Lítium-ion akkumulátor modellek alkalmazás-specifikus vizsgálata
A nem megújuló energiaforrások körébe tartozó fosszilis tüzelőanyagok jelenlegi mértékű felhasználása a Föld olajkészleteinek drasztikus mértékű fogyatkozása és környezetvédelmi szempontok miatt is tarthatatlan folyamat. A korszerű lítium-ion cellák a magas energia- és teljesítménysűrűségüknek köszönhetően már egyre elterjedtebb helyettesítőjét képzik hagyományos fosszilis energiahordozóknak.
Az akkumulátoros energiatárolók tervezése és fejlesztése viszont a mai napig igen problematikus feladat, ugyanis a fejlesztőknek számos specifikációs ponttal kell szembe nézniük. Kulcsfontosságú szempont többek között az energiatárolók kapacitása, a kinyerhető teljesítmény maximuma, a cellák illetve a cellapakk feszültségszintje, a maximálisan megengedhető tömeg és térfogat valamint adott terhelési profil melletti megfelelő és biztonságos működés. A méretezési eljárás összetettségét tovább fokozzák a terhelés specialitásai és a fejlesztési folyamatban előkerülő mechanikai korlátok. Az akkumulátor nemlineáris karakterisztikája és a viselkedésének kiszámíthatósága kritikus pont a megfelelő biztonsági szint és a hatékonyság maximalizálása szempontjából.
Az akkumulátoros rendszerek elengedhetetlen része a felügyeleti rendszer, angol szakirodalomban Battery Management System (BMS). Feladatai közé tartoznak többek között cella- és pakkszintű mérések és állapotbecslések elvégzése az akkumulátor cellák biztonságos és kézben tartható működése érdekében. Kötelező feladata továbbá olyan védelmi funkciók megvalósítása, mint a hőmérséklet védelem illetve túlfeszültség és mélykisütés elleni védelmek, ugyanis ezek visszafordíthatatlanul károsítják a cellákat. Az előbbieken kívül természetesen számos más feladattal ruházható fel a BMS, mint például különféle adatok gyűjtése és számítása (ciklusszám, működési idő), kommunikáció más egységekkel (központi vezérlőegység), és az energiafelhasználás optimalizálása.
A BMS funkciói közül kiemelt fontosságú a töltöttségi szintet – State-of-Charge (SoC) – becslő algoritmus. A töltöttségi szint valós idejű, lehető legpontosabb számítása mind a fejlesztő, mint a felhasználó számára kulcsfontosságú és biztonságkritikus információ. Amennyiben a fejlesztő számára mindig elérhető a töltöttségi szint értéke, hatékonyan tudja használni a rendelkezésre álló akkumulátor kapacitását, optimalizálni tudja az energiafelhasználást, és növelni tudja az akkumulátor élettartamát, emellett megelőzheti az akkumulátor visszafordíthatatlan károsodását túlzott mértékű kisütés vagy töltés miatt.
Az előző pontban bemutatott igények következtében a fejlesztés felgyorsítása és megkönnyítése érdekében feltétlenül szükségessé válik a számítógépes segítség, méghozzá a szimuláció. Szimulációk segítségével gombnyomásra meghatározhatók az akkumulátor karakterisztikái különböző paraméterek változása esetén is, ami pedig igen gyakori az energiatárlók fejlesztése során. A szimuláció sikeressége és pontossága pedig elsősorban a megfelelő modell választásában rejlik.
Az alkalmazás azonban olyan speciális igényeket támaszt a rendszerrel és ezáltal a modellel szemben, amelyek kizárják egy általános érvényű, alkalmazástól független modell létezését. TDK dolgozatom keretén belül biztonság-kritikus rendszerekben is használható és helyüket megálló cella modelleket vizsgálok, majd szimulációk segítségével próbálok választani egy olyan modellt, amely a legalkalmasabb lehet energiatárolók méretezését segítő szimulációk végzésére, illetve egy BMS központi mikrokontrollerébe viszonylag kevés erőforrás felhasználással implementálható, valamint modell alapú SoC becslőkhöz is hatékonyan használható.
szerző
-
Szebedy Bence
Villamosmérnöki szak, alapképzés
alapképzés (BA/BSc)
konzulensek
-
Debreceni Tibor
Doktorandusz, Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék -
Dr. Balázs Gergely György
egyetemi adjunktus, Villamos Energetika Tanszék