Система пассивной балансировки аккумуляторных батарей, соединенных последовательно или последовательно-параллельно

06.05.16

Если вы используете энергосистему на оборудовании альтернативной энергетики (солнечные батареи, ветрогенераторы и пр.) или просто снабдили свой объект мощным источником бесперебойного питания, то наверняка знаете, что самым слабым (но при этом самым дорогим) звеном в этой системе являются аккумуляторные батареи (далее «АкБ»). И чем больше АкБ в системе, тем сложнее соблюсти все условия их правильной эксплуатации.

В этой статье приведен пример конкретного изделия, позволяющего продлить срок эксплуатации АкБ в энергосистеме минимум в 2 раза (пока не существует других исторических данных).

Последние несколько лет технические печатные издания много внимания уделяют методике заряда литиевых аккумуляторов. Это и понятно – при неправильном напряжении хотя бы на одном из элементов литиевая аккумуляторная батарея выходит из строя. Без системы балансировки отдельных ячеек литиевую АкБ заряжать нельзя и даже опасно. На этом фоне свинцовые АкБ остаются в стороне, так как имеют более низкую стоимость и щадящие параметры заряда (в крайнем случае при перезаряде выпустят через клапан облако газа). Но в результате экономического кризиса АкБ выросли в цене более чем в 2 раза и все более актуальным становится вопрос сохранения вложенных средств на максимально длительный срок.

Рассмотрим энергосистему, где несколько свинцовых АкБ соединены последовательно или последовательно-параллельно. Возьмем, к примеру, систему бесперебойного питания коттеджа с инвертором на 3 кВА и общим напряжением АкБ 48В (рис.1). Обычно в таких системах применяют 4 последовательно соединенных АкБ 12В и емкостью от 90 до 260 А*ч (свинцово-кислотные, не обслуживаемые). Зарядное устройство в инверторе заряжает все АкБ общим напряжением (током). Изначально (при использовании однотипных АкБ) напряжения на каждой АкБ практически одинаковы. Но уже через несколько месяцев эксплуатации внутреннее сопротивление каждой АкБ меняет свое первоначальное значение. Это может происходить от многих факторов: технологические отклонения при производстве, перепады температур, удары, вибрации, недозаряд, переразряд и пр. Причем у каждого АкБ внутреннее сопротивление может меняться по своему закону. Некоторые фирмы производят «супер надежные» АкБ с минимальными технологическими отклонениями. Такие аккумуляторы бесспорно служат дольше, но и стоимость их более чем в 2 раза больше обычных.

Напряжение зарядного устройства в ИБП обычно стабильно и составляет примерно 57,6В (циклический режим заряда). В начале эксплуатации напряжения конечного заряда будут 14,4В+14,4В+14,4В+14,4В=57,6В. Но со временем хотя бы у одного АкБ изменится внутреннее сопротивление и слагаемые суммы изменятся, например так: 14,4В+14,5В+14,3В+14,4В=57,6В. Один АкБ недозаряжен, другой перезаряжен, но обе ситуации крайне губительно влияют на АкБ: в первом АкБ происходят процессы сульфатации пластин, а во втором — электролит выкипает и происходит выкрашивание массы свинца, и дисбаланс со временем только увеличивается. Примерно через год эксплуатации общая картина напряжений заряда может выглядеть уже так: 13,5В+15,6В+13,2В+15,3В=57,6В. Каждый пользователь такой системы может взять вольтметр и самостоятельно убедиться в правдивости этой информации.

Время работы оборудования в такой ситуации будет стремительно сокращаться и вместо положенных, к примеру, 5-7 лет для одного АкБ, система через 1,5 - 2 года будет иметь меньше половины первоначальной емкости. Многие эксплуатационщики видят, что их оборудование стало работать значительно меньше по времени от АкБ и пытаются нарастить мощность системы путем подключения дополнительных АкБ (рис.2). Этот вариант на какое-то время спасает ситуацию, но не устраняет, а только усугубляет проблему. В результате примерно через 1,5…2 года эксплуатации ИБП приходится менять все АкБ. Заменой первых вышедших из строя аккумуляторов проблему не решить – они будут отличаться от остальных АкБ и дисбаланс напряжений будет еще сильнее. В среднем за год эксплуатации системы 48В (рис.1) нужно будет менять 1 аккумулятор, а если таких сборок несколько (рис.2), то четверть от общего количества.
Увеличить срок службы аккумуляторов можно применив систему балансировки, которая будет выравнивать напряжения на каждой АкБ с самого начала заряда. Принципы балансирования довольно подробно описаны для литиевых аккумуляторов и на них мы останавливаться не будем.

Основываясь на многолетнем опыте производства балансировочных систем для энергоемких литиевых АкБ, ООО «НИП» совместно с НТК "Cолнечный центр" разработало систему пассивной балансировки для свинцовых 12-ти вольтовых АкБ. Почему именно пассивную? Исходя из множества факторов, основными из которых являются надежность и стоимость. Основные параметры разработанной системы приведены ниже:

- выравнивание напряжений отдельных АкБ идет постоянно с самого начала заряда. Этим достигается значительное уменьшение выделяемой мощности на балластной нагрузке (в отличии от систем, начинающих реагировать на конечное напряжение заряда). Система считывает напряжения с каждой АкБ, вычисляет среднее и включает балластную нагрузку на тех АкБ, напряжение которых выше среднего;

- идет постоянный мониторинг (через RS485-й интерфейс), позволяющий визуально оценить работу каждого АкБ как в процессе заряда, так и в процессе разряда. Каждый балансировочный модуль имеет свой уникальный номер, который можно сопоставить с конкретным АкБ;

- есть опция отключения нагрузки в случае, если хотя-бы одна АкБ просела ниже 10,5В (нижняя граница рабочего напряжения свинцовой 12-ти вольтовой АкБ);

- благодаря гальванической развязке по шине управления есть возможность балансировать несколько групп АкБ (см. рис. 2);

- благодаря модульному исполнению можно добавлять группы АкБ к уже работающей системе, причем не обязательно искать АкБ той же фирмы-производителя;

- система позволяет решать задачи балансировки для свинцовых 2В, 6В и 12В АкБ; для литиевых 3,2В и 3,7В; для щелочных и других типов АкБ.

- срок окупаемости такой системы составляет меньше 1 года, благодаря низкой стоимости и кратному увеличению срока жизни аккумуляторов (на примере системы для 4-х АкБ 12В-230А*ч).

Систему балансировки необходимо подбирать по емкости АкБ и току заряда. Если в ИБП предусмотрена возможность форсированного заряда за 2…4 часа (например от солнечной батареи или генератора), то система балансировки может не успевать «гасить» излишнее напряжение на отдельных АкБ. В этом случае балансировочные элементы должны быть повышенной мощности по сравнению с обычным режимом заряда 0,1…0,2С.

Часто возникает вопрос: можно ли ставить систему балансировки на б/у аккумуляторы или эффект «продления жизни» будет заметен только на новых АкБ? Конечно, на новых АкБ эффект будет максимальным. Но и на разбалансированных, старых АкБ система балансировки «законсервирует» общее состояние всех АкБ и даст возможность значительно больше времени проработать до замены этих аккумуляторов.

Отдельно необходимо коснуться темы параллельно-последовательного соединения АкБ. В старой советской литературе по химическим источникам тока было сказано, что параллельно соединять можно по общему напряжению цепочки элементов с количеством единичных ячеек более 20-ти (в одной 12-ти вольтовой свинцовой АкБ имеем 6 ячеек). При соединении в систему 48В получается 24 ячейки и меньше уже не желательно. Дополнительные группы аккумуляторов надо присоединять по шине 48В. Не желательно соединять 12В АкБ в параллель между собой (производители при необходимости параллелить более двух АкБ рекомендуют связываться с ними). Многолетняя практика показала, что при соединении двух аккумуляторов примерно через год один АкБ полностью выходит из строя, а еще через полгода - и второй. Если требуется система на 12В большой емкости, то ее желательно набирать из 6В или 2В блоков нужной емкости с обязательным применением системы балансировки.

Далее приведен пример применения системы балансировки для 2-х вольтовых АкБ типа OРzV серии Solar немецкого концерна Sonnenschein с общим напряжением 48В, установленную в энергосистеме гарантированного электроснабжения частного дома в г. Краснодаре компанией «Солнечный центр», который показывает высокую эффективность от применения данной системы: при стартовой разбалансировке АкБ в 3%, разбалансировка через полтора года составила 1%.
Энергосистема была запущена в эксплуатацию в октябре 2014 года, данные по АкБ в режиме заряда приведены в Таблице 1 (полное напряжение 53,3В, среднее на банку 2,17В).

Буква ”n” после значения напряжения указывает, что в этом канале (аккумуляторной банке) происходит шунтирование тока — система балансировки старается «подтянуть» напряжение на этой банке к среднему вычисленному напряжению — 2,17В.
                                                                                                                                                                                                                                  Таблица 1.
Напряжение на АкБ через полтора года работы - в апреле 2016 года, при разряде и заряде приведены в Таблице 2. В обоих таблицах под номерами COU обозначены регулирующие элементы для каждого АкБ (нумерация не сквозная, а по конкретному балансировочному модулю, отгруженному со склада) и при разряде видна разница между напряжениями АкБ порядка 0,5% после полутора лет эксплуатации. При заряде в этот же день разброс напряжений на АкБ составил порядка 1%.
                                                                                                                                                                                                                                   Таблица 2.
Далее представлены фото энергосистем (слева направо), запущенных в эксплуатацию НТК «Солнечный центр» с установленной системой балансировки: автономная солнечная энергосистема для питания базовых станций Би-Лайн и МТС (плато Лаго-Наки), солнечная энергосистема для автономного энергоснабжения коттеджа в Кавказских горах, солнечная энергосистема гарантированного электроснабжения дома в пригороде Краснодара.
Выводы.

Данная статья написана, опираясь на многолетний совместный опыт разработки радиоэлектронных изделий и эксплуатации энергетических систем различного назначения. В заключении необходимо отметить, что положительный эффект от применения систем балансировки будет заметен не только в системах альтернативной энергетики, а везде, где применяется более одной АкБ:

- на грузовом автотранспорте с бортовой сетью 24В;
- на базовых станциях и ретрансляторах операторов сотовой связи с ИБП на 24 - 48В;
- в системах связи с напряжением 60В;
- в вагонах поездов с бортовой сетью 110В;
- в ИБП высокой мощности с напряжением АкБ до 300В;
- и т.д. и .т.п.