Napětí akumulátorů – od článků k napěťovým systémům bateriových úložišť
© Fotolia.com
Bateriové systémy pro různá použití vyžadují specifické napětí. Které veličiny určují výši napětí v dané aplikaci a jaké možnosti nabízí jednotlivé akumulátorové technologie?
Napěťové soustavy pro stejnosměrné rozvody jsou normovány na 12 V, 24 V, 48 V, 120 V. V souvislosti s rozvojem bateriových systémů pro uložení většího množství energie dochází v současné době k vývoji i těchto napěťových hladin. Napětí bateriových systémů se tak postupně posunuje k hodnotám v řádech stovek voltů a můžeme slyšet i o systémech s bateriemi 1000 V.
Říká se baterie nebo článek?
Odpověď je velmi jednoduchá: „Baterie je soubor vzájemně propojených článků.“ Například lidovým názvem „tužková baterie“ se správně nazývá článek R6 nebo LR6. Písmena v označení článku udávají typ článku a číslo jeho rozměr. Článek je jeden elektrochemický systém skládající se z anody, elektrolytu a katody. Z konstrukčních důvodů je často mezi anodou a katodou vložen separátor z izolačního matriálu, který ale umožňuje propouštět ionty nesoucí elektrický náboj. Napětí článku je odvislé od rozdílu elektrochemického potenciálu anody a katody. Je tedy závislé na chemii článku, nikoliv na jeho rozměrech nebo mechanické konstrukci.
Baterie může být tvořena sériovou, paralelní či sério-paralelní kombinací článků.
Dosažitelné napěťové úrovně v závislosti na typu použitých článků
Vzhledem k faktu, že napětí článků je dáno jejich chemickou podstatou, nelze z článků jednoho typu složit baterii o libovolném napětí. Protože v baterii je potřeba používat pouze články jednoho typu, je tak napětí celé baterie „kvantováno“. Například jeden zinko-chloridový článek má napětí 1,5 V, takzvaná „plochá baterie“ pak sestává ze tří článků a její napětí je 4,5 V. Ze zinko-chloridových článků tak nelze sestavit baterii o napětí 5 V.
V případě akumulátorů se zachovalo z minulosti rozdělení napěťových hladin DC soustav po 2 V (6 V, 12 V, 24 V, 36 V, 48 V, 96 V, 120 V…). Toto dělení vycházelo ze jmenovitého napětí olověného akumulátoru. Při použití dnešních moderních lithiových článků je pak snaha tyto hladiny z důvodů kompatibility dodržovat, a to i za cenu, že ve skutečnosti bude jmenovité napětí takové baterie mírně odlišné. Některé napěťové hladiny jsou i u moderních systémů shodné. Jako příklad, lze uvést konfiguraci 10 × 3,6 V, která se vyskytuje u jednostopých dopravních prostředků.
Definice napětí článku
Každý sekundární (nabíjitelný) elektrochemický článek má definovánu základní trojici hodnot napětí vycházející ze samotné chemické podstaty článku. Jsou to: jmenovité napětí, minimální vybíjecí napětí a maximální nabíjecí napětí. Dále pak výrobci definují takzvaná doporučená napětí. Zde jsou tyto hodnoty popsány podrobněji:
- Jmenovité napětí
Napětí uváděné výrobcem článku na jeho obalu, je typické pro daný článek. Většinou se jedná o střední hodnotu napětí, kterou má článek při vybíjení. - Minimální vybíjecí napětí
Je napětí, na které lze článek bezpečně vybíjet, tak aby nedošlo k jeho trvalému poškození. Při vybíjení na tuto hodnotu (s výjimkou NiCd) ale dochází ke snížení cyklické životnosti článku. - Doporučené vybíjecí napětí
Výrobce proto často doporučuje ještě druhou (mírně větší) hodnotu napětí, než je minimální vybíjecí napětí, při této hodnotě pak zaručuje cyklickou životnost článku. Ne vždy je tato hodnota uváděna v datovém listu článku na viditelném místě, protože, byť mírně, negativně ovlivňuje hlavní parametr článku, a to je velikost uložené energie, tedy kapacitu. - Maximální nabíjecí napětí
Je napětí, které lze bezpečně dosáhnout při nabíjení článku, bez jeho destrukce nebo velmi rychlé degradace kapacity. - Doporučené nabíjecí napětí
Obdobně jako u napětí vybíjecího, výrobce většinou doporučuje s ohledem na životnost článek nabíjet na napětí mírně menší. Často tento fakt také nezmiňuje v datovém listu explicitně. Ale u dobrého a kvalitního výrobce článků je obvyklé tyto hodnoty uvádět a to včetně výpočtu příslušné kapacity článku, která je pak uváděna jako „využitelná kapacita článku“.
Z výše uvedených bodů vyplývá, že článek je optimální z hlediska napětí provozovat v mezích daných bodem c (doporučené vybíjecí napětí) a bodem e (doporučené vybíjecí napětí).
Tabulka 1 uvádí různé druhy napětí pro nejběžnější články typu:
- nikl-kadmium (NiCd),
- nikl-methal-hydrid (NiMH,
- lithium-železo-fosfát (LFP),
- lithiový článek typu nikl-mangan-kobalt (NMC),
- lithium-titanátový článek (LTO)
- a článek olověný (Pb).
Jednotlivými technologiemi se podrobněji zabývá článek Akumulace elektřiny v budovách: základní parametry a technologie.
| Typ článku | NiCd | NiMh | Li | Pb | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| LFP | NMC | LTO | |||||
| 1 článek | Jmenovité napětí (V) | 1,2 | 1,2 | 3,2 | 3,7 | 2,4 | 2,0 |
| Minimální vybíjecí napětí (V) | 0,9 | 1 | 2,5 | 2,5 | 1,7 | 1,75 | |
| Maximální nabíjecí napětí (V) | 1,4 | 1,4 | 4 | 4,2 | 2,8 | 2,35 | |
| Baterie | Baterie 12 V (počet článků) | 10 | 10 | 4 | 4 | 5 | 6 |
| Jmenovité napětí (V) | 12 | 12 | 12,8 | 14,8 | 12 | 12 | |
| Minimální vybíjecí napětí (V) | 9 | 10 | 10 | 10 | 8,5 | 10,5 | |
| Maximální nabíjecí napětí (V) | 14 | 14 | 16 | 16,8 | 14 | 14,1 | |
| Minimum (v % jmenovitého napětí) | 75 | 83 | 78 | 68 | 71 | 88 | |
| Maximum (v % jmenovitého napětí) | 117 | 117 | 125 | 114 | 117 | 118 | |
| Změna napětí během provozu (%) | 42 | 33 | 47 | 46 | 46 | 30 | |
Dosahované napěťové hladiny
Napětí článku se tedy pohybuje v rozmezí mezi dolní a horní hodnotou doporučenou výrobcem. Například pro olověnou 12V baterii vybíjenou malým proudem to znamená 10,5 V až 14,1 V. V případě náhrady LiFePO4 baterií (jmenovité napětí 12,8 V) se pohybujeme v hodnotách 10 V až 16 V. Příklady pro více druhů článků složených ve 12V baterii je možno nalézt v tabulce (viz Tabulka 1).
Z tabulky je patrné také, o kolik procent se změní napětí během nabíjení či vybíjení článku. Tento rozsah je potřeba brát v úvahu při návrhu bateriových systémů. U systémů založených na olovu byla tato změna okolo 30 %, v případě moderních lithiových systémů se blíží až 50 %. Taková variabilita napětí pak může vést k problémům při dimenzování napájecího systému a v případě zátěže typu „konstantní výkon“ i k možnému přetížení baterie či střídače.
Na druhou stranu lithiové systémy mají plošší vybíjecí charakteristiku, a tak pokud baterie nepracuje v rozmezí hodnot mezních, ale doporučených, případně pokud ještě více omezíme z důvodů delší životnosti minimální provozní napětí, je změna napětí srovnatelná, respektive lepší než u baterií olověných. Pro ilustraci viz Obrázek 1.
Obrázek 1: Porovnání vybíjení generické Lithiové baterie s olověnou baterií. Porovnání platí pro shodné zatížení baterie (C rate) a shodný stav života (SOH). Na svislé ose je relativní změna napětí. Z obrázku je patrná plochá část charakteristiky v provozní oblasti baterie (mezi čárkovanou čarou). C rate, DOD, SOH vysvětleny zde.
Příklady použití různých hladin napětí
Napěťové hladiny úzce souvisí s použitím baterie v dané aplikaci. Často jsou tyto hladiny dlouhodobě fixovány a jejich změna není snadná. Příkladem je třeba olověný startovací akumulátor, který se vykytuje i v dnes populárních elektromobilech jako záloha napájení systémů vozidla.
Stacionární bateriové systémy pro domácí využití mají nejčastěji úložnou kapacitu kolem 5 kWh, s výkonem 3 kW až 8 kW. Pokud vezmeme střední hodnotu 5 kW, znamená to při systémovém napětí 12 V proud přes 400 A, při napětí 48 V je to cca 100 A. Pro vysokonapěťové baterie (HV) vychází ale proud při systémovém napětí 300 V na 16 A. Každý s přístupů ke konstrukci bateriového svazku má své pozitivní i negativní stránky.
12V systémy
12V rozvody jsou v současné době nejběžnější jako napětí pro palubní síť u osobních automobilů, dále pro systémy LED osvětlení. V případě automobilu je zdrojem napětí systém alternátor-olověná baterie. O nabíjení a hlídání napěťové hladiny se stará řídicí systém. U starších vozů elektro-mechanický (nabíjecí relé) a u novějších pak elektronický. Nevýhodou elektromechanického systému je větší rozmezí provozního napětí a tím i možnost přebíjení baterie, vůči kterému jsou citlivé především takzvané bezúdržbové baterie. 12V systémy pro budovy jsou doménou především malých autonomních (ostrovních) systémů pro napájení menších rekreačních objektů, které nemají připojení na rozvodnou síť.
24V systémy
24V systémy nalezneme především jako palubní síť nákladních automobilů a pracovních strojů. Dále se s tímto napětím lze setkat v rozsáhlejších autonomních systémech s výkony okolo 1 až 2 kW, které jsou často využívány na napájení větších odlehlých rekreačních objektů, kde zajišťují základní pokrytí potřeb elektrické energie na svícení a provoz některých spotřebičů. Výhodou je shoda s palubním napětím nákladních automobilů, která zaručuje dostatečné portfolio spotřebičů pro tuto napěťovou hladinu.
48V systémy
48V palubní síť u moderních hybridních automobilů umožňuje využití elektrické energie i pro pohon energeticky náročnějších aplikací jako jsou klimatizace, jízdní asistenti, aktivní podvozek a v neposlední řadě lze při tomto napětí již uvažovat o využití elektrické energie pro pohon vozidla. Hlavní výhodou stálého palubního napětí 48 V je pak zachování těchto funkcí i při vypnutém spalovacím motoru. V neposlední řadě znamená vyšší napětí úsporu mědi použité na vodiče (kabelový svazek může mít menší průřez), která sebou nese snížení nákladů na elektroinstalaci vozidla.
U autonomních systémů je 48 V nejběžnější napěťová hladina pro systémy s výkonem 2 kW až 5 kW.
Použití hladiny 48 V u domácích bateriových systémů lze vnímat jako snahu o úsporu nákladů (je použita většinou kompaktní baterie 48 V jako základ stavebnicového řešení) nikoliv technologické optimum. Viz dále. Použití 48V technologie sebou nese i úsporu na bezpečnostních opatřeních proti úrazu elektrickým proudem, na druhou stanu tak vznikají systémy s výrazně vyššími proudy (desítky až stovky ampér), které jsou pak náchylnější na havárie způsobené tepelnými účinky takového proudu.
96V systémy
Méně rozšířené systémové napětí pro výkony do přibližně 10 kW. Uplatnění naleznou především v domácích bateriích středního výkonu, i když i zde je spíše preferováno paralelní řazení 48V systémů, a to z důvodů dostupnosti široké škály měničů a nabíječů pro napěťovou hladinu 48 V.
120V systémy
120 V je starší velmi rozšířená napěťová soustava pro stejnosměrné rozvody. Byla využívána hlavně pro záložní napájení technologických celků a rozvoden vysokého napětí.
HV systémy
Jako vysokonapěťové (HV) systémy, jsou označovány systémy pro napětí vyšší než přibližně 150 V. V případě elektromobilů se nejčastěji pohybuje napětí bateriových paketů u hybridních vozidel do 200 V (jedná se o kategorii označovanou jako Mild Hybrid), u hybridních vozidel kategorie plug-in hybrid pak 200 V až 600 V a v případě vozidel plně elektrických do 800 V u vozidel vyššího výkonu, například závodních speciálů.
U domácích baterií je snaha používat napěťové hladiny blízké špičkové hodnotě požadovaného výstupního střídavého napětí. Tedy 325 V pro jednofázový systém, případně cca 600 V pro systém třífázový. Důvodem této snahy je minimalizace ztrát v systému způsobených úpravou hodnoty napětí (viz níže). Vyšší napěťová hladina sebou nese na jednu stranu mírné zvýšení rizika úrazu elektrickým proudem a vyšší riziko hoření stejnosměrného oblouku při náhodném zkratu, ale na druhou stranu menší provozní proudy výrazně snižují tepelné namáhání jednotlivých komponent a ztráty.
Porovnání výkonu systému vs. systémové napětí viz Obrázek 2.
Obrázek 2: Porovnání výkonu a systémového napětí různých aplikací baterií. Červený obdélník (12 V) značí typickou 12V palubní baterii osobního automobilu. Zkratka MildHEV označuje hybridní vozidla, která využívají krátkodobě pro pohon baterii dobíjenou z palubního generátoru. Jako HEV jsou pak označovány hybridní vozidla, známé také pod zkratkou plug-in hybrid. EV jsou elektromobily a zkratkou BESS označujeme stacionární bateriová úložiště. BESS doslova znamená battery-energy-storage-system.
Další důvody volby hodnoty hladiny napětí
Co ovlivňuje volbu napěťové hladiny systému kromě nároků dané aplikace a počtu článků? V případě stejnosměrného napětí je nutné zmínit dvě dělicí roviny a to hodnotu cca 28 V a hodnotu 60 V. První hodnota je hodnotou napětí, od kterého je možno udržet zapálený obloukový výboj. Druhá hodnota se pak považuje za hranici napětí bezpečného.
Ztráty v systému
Ztrátový výkon rezistoru je definován jako součin napětí na rezistoru a proudu rezistorem procházejícím. Pokud vyjádříme ztráty v obvodu jako výkon zmařený na odporu vodičů, pak lze konstatovat, že zmařený výkon roste kvadraticky s rostoucím proudem. Je tedy žádoucí procházející proud snížit, čehož lze dosáhnout zvýšením napětí.
Dimenzování vodičů se často provádí na základě maximální povolené proudové hustoty pro daný materiál vodiče. Je tedy žádoucí snižovat proudovou hustotu (proud) ve vodiči, a to použitím vyššího napětí. Na druhou stranu příliš nízká proudová hustota znamená nižší využití vodiče a tím pádem vyšší náklady na vedení. Proto je vždy potřeba hledat kompromisní řešení.
Samotný elektrochemický článek (lithiového typu) má hodnotu maximálního napětí okolo čtyřech voltů. Pro uložení většího množství energie je pak potřeba velká ampérhodinová kapacita článku. Sériové řazení článků tak umožňuje zvýšení uložené energie bez zbytečného zvětšování ampérhodinové kapacity a především vybíjecích proudů.
Z výše uvedených postřehů lze tedy vyvodit závěr, že pro provoz bateriového úložiště s velkou kapacitou je vhodné zvýšit napětí systému. Bohužel zvyšování systémového napětí sériovým řazením článků s sebou nese riziko nerovnoměrného rozložení napětí na článcích a tím i jejich poškození. Takový systém pak výrazně zvyšuje nároky na řídicí systémy (BMS, battery management system). Systémy pro vysoké napětí musí být pro splnění požadavků bezpečnosti dimenzovány na krátkodobé přepětí v řádu tisíců voltů, např. prostřednictvím minutové zkoušky napětím 2 kV.
Bezpečnost systémů
Z hlediska úrazu elektrickým proudem o maximálním bezpečném napětí rozhoduje okolní prostředí. U stejnosměrných (DC) systémů je za bezpečnou hodnotu považováno napětí živých částí 60 V (krátkodobě – při poruše – lze připustit výskyt napětí až 120 V) v případě zvláště nebezpečných prostorů (vlhké, stísněné prostory) je pak maximální přípustné napětí při poruše 25 V a není povolen dotyk s živou částí. V případě specifických požadavků může být hladina bezpečného napětí dále snížena na 12 V. Systémy s napětím vyšším jak cca 100 V tak lze považovat ve většině případů za systémy nebezpečné. V případě systémů o systémovém napětí vyšším jak cca 28 V je potřeba připočítat ještě nebezpečí spojené s hořením oblouku při přerušení obvodu. Hoření oblouku je doprovázeno velkým vývinem tepla a následným poškozením (opálením) i kovových částí systému. Dále je zde nezanedbatelné riziko úrazů – popálenin – u obsluhy takového systému.
Provedení spínacích a jisticích prvků
Oblouk je také hlavním limitujícím faktorem u kontaktního způsobu spínání stejnosměrného proudu. Při napětích pod cca 28 V lze vliv oblouku zanedbat. V tom případě se spínací prvky konstruují jako systémy bez zhášecích komor a je nutno pouze dimenzovat plochu kontaktu. Při napětích vyšších je nutno realizovat opatření pro zhášení oblouku. Tyto systémy jsou často velmi komplikované (magnetické zhášení, tlakovzdušné zhášení) proto je v současné době snaha tyto systémy nahrazovat, tam kde je to technicky možné a vhodné, pomocí bezkontaktních polovodičových spínačů. U spínačů je pak také nutno při dimenzování zohlednit vznik přepětí vlivem indukčnosti obvodu, kdy toto přepětí může napomáhat zapálení oblouku nebo poškodit polovodičový spínač. Spínací prvky je nutno dimenzovat s bezpečnostním koeficientem > 2, tedy pro napětí 1200 V až 1600 V a v neposlední řadě je problematické i samotné sériové řazení jednotlivých článků s ohledem na výrobní tolerance kapacity článku. Nicméně většina výkonových aplikací, jako například domácí baterie či pohon elektrických vozidel, dnes směřuje k systémovému napětí 300 V až 600 V.
Baterries for different applications require different voltage. What conditions determine the voltage for given application and what voltages are specific for concrete battery technologies?