Využití měniče frekvence pro experimentální zařízení k nabíjení/vybíjení baterií velkým proudem

Využití měniče frekvence pro experimentální zařízení k nabíjení/vybíjení akumulátorových baterií velkým proudem

V současné době se použití měničů frekvence k řízení otáček, popř. momentu asynchronních a synchronních motorů stává standardem. Článek ukazuje netradiční způsob využití měniče frekvence k realizaci regulovatelného zdroje malého napětí a velkého proudu pro nabíjení Li-Ion článku o vysoké ampérhodinové kapacitě. Ve druhé části je prezentováno opět netradiční řešení zátěže pro regulovatelné vybíjení uvedeného článku.

Řešení vzniklo při experimentech s lithiovými bateriemi, kdy jsme v jednom případě narazili na potřebu testovat chování článku o vysoké ampérhodinové kapacitě. Konkrétně šlo o Li-Ion článek (obr. 1) o kapacitě 150 A·h typu Li-Ion NMC 3,7 V/150 A·h (UN3480). Uvedený článek baterie bylo třeba podle požadavků objednatele nabíjet a vybíjet konstantním proudem 100 A (tj. 0,66 c), měřit a zaznamenávat každých 10 s průběhy proudu, napětí a teploty během každého nabíjecího/vybíjecího cyklu. Vzhledem k tomu, že pro uvedený účel (velký nabíjecí a vybíjecí proud) nedisponovalo naše pracoviště žádným vhodným zařízením, vznikl tento návrh jako ekonomická varianta jednorázově použitelného experimentálního zařízení. Účelem článku je ukázat možnosti měniče frekvence v netradičním zapojení a inspirovat čtenáře k hledání nových přístupů k řešení tradičních úloh.

Parametry navrženého zařízení:
– Nastavení nabíjecího/vybíjecího proudu 100 A s přesností ±1 A.
– Automatické ukončení nabíjení/vybíjení podle napětí na baterii.
– Hlídání a záznam teploty, při jejímž překročení možnost přerušit nabíjecí/vybíjecí cyklus.
– Průběžný záznam měřených hodnot proudu, napětí a teploty každých 10 s.
– Druhý nezávislý systém pro hlídání, zda je napětí na baterii ve stanovených mezích, v opačném případě možnost přerušit probíhající cyklus.

Vzhledem k tomu, že šlo o stavbu jednoúčelového experimentálního zařízení a finanční prostředky v rámci projektu byly omezené, využili jsme prvky, které byly k dispozici z dříve realizovaných a později demontovaných zařízení. Především šlo o výkonové prvky jako třífázový transformátor, usměrňovače a stykače. Ostatní řídicí, měřicí a regulační prvky jsou běžně komerčně dostupné.

V první řadě bylo nutné navrhnout koncepci celého zařízení, které se skládalo ze dvou výkonových částí – nabíjecí a vybíjecí a řídicí jednotky. Protože šlo o jeden článek, bylo napětí stejnosměrného obvodu v jednotkách voltů při nabíjecím a vybíjecím proudu 100 A (jmenovité napětí článku je 3,8 V, maximální 4,15 V, minimální 2,8 V, jmenovitá kapacita 150 A·h), zátěž měla činný charakter bez významných indukčností v obvodu. Blokové schéma realizovaného experimentálního zařízení je na obr. 2.

K dispozici byl třífázový transformátor 3× 400/6 V, za kterým následoval třífázový usměrňovací můstek osazený 200 A diodami ČKD Polovodiče 6 x D200/800 v usměrňovacím bloku společně s chladiči, na jehož výstupu bylo v nezatíženém stavu asi 8 V. K regulaci nabíjecího proudu by bylo možné použít klasický střídač osazený výkonovým tranzistorem, avšak vzhledem k nedostatku času a omezeným prostředkům jsme se rozhodli nabíjecí proud regulovat na primární straně transformátoru pomocí měniče frekvence.

Transformátor je připojen na výstup měniče frekvence Danfoss. typ VLC FC302. Měnič je primárně určen k napájení asynchronních, resp. synchronních motorů a umožňuje různé režimy práce. Pro popisovaný účel jsme zvolili skalární režim U/f = konst. se zpětnovazební regulací momentu se snímačem momentu s proudovým výstupem. Měnič v tomto režimu zvyšuje/snižuje podle požadovaného momentu frekvenci a amplitudu výstupního napětí. Měnič byl aktivovaný signálem z řídicího kontroléru a pracoval v autonomním režimu s nastaveným konstantním momentem, který odpovídal požadovaným 100 A nabíjecího proudu. Jako regulátor byl využit vnitřní PI regulátor měniče se zpětnou vazbou od měřicího (DC) proudového transformátoru typu LEM LT500-T 5000:1 (proudu 100 A odpovídal výstup 20 mA), který byl zapojen jako snímač momentu. Modulační frekvence výstupního napětí byla ponechána továrně nastavená na 4 kHz; při následných zkouškách se ukázalo, že volba frekvence nemá na kvalitu regulace nabíjecího proudu žádný pozorovatelný vliv, pouze při vyšších frekvencích vznikaly větší ztráty na transformátoru a tím i jeho oteplení. Výstup měniče zapojený do hvězdy byl původně připojen přímo na vstup transformátoru 3× 400/6 V, 600 V·A, též zapojeného do hvězdy, později jsme však ještě přidali mezi měnič a transformátor sinusový třífázový filtr, abychom omezili ztráty od vyšších harmonických v magnetickém obvodu transformátoru, a tudíž i ohřívání transformátoru.

Pro vybíjení byl použit zatěžovací rezistor pro výkon zhruba 400 W a proud 100 A, jehož tepelná závislost byla využita k regulaci proudu. Pro konstrukci zatěžovacího rezistoru 25 mΩ/400 Ω se nakonec ukázal nejvhodnější ocelový drát o průměru 2,4 mm takové délky, aby jím při asi 150 °C procházel proud 100 A při napětí 2,5 V. Přesnou hodnotu správného rezistoru bylo nutné experimentálně doladit vzhledem k úbytkům napětí zhruba 0,2 V na odporu přívodních vodičů, kabelových ok a kontaktů výkonového stykače. Vzhledem ke změně napětí v závislosti na nabití článku (2,8 až 4,15 V) bylo nutné, aby se i zatěžovací odpor měnil v poměru 1,5 (Umax/Umin = 4,15/2,7). Při teplotním součiniteli železa 0,006 5 K–1 hodnota odpovídá změně teploty o přibližně 150 K. Při zvolené výchozí teplotě 150 °C byla horní mez ohřátí asi 310 °C. K regulaci teploty zatěžovacího odporu byl s uspokojivým výsledkem použit radiální ventilátor s regulací otáček podle požadovaného zatěžovacího proudu. Detail zatěžovacího rezistoru a ventilátoru chlazení je na obr. 3.

Pro řízení měření a záznam naměřených hodnot byl použit řídicí systém NI Industrial Controler s Embedded WIN XP a LabView 2009. Protože součástí instalace LabView nebyl modul pro řízení v reálném čase, bylo nutné doprogramovat PI regulátor pro regulaci vybíjecího proudu. Hlavní programová smyčka byla vykonávána každých 100 ms a s touto periodou byl také vždy počítán regulační zásah.

Příklad naměřeného průběhu jednoho nabíjecího/vybíjecího cyklu je uveden na obr. 4.

Závěr: Bylo navrženo a experimentálně vyzkoušeno zařízení pro testování akumulátorových článků o vysoké kapacitě. K řízení nabíjení bylo úspěšně využito netradiční zapojení měniče frekvence Danfoss ve skalárním režimu pro řízení momentu asynchronního motoru s proudovým čidlem místo snímače momentu. Požadovaný průběh proudu 100 A byl s dostatečnou přesností zajištěn vnitřním PI regulátorem měniče frekvence, u něhož však bylo nutné přenastavit konstanty regulátoru tak, aby regulace byla stabilní. Rovněž způsob regulace zatěžovacího proudu v režimu vybíjení s konstantním proudem pomocí řízení teploty zatěžovacího rezistoru se ukázal pro danou aplikaci jako plně vyhovující.

The paper deals with the design of a device for testing high capacity Li-Ion cells. Typically 100 A charge / discharge current. The charging current is controlled on the primary side of the 3-phase transformer by a Danfoss frequency inverter using its own PI regulator and DC current sensor in charging/discharging circuit. The discharge current is controlled by the temperature of the load iron resistor with cooling it by the fan. All system is controlled by NI industrial controller.

Doc. Ing. Jan Chyský, CSc., je absolventem oboru technická kybernetika na Fakultě elektrotechnické ČVUT v Praze. Od ukončení studia v roce 1979 pracuje na Fakultě strojní ČVUT, postupně na katedrách automatizace a elektrotechniky. V roce 1992 se habilitoval v oboru elektrotechnika ve strojírenství. V letech 2009 až 2019 byl vedoucím Ústavu přístrojové a řídicí techniky, v současnosti je vedoucím odboru elektrotechniky. Jeho odborná činnost je zaměřena na aplikace vestavěných systémů pro modelování, diagnostiku a řízení výrobních zařízení se zaměřením na snižování energetické náročnosti a zlepšování ekologických parametrů.

Ing. Lukáš Novák, Ph.D., je absolventem oboru elektrické stroje a pohony na Fakultě elektrotechnické ČVUT v Praze. Od ukončení studia v roce 1985 pracuje na Fakultě strojní ČVUT, v odboru elektrotechniky. V roce 2004 obhájil disertační práci na téma Bezdemontážní diagnostika spalovacích motorů z vyhodnocení průběhu okamžité úhlové rychlosti klikového hřídele. Ve své odborné praxi se věnuje zejména aplikacím souvisejícím s energetikou, automobilové elektrotechnice a elektronice a především v posledních několika letech řízení potravinářských výrobních linek.