Sterownik zarządzający baterią akumulatorów

W rozpatrywanym układzie napędowym energię elektryczną można pozyskiwać przez ładowanie akumulatorów prądem pochodzącym z maszyny elektrycznej, która pracuję w roli generatora lub odzyskiwaniem energii za hamowania. W przypadku pracy silnikowej jest o tyle łatwo dostarczyć odpowiednią energii za pomocą układów przekształtnikowych sterownika maszyny elektrycznej. Natomiast w przypadku pracy generatorowej jest o tyle

92 trudniej, gdyż energia doprowadzona do akumulatorów musi spełniać odpowiednie warunki by nie dopuścić do ich przeładowania lub przegrzania. Pomimo ciągłego rozwoju akumulatory te nie są jeszcze w stanie szybko zmagazynować dużej energii co znacznie utrudnia spełnienie założeń proponowanego układu napędowego z elektrycznie sterowaną maszyną elektryczną. Autor zamierza rozwiązać ten problem wykorzystując odpowiednią strategię sterowania, która będzie kontrolowała przepływ mocy w układzie napędowym by nie dopuścić do uszkodzenia baterii akumulatorów. Bezpieczne i niezawodne użytkowanie baterii akumulatorów wymaga jej ciągłego monitorowania i nadzorowania wszystkich parametrów oraz zapewnienia jej chłodzenia. Do monitorowania parametrów akumulatora wykorzystano sterownik zarządzający energią zestawu akumulatorów BMS (Battery Management System), który mierzy prąd pobierany z baterii, napięcie na ogniwach lub całego zestawu ogniw oraz temperaturę każdego ogniwa i na podstawie tych informacji kontroluje stan naładowania oraz prąd ładowania i rozładowania każdego ogniwa tak aby nie dopuścić do przeładowania lub głębokiego rozładowania. Taki system zapewnia bezpieczne użytkowanie akumulatorów oraz zwiększa ich żywotność. Na podstawie zmierzonych wielkości system BMS określa stan naładowania SOC (State of Charge). Sterownik baterii BMS nie może bezpośrednio wpłynąć na prąd ładowania lub rozładowania baterii akumulatorów. Określa on jedynie stan baterii akumulatorów, który przesyłany jest do sterownika nadzorującego cały system. Sterownik ten ustala wszystkie parametry i w razie potrzeby może na jakiś czas ograniczyć prąd ładowania lub rozładowania. Ze względu na reakcje uboczne, zależne od parametrów i temperatury ogniwa, stan naładowania poszczególnych ogniw inaczej zmienia się w czasie. Stanowi to poważny problem, ponieważ najsłabiej naładowanie ogniwo szybko osiąga graniczny stopień rozładowania, natomiast ogniwo najlepiej naładowane osiąga graniczny stopień naładowania. Takie zachowanie może doprowadzić do sytuacji w której nie będzie można ładować ani rozładowywać ogniw bo jedno będzie przeładowanie, a drugie całkowicie rozładowane. Dlatego należy monitorować stan poszczególnych ogniw aby nie dopuścić do takiej sytuacji. W celu wyrównania stanu naładowania mierzy się napięcie spoczynkowe każdego ogniwa i ogniwa o wyższym napięciu są powoli rozładowywane do czasu kiedy różnica między ogniwami osiągnie założoną wartość.

Jednak największy wpływ na żywotność ogniw ma ich cykliczne ładowanie i rozładowywanie. Ta niekorzystna właściwość jest tym większa im większe są skoki cyklicznych zmian. Cykliczne zmiany są jednak konieczne w uzyskaniu większej sprawności rozpatrywanego układu napędowego, który opiera się na sterowaniu maszyną elektryczną

93 w trybie pracy silnikowej i generatorowej. Strategia sterowania układem napędowym oraz wybrana wielkość baterii akumulatorów stanowi kompromis pomiędzy trwałością baterii, jej kosztem i masą z jednej strony oraz z drugiej strony uzyskania wysokiej sprawności. Zwykle producenci napędów hybrydowych starają się utrzymywać baterię w przedziale naładowania SOC od 50% do 70%. Według autora najlepszy zakres naładowania SOC baterii akumulatorów dla rozpatrywanego rozwiązania mieści się w zakresie od 30% do 80% pojemności całkowitej. Tak szeroki zakres daje duże możliwości sterowania napędem, a przy tym zachowany jest bufor bezpieczeństwa do całkowitego naładowania i rozładowania. Przy obniżeniu się pojemności poniżej 30% należy zwiększyć udział trybu generatorowego w celu doładowania baterii akumulatorów, a powyżej 80 % jak najczęściej wykorzystywać tryb elektryczny, aby go rozładować. Mimo tych wartości maksymalnego i minimalnego naładowania algorytm sterowania stara się utrzymywać baterię na ok. 60 % SOC.

Jeżeli górna granica zakresu zostanie przekroczona serownik nadzorczy próbuje jak najczęściej wykorzystywać do napędu tryb elektryczny lub tryb hybrydowy wykorzystując do napędu maszynę elektryczną pracujący jako silnik. Można to osiągnąć przesuwając punkt pracy silnika spalinowego w silnikowy zakres pracy maszyny elektrycznej (podnoszenie prędkości kątowej wału korbowego maszyny elektrycznej). Jeśli natomiast zostanie osiągnięta dolna wartość stanu naładowania ogniw akumulatora SOC, sterownik nadzorczy przesuwa punkt pracy silnika spalinowego w generatorowy zakres pracy maszyny elektrycznej lub jeśli prędkość pojazdu jest zbyt niska w tym trybie to przechodzi w tryb spalinowy. Zadaniem strategii zarządzania energią akumulatorów jest optymalne wykorzystywanie możliwości sterowania punktem pracy silnika spalinowego w zakresie pracy silnikowej i generatorowej maszyny elektrycznej oraz nie dopuszczenie do maksymalnego naładowania lub całkowitego rozładowania akumulatora co mogło by uszkodzić poszczególne ogniwa baterii.

Maksymalne rozładowanie może wystąpić podczas długotrwałego wykorzystywania trybu elektrycznego lub podczas poruszania się pojazdu w zakresie wysokich prędkości. Natomiast maksymalne naładowanie może wystąpić rzadziej jedynie przy wykorzystaniu trybu hybrydowego w zakresie niskich prędkości wtedy gdy maszyna elektryczna pracuje jako generator. Dlatego ważniejsze jest utrzymanie minimalnego poziomu naładowania baterii akumulatorów ok. 30% SOC, który przy zbyt niskim poziomie może doprowadzić do ograniczeń w funkcjonowaniu rozpatrywanego układu napędowego. Poza tym starzejące się ogniwa baterii akumulatorów mogą się niestabilnie zachowywać przy niskim stopniu naładowania.

94