Ďalšie dôležité parametre u batérií

V predchádzajúcej časti článku o parametroch batérií som načrtol model batérie ako nádrže na vodu so všetkými podrobnosťami. Vysvetlili sme si čo je to Kapacita batérieHĺbka vybitia – DoDVyužiteľná kapacita batérie. V tomto pokračovaní sa budem venovať ďalším parametrom. Tie už nie sú také jednoduché, ale stále sa bude dať použiť nádrž ako príklad.

Čo je to Nabíjací cyklus

Vo väčšine diskusií o tom ako batérie dlho vydržia, aká je ich skutočná cena uskladnenej energie a podobne, sa operuje s pojmom počet nabíjacích cyklov. Kým sa však k tomuto pojmu dostanem tak je potrebné zadefinovať čo to vlastne nabíjací cyklus je. Bežne jeho definíciu nenájdete v žiadnom dataliste akejkoľvek batérie a pritom sa na ich počet každý odvoláva. Na posledných niekoľkých výstavách Intersolar (ale nie len tam) som prakticky každého, kto mal batérie na stánku, “obťažoval” otázkou na definíciu nabíjacieho cyklu. Všetci výrobcovia a väčšina distribútorov a predajcov sa zhodli. Tí čo mali iný názor v podstate žiaden nemali a ich vysvetlenie sa dá zhrnúť do jedného slova “neviem”.

Čo je to teda nabíjací cyklus? V rozumnom čase je to vlastne jedno úplné vybitie a jedno úplné nabitieNajskôr poďme k detailu jedno úplne (nabitie/vybitie) – môže to byť aj prerušené. A hlavne je to použitie celej využiteľnej kapacity batérie. Podstatné je slovo využiteľnej. A nakoľko sa jedná aj o prerušované vybitie/nabitie, preto je tam podmienka v rozumnom čase. U väčšiny bežných batérií sa tento interval pohybuje niekde medzi jedným až viacerými dňami.

A teraz som u toho upozornenia z dnešného úvodu. Definovať nabíjací cyklus je závislé na type batérie v tom, že je potreba brať do úvahy aj iné parametre, najmä: samovybíjanie, možnosť byť v nenabitom stave (napr. olovené batérie) alebo maximálne nabíjacie napätie. Pre zjednodušenie však použijeme vyššie napísanú definíciu. V našom modeli teda je to vypustenie nádrže až po hranicu DoD a jej opätovné napustenie nádrže na maximum.

Počet nabíjacích cyklov

Samotný pojem počet nabíjacích cyklov je jednoduché číslo. Bežne sa pohybuje v niekoľkých stovkách až po niekoľko tisíc. Čo je však na počte nabíjacích cyklov veľmi dôležité je jeho závislosť na DoD – hĺbke vybitia, alebo iných parametroch: rýchlosť nabíjania/vybíjania C-rate a maximálna veľkosť nabíjacieho napätia.

V prípade olovených batérii sa ako hlavný ovplyvňujúci parameter používa DoD. A počet je značne nelineárne závislý.

Zdroj. bestbatteries.co.nz

Jedny z najlepších olovených batérii Trojan majú počet cyklov pod 1000 keď sa vybíjajú pod 65 až 75%. Avšak ak využijeme len do 20 % energie stúpne počet nabíjacích cyklov na viac ako 3000. Pri množstve iných výrobcov batérií sú tie rozdiely ešte väčšie. Pri DoD do 20 % (použijeme teda iba pätinu kapacity) je počet cyklov aj 5000, avšak pri DoD 75 % (3/4 využiteľnej kapacity) sa počet cyklov prepadne pod 500.

Iné vyjadrenie možno vidieť na nasledujúcom obrázku. Čtyri druhy olovených batérií štartovacie (Car), bezúdržbové (sealed), solárne (Solar-low antimony) a stacionárne (Stationary). Kde graf je teraz naopak a vyjadruje závislosť očakávaného DoD na požadovanom počte nabíjecích cyklov.

File:Electricity_Batteries_p05.gif
Zdroj: howtopedia.org Cycle life verses depth of charge for several types of lead-acid battery
 U značnej časti dostupných Li-ion batérií sa takáto zmena počtu nabíjacích cyklov s hĺbkou vybitia neprejavuje a často býva definované, napr. že pri 1C (vysvetlenie viď nižšie) je počas 500 nabíjacích cyklov pri zachovaní 80 % nominálnej kapacity.

Bežne dostupné Li-ion batériové sety, od slušných výrobcov, majú počet nabíjacích cyklov pri zachovaní 95 % nominálnej kapacity cez 5000. To však už treba brať do úvahy, že sú to opravdu batérie s pokročilým BMZ a vyššou kapacitou . jednotky a viac kWh).

Rýchlosť nabíjania a vybíjania – C-rate

C-rate je jeden z najkľúčovejších parametrov pri batériách. Určuje ako rýchlo vieme uskladnenú energiu z batérie použiť a koľko času nám zaberie jej opätovné nabitie. Vo všeobecnosti sú tieto rýchlosti v maximálných rozmeroch podobné, ale uvádzajú sa ako samostatné parametre. Avšak ak neuvediem inak, tak budem C-rate používať pre oba procesy. Označuje sa ako C-rate. C od anglického slova Current a Capacity. Ako základná rýchlosť (čas vybitia) sa používa 1C. Tzn. za 1 hodinu by sme vedeli použiť celú kapacitu batérie (nominálnu). 10 kWh batéria je teda schopná dať počas hodiny dodávať (teoreticky) 10 kW elektriny. Ak je uvedená kapacita v Ah, tak za 1 hodinu vieme vybiť/nabiť celú batériu – 100 Ah (nominálnych) batériu vybíjame/nabíjame konštantným prúdom 100 A.

Ak však berieme do úvahy aj ostatné parametre, tak už samotné 1C nie je prakticky dosiahnuteľné, lebo pri DoD 50 % vieme vyčerpať iba polovinu nominálnej kapacity. A teda vybíjanie pri 1C (100 A z 100 Ah batérie) nás dostane do povoleného stavu vybitia už za pol hodiny.

Pre štandardné použitie sa používa označenie xC alebo Cx, kde x je číslo vybíjacej “rýchlosti. Ak má batéria parameter 2C znamená to, že sa dá vybiť dvakrát rýchlejšie ako je jej kapacita. 2C – nominálna kapacita sa použije za 0,5 hodiny. Z batérie potečie dvojnásobne väčší prúd ako je jej kapacita v Ah. Naopak C2 (často označované aj 0,5C) znamená, že sa kapacita minie až za dve hodiny. Z batérie potečie polovičný prúd ako je jej nominálna kapacita v Ah. Väčšina olovených batérií požíva C10 (alebo 0,1C) – vybíjanie na úrovni 10% nominálnej kapacity. Teda teoreticky vie poskytovať energiu počas 10 hodín prevádzky.

Štandardné batérie pre použitie v OZE (pre ostrovné systémy) majú maximálne C-rate na úrovni 1C, ale to neznamená, že tak pracujú po celý čas. Zvyčajne sa používa C6 alebo C10.

V použitom modeli z predchádzajúcej časti dokonca používam C100 (0,01C) kedže kapacita je 100 l a voda nateká rýchlosťou 1 l/h.Bateria princip

V tomto modeli je možné si aj predstaviť zvyšovanie C-rate, ale aj jeho dôsledky. Pri rovnakom fyzickom usporiadaní ak by sme chceli dosiahnuť 1C, musela by voda už tiecť stonásobnou rýchlosťou – 100 l/h.

Výstupný (nabíjací) výkon batérie

S C-rate úzko súvisí výkon, ktorý je batéria schopná dodávať. Alebo ktorým môže byť nabíjaná. Najmä u väčších batérií (100 kWh a viac) alebo Redoxových batérií sa namiesto C-rate používa skôr parameter maximálny použiteľný výkon a celková kapacita batérie. Potom sa udáva napr. 60 kW/300 kWh. Znamená to, že batéria je schopná svoju kapacitu 300 kWh dodávať výkonom max. 60 kW. Z toho je teda jasné, že C-rate je v tomto prípade C5.

Stav nabitia – SoC

Tento parameter patrí k tým jednoduchším. Je to aktuálna skutočná hĺbka vybitia/nabitia. DoD hovorilo o všeobecne dosiahnuteľnom a využiteľnom objeme energie. SoC je stav pri jednom cykle. Na rozdiel od DoD však sa tento parameter odvodzuje o úplného nabitia – SoC 100 % je úplné nabitie. DoD 100 % však znamená, že môžte vybiť úplne a teda dosiahnuť SoC 0 %.

SoC by sa mala pohybovať v medziach (100 % – DoD). Napr. pri olove, kde sa DoD majiteľ rozhodol riešiť pre vysokú počet nabíjacích cyklov, na úrovni do 30 %, by teda SoC malo byť v medziach 70 % až 100 %. Pri Li-ion a DoD 80 % sa teda SoC bude pohybovať od 20 % do 100 %.

Samovybíjanie

Bohužiaľ na rozdiel od uzavretej nádrže, ktorú vieme vyrobiť prakticky 100 % tesnú a voda v nej môže vydržať milióny rokov bez “zmeny”, tak batéria sa takto tesná nedá vyrobiť. V závislosti na technológii sa prosto elektrina (v modeli voda) prosto stráca. Hodnota samovybíjania sa pohybuje od jednotiek percent za rok (redoxové batérie, primárne chemické články) až po desiatky percent a aj v kratšom čase ako rok. Túto hodnotu treba brať do úvahy v návrhu systému. Opätovne – dá sa ovplyvniť vonkajšími podmienkami, ale nedá sa samovybíjanie zastaviť.

Pokračovanie v ďalšom dieli

Dĺžka aj tejto časti dosiahla maximálnu rozumnú mieru a preto musím pridať ešte jeden diel o parametroch – Pracovná a uskladňovacia teplota, Možnosť a dĺžka byť v nenabitom stave a Životnosť batérie. A až v ďalšom sa dostaneme k praktické rady pre návrh systému s batériami.

Malé upozornenie na záver aj tejto časti: pokúsim sa o “laické” vysvetlenie. To samozrejme prináša mierne zjednodušenia a nie vždy úplne presne vysvetľuje niektoré detaily. Dôležitejšie je pochopiť celok a jednotlivosti rôznych druhov si potom už ľahšie pohľadáte.

Pripomienky a dotazy sú vítané v komentároch pod týmto textom.

Komentáre

comments

Pridaj komentár

Vaša e-mailová adresa nebude zverejnená. Vyžadované polia sú označené *

Táto webová stránka používa Akismet na redukciu spamu. Získajte viac informácií o tom, ako sú vaše údaje z komentárov spracovávané.