-Acid 12V, 24V, 48V. Variante:
PB-1000-12, Ieșire 14.4V, 0…60.0A, Eficiență 85%
PB-1000-24, Ieșire 28.8V, 0…34.7A, Eficiență 88%
PB-1000-48, Ieșire 57.6V, 0…17.4A, Eficiență 89%
Schema aplicației ce înglobează o baterie reîncărcabilă trebuie calculată ca să asigure în același timp curentul cerut de consumator, cât și menținerea bateriei în starea de încărcare aproape de 100% din capacitate. Practic, bateria netezește consumul de putere. Un astfel de caz este alimentarea unui invertor DC/AC de la un panou solar.
Serii de încărcătoare de baterii Pb-Acid performante oferă producătorul Meanwell (www.meanwell.com):
Încărcătoare staționare:
serii PB-300 / PB-360 / PB-360P / PB-600 / PB-1000
serii ESC-120 / ESP-120 / ESC-240 / ESP-240.
Încărcătoare portabile:
serii PA-120 / PB-120 / PB-230,
serii GC30B / GC30U / GC30E / GC120 / GC160 / GC220 / GC330
Managementul încărcării este controlat cu microprocesor. Intrare universală 90 … 264Vac, PFC. Protecții la: inversarea polarității, scurtcircuit, supratensiune și supratemperatură (senzor NTC livrat).
Graficul de încărcare se poate modifica, se semnalizează starea de lucru la distanță, are pornire/oprire de la distanță, ventilator cu viteza controlată de curentul de încărcare, temperatura de lucru -20 … +60°C. Satisface standarde de siguranță și standarde EMC, garanție 3 ani.
Notă importantă.
Bateriile pot exploda
Aceasta este o situație periculoasă, dacă apare una din cauze:
1. Scurtcircuitarea bateriei. Dacă plăcile din baterie sunt scurtcircuitate, energia va fi eliberată rapid. Șocul termic pe plăcile unei baterii vechi le sparge și fac scurtcircuit reciproc. Electrolitul va fierbe și bateria va exploda.
2. Supraîncărcarea bateriei. Când bateria este supraîncărcată, tensiunea de încărcare crește peste tensiunea de gazare și va apare exces de hidrogen. Tensiunea de gazare a unei baterii Plumb-Acid de 12V este de apropiată de 14,3V – la temperatura camerei. O celulă deteriorată sau în curs de deteriorare are rezistența mai mică decât celulele bune. Deci tensiune mai mare apare în lungul celulelor bune și poate crește tensiunea peste nivelul tensiunii de gazare. Hidrogenul produs din această cauză se va recombina, dacă bateriile sunt sigilate (sealed), dar uneori hidrogenul poate scăpa din baterii Plumb-Acid cu electrolit lichid, ducând la incendiu și explozie dacă apare o scânteie.
ECAS
ELECTRO asigură aprovizionarea și asistența tehnică pentru orice tip de dispozitive și componente solare: generatoare, controlere de încărcare, baterii reîncărcabile, invertoare, cabluri și conectoare, semiconductoare (diode și circuite integrate specifice domeniului solar), LED-uri și dispozitive de iluminat cu LED-uri.
ECAS
ELECTRO este distribuitor autorizat al produselor MEAN WELL.
www.ecas.ro
Autor:
Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro